1、毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 集装箱船舱口盖自由振动分析 一、本文的研究背景及意义 随着全球经济一体化的发展，我国与世界各国的联系越来越紧密。国际物流业作为现代服务经济的重要组成部分，必将成为中国对外贸易的巨大推动力量，也将成为我国新的经济增长点。而在国际货物运输中，海洋运输占据了举足轻重的地位，据统计，海洋运输在国际货运总量中占 80%以上，是国际物流中最主要的运输方式。其中集装箱船运输的优越性又： 1）提高装卸效率、减轻劳动强度； 2）减少货损货差、提高货运质量； 3）加快车船周期、提高运输能力； 4）节省包 装费用、简化理货手续； 5）减少营运费用、降低运输成本； 6）简化货运手续、
2、便于货物联运。 舱口盖是船舶的重要组成部分之一。舱盖的强度和密性，影响到船舶的安全性；舱盖的开关方式，开关的机械化、自动化程度高低直接影响到装卸货物的效率和质量，人员的劳动强度和停港时间；舱盖本体、附件和驱动设备在船舶造价中占有相当比例，关系到船舶的经济性。 船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体， 这些结构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。 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
3、重的振动， 强大的瞬时力 （ 如冲击力 ） 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。 船体受外力干扰， 在该力除去后所发生的振动叫自由振动。这种振动又可分为无阻尼自由振动与阻尼自由振动两种。这种振动是以船体自由振动频 率 （ 也叫固有频率 ） 振动的。 二、舱口盖定义及分类 舱口盖（简称舱盖）是船舶上的重要组成部分之一。舱盖是货舱甲板开口的关闭装置。它肩负着密封舱口，保护货物和部分支撑平台的作用。舱盖本体多为大型钢结构，配备的附属装置为机械加工构件，
4、1 驱动及操控方式多种多样。舱盖的强度和密性，影响到船舶的安全性；舱盖的开关方式，影响到装卸货物的时间；舱盖本体、附件和驱动设备在船舶造价中占有相当比例，关系到船舶的经济性。 舱盖如果按开关方式划分，舱盖可分为 :翻滚式、折叠式、侧移式、吊装式和卷筒式等。如果按驱动方式划分，又可分为 :链条 式、铰链式、齿条式和拉杆式等。 三、船体振动原因及危害 1）船体振动原因 由于船体振动的复杂性，故要分析船的振动，只有抓住主要矛盾，从主要因素入手： 1、确定振动源 船体振动的主要振源是螺旋桨、轴系和主机，他们在运转时产生周期干扰力，使船体产生振动。 2、分析主要振源产生的干扰力 （ 1）螺旋桨激振力可分
5、为表面力和轴承力，频率都为叶频，即 12enZ。其中，表面力经水作用于桨上方的船壳板，其合力方向为垂向；轴承力通过桨轴和轴承作用于船体，其分力表现为推力 VP 、垂向弯矩 vM 和垂直力 zP 、水平弯矩 zM 和水平力 XP 、转矩 XM 。激振力往往是振动的主要干扰力，需予以重视。 （ 2）轴系的振动也产生干扰力，但该船轴系设计中临界转速不在主机工作转速范围内，工作转速避开了 “转速禁区 ”，只要轴系 校中良好，轴系振动的影响可以忽略。 （ 3）主机产生的干扰力是三阶不平衡横摇力矩，频率是 3en ，通过机座作用于机舱板架。由于是高阶分量，估计影响不大。 3、分析干扰力引起的船体结构振动
