1、 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 散货船锚机底座的振动分析 1. 本文的研究背景及意义 散装货轮，集装箱船及油轮是三个最大的主流船型，因此，倍受船东和船厂青睐，这个巨大的市场值得高度重视。近期，随着原材料需求煤炭、钢铁、铜等的增长对散装货轮的运力要求大大增加了。尤其经济快速增长的中国，其工业发展对原材料需求激增，钢铁工业发展需要大量铁矿石等大宗散货物的运力，相应的对散装货运输的要求更高，由于散装货物运力不足巳导致散装货轮运费的急剧增加。因此，尽管世界海上运输尚未走出国际金融危机带来的低谷，但是新增散货船需求市场已 是非常活跃，从而带动新造散装货船定单量的提高。 锚机是船舶的重要组成部分，锚机
2、系统由主油路系统、补油路系统和应急操作系统三部分组成。锚机是船舶停泊时克服外力、保持船位的设备，在船舶离靠码头和危急情况下到紧急制动的作用。锚机系统故障不能正常工作，将对船舶的运营造成重大损失，也是巨大的安全隐患，因此研究锚机的可靠性有重要意义。 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，船舶结构中的各种振动 ,不仅影响船舶的使用性能 ,严重的可能导致船体结构破坏 ,为此 ,长期以来船舶振动问题一直是船舶结构工程人员研究的热点 。 2. 锚机的定义及分类 锚机：船上用于收放锚及锚链的机械。用人力、蒸汽机、电动机、液压马达等作为动力。通常安装在船的首楼甲板上。其发展趋势是用一台机组实
3、现起锚、系泊、自动系泊和带缆等作业。按照驱动形式可以分为：手动、电动、液压。 锚机 有电动锚机、液压锚机和蒸汽锚机三种，除了动力不同以外，其他构造大致相同。液压锚机也叫电动液压锚机，它是以电动机带动油泵，用高压油驱马达，再经减速器（也可不设减速器）带动传动齿轮，使锚机运转，其结构较为紧凑，体积较小。 3. 锚机综述 文献 1 锚机主要用于船舶上抛 (起 )锚 作业，以达到固定船位；在系泊机动中，控制船的速度和船首的转动等作用。它主要有原动机、减速装置、离介器、绞盘、链盘、刹车、操纵装置等组成。减速装置是其中的重要部分，它的工作情况自接影响整个锚机的使用。 文献 2 恒张力锚机是浅水铺管船上的重
4、要设备，主要由动力系统转动系统、刹车系统、控制系统、支撑固定系统等组成。根据锚机的结构设计，对主电机的选型、刹车系统中的制动器选型、减速器的传动比等进行了分析。动力系统主要为大功率变频调速电机。传动系统的主传动链由齿式联轴器、双行星齿轮减速器、开式齿轮、滚简等组成；此外还 有排绳机构传动链，即滚简与排绳机构的丝杆之间用链轮进行传动。刹车系统由高速制动器、变速制动器 1、变速制动器 2、阻尼制动器低速制动器、棘轮机构等组成；控制系统由机旁控制柜、远程控制柜、编码器、张力传感器等组成。支撑固定系统为底座。 文献 3 为了空间布置的合理性，锚机的减速器可以布置在锚机的左侧 (L 型 )，也可以布置在
5、锚机的右侧 (R 型 )，给锚机附属零件的布置留出空问。根据钢丝绳出船方向的不同，锚机所采用的排绳机构也分为双轮形式 (下出绳 )和单轮形式 (上出绳 )。图 1 为 L 型双轮形式锚机总体结构图。 图 1 L 型双 轮形式锚机总体结构 电机通过齿式联轴器带动减速器的输入轴 (第 1 根轴 )转动，经过多级减速后，由减速器的第 3 根轴输出，减速器的输出轴端安装了开式小齿轮，由开式小齿轮带动滚简上的开式大齿轮转动，从而带动滚简转动。为了防止乱绳，在钢丝绳进出卷简的前方设置了排绳机构。压绳机构可以使钢丝绳在滚筒上可靠压紧，防止出现松动混乱的现象。底架是整个锚机的安装基础。棘轮机构是锚机驻车时防止
6、松绳的安全装置，正常工作时不使用。 文献 4 减速器是锚机重要的组成部分，为了达到大扭矩、宽传动比地将电机的功率传递给滚简的目的，减速器采 用了 2 种传动比，但必须在结构上实现 2 种传动比的自动转换，为此，设计了一种具有双行星齿轮的减速器。锚机的传动结构原理如图 2。 图 2 锚机传动原理 锚机滚筒共缠绕钢丝绳 15 层，第 8 层为中间层。根据作业的需要，要求低速挡时第 8层钢丝绳的拉力为 1100 kN,线速度 0 一 42 m /min 高速挡时第 8 层钢丝绳的拉力为 210 kN,线速度 0 一 186m /min。取滚简底径为 1300 mm,钢丝绳直径为 76 mm，则第 8
