开孔形状对船体加筋板的振动的影响【文献综述】.doc

1、 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 开孔形状对船体加筋板的振动的影响 1. 本文的研究背景及意义 加筋板结构是工程中最常见的结构之一，广泛应用于船舶与海洋工程、航空航天工程、土木工程、车辆工程等结构中 。 1 近年来，随着国民经济的高速发展和国内需求的不断增长， 船舶航运有了较快的发展，这促使船舶行业大力发展，同时对船舶的安全性能要求做了进一步的要求 。 船舶的振动给船舶设计和使用带来烦恼，近三、四十年来，船舶主尺度不断增加，为减轻船体结构重量而采用高强度钢，船体的刚度因而下降；另一方面，为提高航速，动力装置的功率不断提 高，这样船舶振动的问题越来越突出。剧烈的船体振动会使船舶结构产生疲劳破坏

2、，使船上的机械、设备的正常使用受到影响，使船上人员感到不舒适甚至影响健康，因此在现在工业发展下，各个国家都投入大量的时间、财力来研究船舶振动问题。船舶航行时 , 船体板架受到静水弯矩和 ( 或 ) 波浪弯矩的作用 , 因此总是处于复杂的弯曲状态。为了防止船体板架的自振频率和激振源的频率重合而发生共振 , 精确地预估船体板架的固有频率有着极其重要的意义。合理地使用加筋板结构，可以保持结构性能的同时减轻系统质量，能在较大程度上减少制造材料 的消耗 , 从而降低制造成本。研究加筋板结构的结构优化 ,减小系统的材料体积 ,具有较强的研究意义。研究加筋板上的开口形状对板的振动影响，提高板的利用率，尽可能

3、方便开口，这样对于提高船舶的经济性能有较大的意义。 2. 加筋板 振动的原因分析 由于船体振动的复杂性，故要分析船的振动，只有抓住主要 原因进行分析 ，从主要因素入手： 1、 确定振动源 船体振动的主要振源是 位于船体尾部的 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

4、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 （ 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

5、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

6、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。 20 3.加筋板 振动的分析 文献 1综述了船舶甲板板架稳定性的研究现状 ,内容涉及板架和加筋板的弹性稳定性、弹塑性稳定性、动力屈曲、可靠性和优化设计等 ,通过对大量文献的分析整理，文章阐述了采用有限元法来进行船舶甲板稳定性的研究， 并对今后的研究作了进一步的展望。 文献 2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，并研究了不同船舶板梁组合结构振动分析的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际测量

7、值的比较，讨论船舶局部结构振动分析中边界条件处理问题。 文献 3文章提出了船舶上常见的四周任意固定（包括弹性固定）的平面板架振动的近似计算方法。 文献 4船体振动的四种分类：（ 1）在垂直平面上的弯曲振动；（ 2）在水平面上的弯曲振动；（ 3）扭转振动；（ 4）定向振动。并对四种振动进行详细说明。 文献 5文章介绍了船体振动分析的几个基础问题：（ 1）船体振动数学模型；（ 2）激振力；（ 3）船体结构参数；（ 4）求解方法；（ 5）解船舶振动问题的水弹性力学方法；（ 6）尾 部振动。并对其发展现状及前景进行了评述。 文献 6利用有限元分析方法分别研究了正交各向异性、对称角和反对称角铺设的正方形

8、复合材料层合板的线性和非线性自由振动问题。结合一阶剪切变形理论推导出层合板自由振动的有限元方程 , 构造了三维有限元模型 , 并对其基频进行计算。数值结果与其他的文献的结果对照表明 , 用有限元方法求得的基频与用各阶剪切变形理论求得的结果非常接近 , 但对于厚板结果与经典 K irchhoff 的结果有一些差距 , 对于其他理记是一致的。 文献 7本文探讨了用记及剪切和翘曲影响的薄壁梁有限元方法来计 算大开口船弯扭耦合振动的特性。导出了抗扭箱对增加船体扭转附加刚度的计算公式，并做了数值计算和实验研究。 文献 8文章通过直接求解轴向受载的均匀 Timoshenko 梁单元扭转振动和弯曲振动的微分

9、方程，导出了考虑轴向力、剪切变形和转动惯量的平面板架的动态刚度矩阵的解析表达式。通过处于复杂弯曲状态的船体板架振动的数值计算，验证方法的准确性。 文献 9本文用有限元方法对敷设粘弹性阻尼的加筋板进行了振动特性研究。粘弹性阻尼处理形式是在加筋板结构上加自由阻尼层和加粘弹性筋梁两种情况 ,并分析了粘弹性阻尼材料模量、损 耗因子、阻尼层厚度以及粘弹性梁剖面尺寸的影响。 文献 10针对板结构形状的规则性 , 提出用有限条法进行建模 , 将二维薄板的控制设计降为一维控制问题的设计 。 对模型进行模态分析 , 采用独立模态控制法 , 把原问题进一步降维 , 成为一系列标量微分方程的优化设计问题 。 从而减

10、少了振动主动控制设计的计算量和难度 , 能够很容易地用线性二次最优算法求得控制反馈量 . 文献 11为了提高加筋板结构振动响应的预报精度，建立了考虑板的剪切变形和旋转惯性以及梁偏心的加筋板结构的振动模型，并对板的偏心情形进行了阐述，同时编制了相 应的计算程序，对算例的计算精度进行了比较分析，最后将其应用于船体结构的振动响应预报，并给出了相应的计算建议 . 文献 12对于工程中广泛使用的加筋板结构 ,利用有限元分析的方法 ,对井字型、 X型和蜂窝型三种典型加筋板类型进行了静刚度性能分析及比较 ,并研究了结构参数对加筋板性能的影响 ,且根据分析结果总结了加筋板类型和结构参数的优化方向。在机械产品结

