1、 毕业论文开题报告 船舶与海洋工程 成品油船舱口盖自由振动分析 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.船舶振动特性的研究现状 船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体，船体构件的质量与刚度具有分布的性质，包含了无限个质点。船舶受波浪和机械设备产生等多种载荷作用将产生结构振动，理论上是将这类具有无限个自由度的弹性体振动，简化为有限个自由度系统进行振动分析。 船舶振动的基本要素为激励、响应和衡准。船舶通常受到周期力和瞬时力的激励 , 多数情况下 , 周期力由螺旋桨和主机产生 , 瞬时力由波 浪所引起。共振时 , 较小的周期力亦会使船舶发生严重的振动 , 强大的瞬时力 ( 如冲
2、击力 ) 可能会激发船体结构振动 , 当处于恶劣海况时 , 会造成结构的严重损坏。船舶发生有害振动的事故时有所闻 , 船舶剧烈振动除造成结构损坏外 , 还使船上仪表、设备破损或失灵 , 破坏舰艇稳身性 , 影响船上人员的工作效率及生活舒适性。时代对船舶低振动化的要求也越来越高 , 船舶振动日益成为重要而又突出的问题。 研究船舶振动的方法主要是按振动分布范围 ( 总振动和局部振动 ) 加以区分。船舶总振动又有自由振动和强迫振动之分 , 其研究方法也有不 同。 能量法。应用求解船舶自由振动的方法很多，有瑞利法、西曼斯曼法等。能量法的基本原理是应用能量守恒定律。瑞利法是将船体结构振动简化为单自由度系
3、统的振动，它是计算弹性系统振动的基础，具体做法是假设振形函数，满足几何的 (即端点的位移和转角 )边界条件，将船体结构振动系统中最大动能与最大位能相等。 迁移矩阵法。船体的振动采用这种方法是较适宜的。它是将整个船体考虑为一根变剖面梁，分成若干段具有均匀刚性、质量分布的等直梁，从微段的微分方程出发，列出剖面的状态参数 (包括该处的变形和内力 )构成状态矢量，考察各微段结合处的 状态矢量在经过一个微段以及结合点处的传递和变化关系，并与船体两端的边界条件相结合，从而得到振动系统的数值解。 有限元法。船体结构的有限元计算已经扩展到三维舱段立体结构计算或整艘船舶全部结构的有限元计算，船体各细部可以真实的
4、反映在计算中，使结构计算达到相当的精确和详细程度。对于一些技术密集型船舶、高性能船舶、特种新型船舶，传统的船舶设计规范很难满足其设计需要，有限元方法就成为这类船舶结构设计必不可少的工具。 型船近似估算法。由于船舶振动问题的重要性，要求在船舶设计的早期估算船体振动的固有频率，以便为方案设计提 供资料，把可能发生的振动隐患消灭于未然。但在船舶设计的早期，详细计算所需要的一些原始数据，如剖面惯性矩、质量与浮力的分布曲线等尚未得到，要进行较为深入的计算是不可能的，因此，需要用型船的资料，近似估算船体振动的固有频率。 3 2有限元法在船舶舱口盖（板梁结构）振动计算中的应用 有限元法将求解区域看成由有限个
5、单元体以某种形式互相连结而组成的集合体，而且单元体可以形态各异，同时对单元体给出物理假设，即从数学上给出近似函数。 在我国造船领域，有限元技术的发展始于 20世纪 70年代，经过多年的研究开发，一些专用软件 广泛应用在船舶设计、计算中，对我国船舶事业的发展作出了重大的贡献。至今，亦已成为船舶设计中常用的一种方法。 用有限元技术解决船舶结构振动问题的关键是建立正确的计算模型。船体质量、设备质量、货物质量及附连水质量等应合理分配到相应的构件上，以避免不必要的局部振动影响总振动计算结果。由于船体结构是非常复杂的，因此，可利用子结构技术，将全船划分成若干个子结构来分别进行处理，然后再通过平移、镜射等手
6、段将其组装起来。 由于船舶是漂浮在水中的弹性体，因此，船舶的振动分析必须计及流体的影响。附连水问题包括对阻尼、重力和惯性 的影响，其中最重要的是对惯性的影响。由于船体表面形状不规则，不可能用数字方法精确确定各阶振动时附连水质量的大小，并且附连水质量除与船体质量、形状、振动位移、速度有关之外，还与振动频率有关，这就使固有频率与求附连水质量成为一个耦合问题。传统的附连水质量计算采用刘易斯图谱法，该方法是在圆柱体试验的基础上加上首尾三维修正而得到的，适合于细长船。另外，也可以采用传统的二维附连水质量加上三维流动系数修正的办法来估算附连水质量。 边界条件的处理是一个很重要的问题，边界条件处理的好坏直接