6、（ 1）表面力在局部上引起该处船底板格的横振动和艉舱立体分段的垂向振动，在总体上引起船体梁的垂向总振动。 （ 2）轴承力的分力 xP 引起上层建筑和船体的纵向运动，因船体纵向振动的等效刚度极大，振幅极微，故可忽略；垂向弯矩 yM 和垂直力 XP 引起机舱船底板架以至全船的垂向振动；水平弯矩 XM 和水平力 XP 引起机舱板架以至全船的水平方向振动。 （ 3）转矩 XM 引起轴系和主机的扭转振动。 从上面分析可知，轴系和主机的扭振较小，主机与轴系这一系统也没产生妞振共振，故对全船的扭2 转振动影响较小，这一部分只考虑主机三 阶不平衡横摇力矩引起的机舱船底板格的垂向振动。 4、局部振动与船体总振动
7、的耦合 （ 1）船底板格与船体分段及全船相比，质量微小，振动频率高，故板格振动可以从船体分段及全船的总振动中分离出来，单独计算。而艉分段作为立体结构，质量较大，且与船体前部耦合，故艉部的振动不能与船体梁总振动分离，应视为总振动中的一部分。 （ 2）机舱船底板架质量较大，且与货舱区双层底骨架相互交错，连接刚度大耦合紧，其振动不能与船体总振动相分离。 2）船舶振动的危害 1、振动对船体的危害 振动会对船体造成严重的危害，如引起铆钉松动，钢板疲劳 、结构破坏等 2、振动对指挥系统的危害 振动产生的噪声会影响指挥，声呐导流罩内噪声过高会严重影响声呐设备的正常工作并干扰声呐对水下目标（暗礁、沉船、潜艇等
8、）的探测，产生误判。 3 振动对仪器、设备的危害 1）振动会影响仪器仪表的正常运行，影响对仪器仪表的刻度阅读的准确性和阅读速度，甚至跟本无法读数。如振动过大，会直接影响仪器仪表的使用寿命，甚至受到破坏。 2） 对某些灵敏的电器，如灵敏继电器，振动甚至会引起其误动作，从而可能造成一些重大事故。 3）振动和噪声还会降低声呐、雷达的作用距离，大大削弱其战斗力。 4、振动对船员的危害 1）影响船员的舒适性，易造成船员疲劳； 2）由于振动使他们的视觉受到干扰，手的动作受妨碍和精力难以集中等原因，造成操作速度下降或误操作，可能出现安全事故。 3） 如果振动强度足够大，或者长期在相当强度下的振动环境里工作，
9、则可能会在神经系统、消化系统、心血管系统、内分泌系统、呼吸系统等方面造成危害或影响。 四、舱口盖自由振动综述 文献 1舱口盖要有合理的装配工艺、合理的焊接程序、同时对舱口盖的检验，应贯穿下料至完工的整个生产过程，并应在此过程中对制造质量进行监控。对舱口盖变形的检验应始终 在一个温度变化不太大的某一个时间进行，以免由于较大的温差造成检验结果不准确。同时，对检验人员、检验方式、方法、检验设备及检验点等也应固定。总之，应避免工序的质量处理必须在本工序内完成，以免影响下道3 工程的制造精度，造成积累误差。并在对合前。完成舱口盖全部的校正处理工作。 文献 2舱口盖裂缝的主要原因：舱盖纵桁两端设计欠佳、支
10、承块摩擦系数取小，导致舱盖设计疲劳强度降低、舱盖疲劳强度校核时许允应力算大；其改进措施：提高舱盖板设计负荷、舱盖板实际剖面模数要求比设计剖面模数增大 5%、舱盖板支承块由原来的钢质材料改为 铜质材料，摩擦表面含有内嵌式圆柱形石墨以减小摩擦系数，固定形由原来的焊接固定式改为螺栓连接的活动可拆式、校核舱盖疲劳强度时，舱盖支承块表面弄脏等因素，在校核计算时摩擦系数仍取 0.5，并得到船级社认可、舱盖纵桁两端设计时，面板、腹板的对接焊缝与板的折角布置全部错开一定位置、许允应力计算严格按照新规范要求。 文献 3设置在散货船不同位置的舱口盖承受着不同形式的载荷作用，所产生的舱口盖构件应力和度也有所不同。为