11、构优化的需求下 ,对加筋板模型优化这一目标进行了多角度的详细分析。在加筋板类型优化比较方面 ,定义了刚度体积比的参量 ,并通过分析各种刚度 ,确定了各类加筋板对 不同载荷的适应力。其后在加筋板结构参数的优化上 ,分析了壁厚、筋厚和筋高等参数改变情况下 ,结构体积与结构刚度的函数关系 ,并说明了各参数对于结构调整的作用。 文献 13基于结构声强法研究了加筋板结构振动能量的传输、分布和耗散特性。首先介绍结构声强分量的计算和声强可视化的相关理论，以及系统功率输入和输出的计算公式。在数值算例中，利用有限元法对 3 种常见的加筋板模型进行了简谐集中力作用下的响应计算，然后通过编制 Matlab 程序计算

12、结构声强分量，并进行结构噪声源的定位，实现能量传输和衰减的可视化。同时针对不 同的加筋形式对能量传递路径的影响也进行了讨论。研究了不同加筋板阻尼器能量耗散特性。最后以舰船平台板架为例揭示了结构声强技术在舰船振动设计中的应用价值。 文献 14基于等效刚度的思想 , 通过设定层合板的属性参数模拟了加筋板结构的力学特性 , 提出了一种适用于不同截面形状以及布局形式的加筋板总体失稳分析的等效层合板建模方法。利用 PAT RAN/ NAST RAN 软件比较了反映实际壁板形状的高精度有限元模型与对应的赋有层合板属性的等效刚度简化模型。对于工程中常见形状的加强筋以及不同布局形式的壁板 , 2 种模型的 一

13、阶线性失稳因子基本一致 , 从而验证了将等效层合板模型用于加筋壁板结构的稳定性分析可以满足工程精度要求 , 并显著提高了计算效率。 文献 15针对三种加强筋且横向加强筋为大小两种不同结构的典型加筋船板 , 考虑船板的弯曲振动 , 并计及船板内侧敷设粘弹性阻尼材料的阻尼处理和船板外侧重流体作用力 , 借助无限大板理论和经典波动法 , 建立了解析数学模型 , 导出了加筋船板在宽频单位力作用下的振动响应和远场水声辐射计算方法。通过典型实例的数值计算 , 讨论了小筋、阻尼等主要设计参数对辐射效果的影响。 文献 16利用有 限元技术对船体总振动、上层建筑总体和各层甲板局部自由振动频率及上层建筑振动响应进

14、行预报。介绍了用于振动计算的单层甲板模型、尾部上层建筑模型、全船模型及简化全船模型及应用实例。研究了上层建筑和船体之间的耦合影响，并根据具体算例对各种模型化的方法的效果进行评价。 文献 17当用梁理论计算船体振动的高谐调特性时 , 理论计算值与实际试验量测值有较大偏差。这样 ,梁理论不能作为计算高协调振动的一个实际可用的方法。本文应用二维和三维有限元模型计算船体垂直振动，采用我们自己编制的多单元结构动力分析程序 DDJ(DL),在国产 709计算机上计算了船体 A和船体 B两个船的船体总振动特性 。 计算结果与实测结果比较表明 , 建立的二维有限元模型较之传统梁模型有明显的优越性，理论计算与实

15、测之间的偏差大大改进 , 其四、五协调的计算误差由原来梁模型的 20%以上降低到 5%以内，而且由于计算模型简单 , 原始数据准备方便 ,计算时间短的特点 ,适宜在国产中小型计算机上实施， 因而该计算模型可供设计部门在船舶设计阶段较为精确地计算船舶振动特性使用。 文献 18本文应用有限元法计算船体空间构架振动。为了在给定的计算机容量下计算更多结点和自由度的构 架 , 本文在矩阵元素储存、结点约束处理以及矩阵特征值问题求解等方面采取了一系列办法。其中在矩阵特征值问题求解方面 , 本文把矩阵自动分块 CAUSS消去法 , 利用 STURM序列特性的特征值分离法与分块逆迭代法三者相结合 , 制定了自

16、动分块行列式收查法 , 显著提高了程序的计算能力 , 大大扩大了程序能计算的构架的结点数和自由度数。本程序并能灵活地处理各种结点约束 , 可方便地应用于船体空间构架和平面构架振动计算。本文还将有限元法计算结果与模型试验、实船激振试验进行了比较 , 两者十分一致。 文献 19采用二维有限 元法计算高速船垂向振动 . 船体结构部分采用二维有限元法计算 , 流体部分采用流体力学的二维边界元法计算 , 考虑了船体的变形 , 运用切片理论 , 可得船体的附连水质量 . 通过改变水下结构密度的方法 , 将附连水质量加在船体水下结构上 , 计算得到船体的固有频率 . 计算结果同实验值和 Supersap 计

17、算结果进行了比较 , 表明本方法是有效和合理的 . 4.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。 预测开口形状对 加筋板的振动影响 ，目前有两种方法：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

18、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，只有这样才能保证船舶营运的安全，延长船舶的使用寿命。 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 (如英国劳氏船级社的 SHIPRGHT 系统，美国船级社的 SAFEHULL 系统等

19、 )，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，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。 参考文献 1俞铭华船舶板架稳定

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