7、 层钢丝绳中心轴线的弯曲半径为 R8=1220 mm。 4. 船体的振动危害及原因分析 文献 5 严重振动对船舶的危害主要有以下几点： 1、使船体结构或机械设备在应力过大时产生疲劳破坏，影响航行安全。 2、影响船员和旅客的居住舒适性，影响船员的工作效率，危害身体健康。 3、影响船上设备、仪表的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命。 另外振动还会激发噪声。因此研究船舶振动的原因，采取有效措施进行减振十分必要。 文献 6 船体产生振动过大的主要原因可归结为下述 3 个方面： 1、设计时考虑不周，如船舶主尺度与主机的选择，螺旋桨与船体及附属体间隙以及与尾部线型的配合，船体结构尺寸、布置和结构的连续性
8、等。 2、 建造质量的问题，如螺旋桨制造质量差，轴线对中不良，结构连续性被破坏，焊接残余应力与初挠度等。 3、营运管理问题，如船体的装 (压 )载不当，轴系变形，主机各缸燃烧不均，机件磨损、松动，螺旋桨受损等。 三、船体振动力的分析： 文献 7 船体振动的主要振源是螺旋桨、轴系和主机，在运转时产生周期干扰力，使船体产生振动。 1、 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
9、水平力 XP 、转矩 XM 。 （ 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。 2、 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
10、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。 3、 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
11、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。 5.船舶振动及锚机底座振动分析 文献 8 锚机作为一整体直接承受各种环境下的载荷，它 与基座采用螺栓连接，载荷作用效果通过螺栓传递到基座和甲板加强结构上。按照中国船级社对锚机固定部分的船体结构强度校核要求（ 2006 版 CCS钢质海船入级规范第 2 篇 3.2.5)，设计工作载荷：按照锚机的实际工作情况，考虑锚机在带锚链掣情况下锚链对锚机的作用，取锚链破断强度的 45%为设计工作载荷，将载荷配置在各个螺栓孔位置。甲板上浪载荷：按舷内和舷外两个方向校核，两个方向的校核均需考虑垂直轴线和平行轴线载荷的共
12、同作用。并把将载荷配置在各个螺栓孔位置。 文献 9 以前，对船舶机械设备在船舶上的固定以及对船体局部 加强均按照经验设计，随着国内 CAE 技术的发展，对船体局部结构乃至整船的强度校核成为可能，设计人员可以运用有限元软件对所设计的结构进行静力、动力校核，进而对结构进行优化设计，保证了设计质量，也节省了设计、验证设计时间。 文献 10 由于船舶锚机基座结构形式小规则，所以很难采用简化梁的理论进行强度计算。随着有限元方法的推广和运用，该方法已经普遍运用于船舶的结构强度计算之中。本文采用有限元软件 MSC.PATRAN/NASTRAN，对某客滚船首部过道甲板锚机基座建立局部结构计算分析有限元模型，进
13、行直接计算分析。 文献 11 有限单元法的基本思路是将结构物看成由有限个划分的单元组成的整体，以单元节点的位移或节点力作为基本未知量求解。在分析结构时，先设法求出内力，然后即可计算相应的位移，这便是力法；也可以反过来，先确定某些位移，再据此推求内力，这便是位移法。力法是以多余未知力作为基本未知量，位移法是以某节点位移作为基本未知量。 有限元的基本方程为： K=F 式中 :K整体刚度矩阵； 节点位移列阵； F节点载荷列阵。 有限元分析过程包括如下具体步骤：建立有限元模型、结构模型离散化、引入边界条件、后处 理与计算结果的评价。 文献 12 有限元模型建立：锚机基座是一采用板板焊接而成的支承结构，