11、此，在滚动舱盖的设计中，采用直接计算方法，将舱口盖的构件简化为两端刚性固定的梁或简支梁来计算。 文献 4对 8530TEU 集装箱船舱口围板、舱口盖及其导向装置进行合理简化后，综合应用 CAE 软件仿真模拟了吊离式舱口盖与导向装置间的接触 -碰撞过程。 不仅可以得到所关心的最大碰撞力、位移等参数，而且可以直观的显示碰撞的整个过程，方便了解各个构件的变形及损伤程度，为进行碰撞性能研究提供了有力的帮助。 文献 5仅考虑集装箱船舱口盖的强度问题是不够的，在设计时还要考虑舱口盖的疲劳强度及疲劳寿命。通过对某 8530TEU 集装箱船的典型舱盖计算分析，舱口盖不能视为船体的一部分。基于 S-N 曲线提出
12、疲劳寿命的分析方法，得到（ 1） 在设计时必须考虑舱口盖的疲劳寿命；（ 2）舱口盖的疲劳寿命最危险处发生在局部结构处；（ 3）减小寿命较小点处的应力对疲劳有明显的帮助；（ 4）对舱口盖而言。腐蚀的影响不大。 文献 6对焊接舱口盖中间压筋的原焊接工艺所产生的气孔、单边缺陷的原因进行了分析研究， 提出在焊接第一道焊缝时可采用焊后机械整形法使间隙控制在 0-1mm 范围内；手工焊电流为 210A，埋弧焊电流为 600A；要注意腹板板厚增加，间隙中的气体量增加，生成气孔的可能性就越大的情况。防止单边缺陷第一道焊缝的焊接电流选用 700A；第一道焊缝焊后进行机械 矫正，以防止在焊接第二道焊缝时产生单边缺
13、陷。 文献 7舱口盖是船舶上重要组成部分之一， 它肩负着密封、保护货物和部分支撑平台的作用。按开关方式划分， 舱盖可分为 : 翻滚式、折叠式、侧移式、吊装式和卷筒式等。按驱动方式划分， 又可分为 : 链条式、铰链式、齿条式和拉杆式等。在修理时要注意（ 1）修理前， 开关几次舱盖， 根据开关时舱盖的表现找出故障原因， 做到对症下药； （ 2） 修理前， 根据图纸和现场实际情况做好标记； （ 3）修理过程中， 如果发现舱盖板或骨架结构有变形要进行矫正， 可以运用多种方法， 机械矫正和火 工矫正。最后还要进行计算校核，以判断强度是否符合要求。 4 文献 8在对舱口盖修理中焊接变形进行定量分析的基础上
14、，对焊接变形提出在修理前应采取相应的预留收缩余量法和反变形法措施，以预防过大的焊接变形；合理改进焊接程序， 尽量缩小焊缝收缩量，减少焊接变形；改进施工工艺措施， 尽量减少完工后矫正变形的工作量。对舱口盖变形的矫正可采用机械矫正焊接变形；火工矫正变形；切开局部结构矫正法；局部调整舱口盖或舱口围结构法。 文献 9基于 S-NQU 曲线，运用有限元分析法对 8530TEU 集装箱船的典型舱口盖结构进行疲劳寿命分 析，并结合船级社规范，得到（ 1）舱口盖结构在各种工况下的最小疲劳寿命基本大于船级社提供的设计寿命 20 年的要求，即在此循环条件下受到的疲劳寿命载荷低于疲劳极限；其中舱口盖结构在 20集装
15、箱载荷（局部装载）横倾至左舷工况时的最小寿命不能够满足设计要求；（ 2）对同样的 LC10 工况采用船级社规范进行校核，疲劳应力范围并不满足船级社规范的许用应力范围要求。 文献 10利用 MSC.Patran 软件对某多用途船船体舱口盖进行三维有限元分析，得到舱口盖在风雨和堆放货物载荷作物下，舱口盖应力与位移的分布情况。计算和分析结果 得到舱口盖主要结构符合强度与稳定性要求，并且： 1）舱口盖中舱盖板和肘板上的应力和剪力都比较大； 2）整个舱口盖应力分布较均匀，结构布局比较合理，高应力现象主要出现在舱盖中少部分区域； 3）梁结构应力最大处并未出现在垂直撑柱上，且应力在许用应力以内，可以看出舱口
16、盖结构设计符合要求。 文献 11本文主要从双层底强度、波浪载荷及舱口盖与支承块之间的摩擦力等三方面横向强度对大舱口货船带来的影响作了分析。提出（ 1）要增加双层底的高度以加强其横向刚度，肋板只能在舷侧部位开小孔，肋板到横框架的过渡区域必须特别牢固；（ 2）为 减少纵向围板的变形，必须在载荷集中处布置横向刚性框架；（ 3）在舱口围板下应布置刚性特别强的支柱，同时支柱必须与刚性横框架连接；（ 4）舱口角隅区域要增加甲板和纵向围板的板厚以及加舷顶列板的厚度，在角隅区域内应该避免设置扶梯通道口和通风机口，舱盖之间的横伸缩缝必须有特别宽的密封件；（ 5）把左舷和右舷的集装箱分别系固在船舶的两舷，并且，两