7、影响计算结果的正确性。用有限元技术 对船体结构进行动态特性分析时，必须使边界条件既能真实地模拟实际情况，又不影响船舶的动态特性。 在用有限元法率计算时，首先将结构离散成很多单元，如板元、膜元、梁元、杆元等，通过节点连接而构成计算模型。在此基础上计算单元刚度矩阵，再组装构成整个结构的刚度矩阵 ;同时，采用相应的办法 (如集中质量法或一致质量法 )构成质量矩阵。在计算船体结构固有频率时，可不计阻尼影响，从而将船体振动问题离散化为多自由度系统的自由振动方程，再应用子空间迭代法、 Lanczos法和单茨 ( Ritz)向量法计算结构特征值及特征向量 (固有频率及 模态形状 )。 目前广泛应用于船体振动
8、计算的有限元模型主要有二维有限元计算模型、三维有限元计算模型、包括整个船体娓部在内的三维有限元计算模型、船体艉部结构和船体梁相结合的整船三维有限元计算模型共四类。但是各种有限元模型各有优缺点，如舱口盖二维有限元模型由于没有考虑船体与舱口盖之间的藕合影响，对基础刚度的取法有一定的人为误差，计算精度相对较差，但原始数据的准备比较简单，计算时间短，因此可作为初步估算之用；单独舱口盖筑三维有限元模型反映了舱口盖的实际结构，但需估算基础刚度，在有舱口盖基础刚度试验数据的情况下，可采 用该模型，对于计算单独舱口盖固有频率来说，其计算结果是令人满意的，但它未能考虑与船体的祸合影响，有其局限性；整船三维模型能
9、同时反映舱口盖的基础支撑情况和与船体总振动之间的祸合影响，计算精度较高，但模型比较复杂，数据量较多，计算成本也较高，可按实际情况选用。 目前使用较多的有限元分析软件有： ANSYS、 ALGOR、 I-DEASN、 ASTRAN 等。 一般来说，大型的有限元软件包括前处理、求解和后处理三部分： （ 1）前处理 :定义求解所需的数据。用户可选择坐标系统和单元类型，定义实常数和材料特性，建立实体模型，并对 其进行网格划分，确定控制节点和单元数以及定义耦合和约束方程。 （ 2）求解：用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷分步选项，然后开始有限元求解。 （ 3）后处理：对于结构动力分析，可以查
10、看某个模态固有频率及振型；对响应分析，可以查看某一阶激励频率时结构的应力、应变以及某个节点在一个频率范围内的振幅。还可以将某个模态或某一个频率激励下的响应做成动画，使结构的变化过程一目了然。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 论文研究了船体结构中的舱口盖自由振动计算方法，主要研究内容包括以下几个方面： 1.薄板 的自由振动振动公式推导。从薄板结构横向振动微分方程推导了薄板结构固有频率和振型求解的解析方法，求解四边简支板的自由振动。用 Patran建立四边简支板的模型进行有限元自由振动分析并与解析解进行比较。 2.船体板梁振动计算有限元理论与方法，学习了有限元方法在板结构动力学分析中的理论
11、和方法应用。 3.建立带有甲板，围板的舱口盖模型，改变甲板厚度，网格划分，加筋等条件的不同对舱口盖自由振动结果的影响。并建立只有舱口盖近似加筋板的模型，改变盖板厚度的条件对结果的影响，再比较建立不同模型对结果的影响。 三、研究步骤、 方法及措施： 1、学习板梁结构的相关内容，查找有关资料； 2、学习有限元算法，对有限元有一定得了解； 3、学习 PATRAN 软件基本操作； 4、学习 PATRAN 软件，初步建立三维模型； 5、学习 PATRAN 软件对模型进行不同大小网格的划分； 6、用 PATRAN 软件对模型进行自由振动分析； 四、参考文献 1 张永根 . 船舶振动原因及其减振方法 J.
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