14、其面板孔位与锚机固定螺栓孔位相同。这一支承结构焊接固定在船的舷楼甲板上。在甲板下采用型钢对固定位置进行局部结构加强。根据基座及其附属加强结构的特点，建立有限元模型中采用板(shell )、梁 (beam)结合的单元形式对结构进行合理的模拟。本文采用通用有限元分析软件ANSYS 结构建模和分析。 1)坐标系 X 一船尾指向船首为正方向， Y 一船中指向左舷为正方向， Z 一铅垂方向，向上为正方向。 2)材料参数 结构材料采用 CCS 一 A 级钢。 输入材料参数为 :=7800kg/m3， E=2.06x105N/mm2， u=0.3. 文献 13 舱上安装有众多的船用仪器和设备，尤其是柴油机激
15、励会引起甲板的强烈振动，使设备的运行环境和乘员的生活条件恶化。因而必须使底舱局部自振频率避开激励频率，以消除共振。底舱结构被隔舱室板分成几个部分，其四周支持在外围壁上，都对舱上有众多的加强筋和梁结构，可以使用详细的模型将加强筋和梁结构详细表达在计算模型中，其结果最好，但是计算工作量大。本文采用的方法是将各个加强筋和梁结构处理为等效的甲板结构，通过多次 计算调整结构参数和材料属性，以达到最接近实际情况的有限元模型。通过计算安装柴油机的底舱的模态，得到底舱的前 3 阶固有频率分别为 22.1Hz、 52.0Hz 和 58.3Hz,图 2为前 2 阶和第 20 阶模态对应的振型。图 3 前 2 阶和
16、第 20 阶模态对应的振型。 文献 14 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、模型的结构参数、计算方法等 3个问题，并对上述问题进行了叙述。 文献 15 本文对船舶局部结构振动分析中边界条件的简化问题做了体统的分析研究，比较分析了各种不 同边界处理方法对计算结果的影响，在此基础上提出了一种边界简化和修正的方法。通过算例分析表明，本文的边界简化和修正方法能更好地描述船舶局部结构的正式边界条件，而且在实际的工程分析中易于实现。 文献 16 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
17、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理问题。 文献 17 除柴油机激励外， 船体激励力还有一阶轴力脉冲和螺旋桨叶频水动压力成分，当它们的频率、相位不同时，合成的振动响应呈不规则波形，在实际工程应用中可以分别计算每一个频率分量激励引起的船体响应幅值，然后将各个频率的响应幅值相加，得到合成响应的最大可能幅值。总结 在当今的船舶事业的发展中，船舶振动问题成为一个非常重要的问题。船舶锚机底座的振动计算，目前有两种方法：经验公式法和有限元法。不管使用那种方法，只要能够根据实际
18、情况，并且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。船体上层建筑振动是一个由许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。 随着电子计算机的发展和应用，有限元法已经成为解决许多科学和工程实际问题的有效工具。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。借助有限元法和高度发展的软件，使得船舶振动响应预报日趋准确。与二维简化模型计算相比，三维有限元分析可以计算船体结构更高频率的总振动和局部振动，对船舶
19、改型设计和减振降噪提供可靠的理 论参考，为优化设计提供科学的依据。 20 世界 70 年代，中国造船界开始使用有限元技术，经过 20 多年时间的开发，一些专用软件被广泛采用在船舶结构分析中，目前国内主要采用的有限元分析软件主要是MSC/NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, SESAM 等一些引进国外的通用有限元结构分析软件。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。参考文献 1 詹立魁 . 4.5 万吨级浅吃水散货船主机选型比较研究 J.海峡科学， 2010，（ 10） 2 郑文杰，林少芬 .舰船锚机液压系 统可靠性分析 J.机床与液压， 2010，（ 10
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