17、堆箱子之间的间隔要考虑到横向变形；（ 6）制动器的布置和选择应满足下舱口盖水平方向刚性良好，舱口盖纵向不变形和纵向围板在横向具备一定的韧性。（ 7）上面板要防止应力集中。 文献 12应用有限元分析软件 MSC. Nastran 建立了板梁结合的 3D 大型舰船甲板结构有限元模型 ，计算了其模态 ，并对计算结果进行了分析。其结果 说明了 MSC. Nastran 适合在船舶结构局部强度分析中应用。同时合理使用 MSC. Nastran 软件，可以优化结构，减少重量，提高产品的可靠性。 文献 13减振降噪在船体设计中越发显得重要。本文以 2750TEU 集装箱船为例，分别阐述了总振动、自由振动、强
18、迫振动以及局部振动的分析过程，计算了整船的固有频率与激振频率。 文献 14通过对实船振动测试、结构 固有频率计算，结合尾部螺旋桨脉动压力大小，逐步分析并查找出引起局部振动的主要原因，并提出了相应的解决措施。 文献 15针对 30000t 大湖型散货船有害振动问题，通过振动测试、模型试验和三维有限元计算，找出主要的激励源是螺旋桨诱导的脉动压力，并准确进行了艉部伴流场评估和脉动压力预报 .最后从船体5 结构上采取合理优化的减振措施：即 1）柴油发电机组平台下加工字钢支柱； 2）减少上层建筑甲板下强横梁跨距，提高结构刚度； 3）提高桅杆及雷达支柱纵向刚度。 文献 16对舰艇结构局部振动性能预报进行了
19、研究，制定了局部振动预报 方法，探讨了确定计算模型的几个关键性问题，编制了适用于舰艇结构局部振动预报的计算程序，并结合新一代舰艇的设计和建造实践，对多种舰艇结构的局部振动进行了预报，解决了设计和建造过程中提出的振动分析任务 文献 17将海洋平台中顺应式结构简化为底端具有线扭转弹簧支撑，顶端附有集中质量块的水中柔性梁。采用连续介质力学方法，在小变形和大转角的假定下，应用大挠度理论建立了梁的非线性耦合运动控制方程和边界条件。在 Morison 方程的基础上研究了流体力的作用效应。运用有限差分法和Runge-Kutta 法得到了方程数值解，分 析了梁在真空中和在水中无阻尼、有阻尼的自由振动，并对大挠
20、度理论下非线性结构与横截面转角近似下非线性结构及线性结构进行了比较 文献 18针对轴向载荷作用下各种边界条件的非线性弹性矩形截面梁，考虑梁的非线性效应，运用Galerkin 原理，林滋泰德 庞加莱法，对梁进行了研究。得到其动力响应解，并针对轴向静载 N 和非线性材料参数 B 对位移响应及频率响应的影响进行了讨论。 文献 19采用 Mindlin 板单元和参考轴杆单元，建立了考虑板剪切变形。骨架剪切变形和骨架偏心影响的船舶板梁组合结构振动分析模型并研究比较了不同 船舶板梁组合结构振动分析有限元模型的计算精度。最后通过对某舱室甲板固有频率计算值和实测值的比较，讨论了船舶局部结构振动分析中边界条件处
21、理问题。 文献 20针对一个机械构件，首先根据其形状，把其简化为板梁耦合结构。而后分别建立板和梁的的振动方程，再通过两者之间的力矩和转角的关系对各自的振动方程进行了修正，获得耦合振动方程。最后分别通过理论分析的仿真和 ANSYS 仿真对理论分析进行了检验和修正。仿真结果的比较也证明了此理论分析的正确性。 文献 21针对非常规船型的双体穿浪船， 应用整船有限元模型进行了船体总 振动和局部振动的计算分析， 得到了有别于常规船型的复杂的双体船振动特性， 并据此提出了一些双体船的减振对策。 文献 22整船振动分析是评价船舶振动性能的最佳方法。文章概述了整船结构振动计算分析中的力学模型的建立、模型的结构
22、参数、计算方法等 3 个问题，并对上述问题进行了叙述。 文献 23对 8000kw 海洋救助船和小水线面双体船的振动情况，及其振动产生的机理应用结构动力学和有限元方法进行了详细的分析，并提出了有效的工艺措施，达到减震降噪的目的。文章阐明船舶振动不仅与设计有关，而且与建造工艺质量有密切的关系。 文献 24基于考虑弯扭耦合运动的船体薄壁梁理论和以简单 Green 函数构造的二维流体直接边界元方法，建立一个用于薄壁梁型船舶结构在水上运动的流固耦合作用的计算模型。同时考虑到附连水质量随振动频率变化及与振动型式相关等因素，将流体对结构的作用处理为集束的附加质量阵，叠加到结构6 的一致质量阵之中。用迭代的
23、方法求得船体在水上运动的湿固有频率和模态，从而得到其动力响应。本文的方法作为三维水弹性计算模型的一种补充，可以对薄壁梁型船舶结构自由振动的湿模态特性进行一些初步的分析和计算。 文献 25借助于广义位置函数，建立 了具有分布式压电元件变截面智能梁的横向振动方程，并在此基础上对两端简支智能梁的自由振动固有频率进行了数值计算和分析。 文献 26对于海洋平台振动模糊控制进行了研究。通过模态阻尼比的不确定性显示了模糊控制的鲁棒性，研究表明海洋平台的振动模糊主动控制是有效的、可行的，并且提高了平台的适用性和生存性。 五、总结 随着船舶事业的发展，船舶振动问题成为一个比较突出的问题。船舶舱口盖的振动计算，目
24、前有两种方法：经验公式法和有限元法。有限元在船舶振动中的应用，使船舶振动分析上升到了一个新水平。利用有限元法可以相当准确并 迅速的计算出船体的某种响应特性，解决了许多过去无法解决的问题。在船体结构的设计过程中，不是采用哪一种方法就可以控制好结构振动，也不是哪一种方法特别优劣，而是要根据实际情况，采用其中一种或者多种，甚至其他的方法来进行控制，只要能够达到控制要求及满足有关规范或标准就是好的控制方法。船体上层建筑振动可以说是一个由无限多的谐振器组成的系统，稍不注意就会出现激振力与某一谐振器发生共振，造成结构、部件、甚至机械设备的损坏。因此，必须针对各种振动情况分析计算公式和有限元结果，采取措施，
25、只有这样才能保证船舶营运的安全，延长 船舶的使用寿命。 20 世纪 60 年代后， 随着电子计算机和有限元理论的发展， 目前已广泛采用有限元技术分析复杂的弹性体结构的振动。 在我国的造船界，有限元技术的发展开始于 20 世纪 70 年代，经过 20 多年时间的开发，一些中小型的专用程序被广泛采用在船舶结构分析中，然而由于我国大型综合性分析系统研制工作起步较晚，目前尚未形成具有国际竞争力的规模性软件。在船舶工业研究领域，除了各大船级社推出的各自集成的设计计算系统 （ 如美国船级社的 SAFEHULL 系统 ） ，目前国内主要采用的有限元分析软件大多是引进国外生产商的大型通用有限 元结构分析软件，
26、主要有 MSC/NASTRAN， ANSYS， ABAQUS， SESAM 等。这些程序己被广泛运用到船舶结构分析的各个领域，并己取得了一定的成就。用常规有限元方法进行求解时，要得到满足工程要求的较高阶固有特性，单元必须划分得足够小，以致结构有限单元模型的自由度数目相当大，有时还由于单元尺寸过小而导致单元模型属性的丧失。在结构动应力的计算中，常规有限元方法精度低，很难得到令人满意的结果。因此，如何用有限元方法来提高结构动应力计算的精度，至今还是一个有待于进一步研究的问题。 7 【参考资料】 1 蒋国才 . 502TEUMPV 舱口盖制造工艺简述 J. 武汉造船 ， 1999， NO.1： 19
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