1、浙江海洋学院本科毕业论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 7000DWT 成品油船舱口盖自由振动模态分析 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 浙江海洋学院本科毕业论文 目录 2 目录 摘 要 .1 Abstract.2 1绪论 .3 1.1 本文的研究背景及意义 .3 1.2 船舶振动研究现状 .3 1.3 本论文中研究的内容 .6 2薄板的自由振动 .7 2.1 引用薄板结构横向振动方程 .7 2.2 四边简支的矩形薄板的自由振动 .8 2.3 两对边简支的矩形薄板的自由振动 . 11 3船舶板梁组合结构振动的有限元分析理论
2、.16 3.1 船舶自由振动 .16 3.1.1 船体振动的原因分析 .16 3.1.2 船舶设计阶段注意事项 .16 3.2 有限元法基本简介 .17 3.2.1 有限元概念及其操作步骤 .17 3.2.2 有限元整船分析时节点力的调整 .17 3.3 有限元网格划分理论和方法 .18 3.3.1 有限元单元法的概念 .18 3.3.2 有限元网格的一般描述 .18 3.3.3 网格生成的过程 .19 3.3.4 网格生成典型方法及优缺点 .20 3.3.5 有限元网格自动生成发展与展望 .22 4船舶舱口盖结构有限元软件的振动计算 .24 4.1 MSC.Patran 的一般使用流程 .2
3、4 4.2 有限元计算模型 .25 4.3 结果分析与讨论 .32 4.4 不同建模方法结果对比 .37 5 结论与展望 .44 致谢 .45 参考文献 .47 浙江海洋学院本科毕业论 文 摘要 1 7000DWT 成品油船舱口盖自由振动模态分析 摘 要 船舶振动可导致船体结构处于疲劳状态，出现裂缝或疲劳破坏，影响船上仪器、仪表和控制系统的性能，产生航行安全隐患，同时也会影响船上人员的工作效率及生活舒适性，影响航行操作。因此，开展船舶结构的自由振动分析是非常必要的。 本论文以 7000DWT 成品油船舱口盖为对象，通过 MSC.Patran 软件对船舶结构自由振动进行模态分析。其中第二章里以薄
4、板自由振动分析为算例，运用有限元法将板材划分网格，将得到的振动频率和理论计 算得到的频率相比较，证明其准确性。最后对油船舱口盖建模研究，得到网格细化与否对结果的影响。 关键词 MSC.Patran；舱口盖；自由振动；模态分析；有限元方法 浙江海洋学院本科毕业论 文 摘要 2 Free vibration analysis for hatch cover of 7000 DWT oil products Abstract Ship vibration can lead to many bad effects, such as crack or fatigue damage of ship str
5、ucture, shortening the ship life, affecting the ship instrument and the performance of the control system. Thus the free vibration analysis for ship is very important for ship engineering. This paper to 7000 DWT oil products cover the cabin as the object through the MSC.Patran software for ship stru
6、ctural vibration modal analysis. In the second chapter to free vibration analysis of thin plates for example, the use of finite element method to divide the sheet grid, will be compared with the theoretical calculation of vibration frequency and the resulting frequency and proves its accuracy. By mo
7、deling tanker hatch cover, the effect of mesh refinement on the results is studied. Key words MSC.Patran; ship; hatch cover; free vibration; finite element method 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 3 1绪 论 1.1 本文的研究背景及意义 随着科技的日益发达，人们活动的区域已经不在限制于陆地，而是更大地去发展海洋这块区域，所以对于船舶的发展也更加重视。和汽车一样，拥有越安全的设备，就能够获得长久地使用性能。船舶振动就是一个不可避免的严
8、重问题，船舶振动过大不但会造成船舶结构的损坏， 而且会影响船用设备的正常使用。为此， 必须在船舶设计阶段对船舶结构的局部振动性能和总体振动性能进行预报， 以便在结构设计方面采用合理方案和必要的措施。随着计算机技术的迅猛发展及大型软件的应用， 使船舶结构振动成为国内、外舰船振动研究 的活跃领域。 舱口盖是船舶上的重要组成部分之一， 是货舱甲板开口的关闭装置， 它肩负着密封舱口， 保护货物和支撑平台的作用。随着舱口盖越来越受到船级社、船厂和船东的高度重视， 因此舱口盖的振动计算具有重要的理论意义和实用价值问题是现今板研究中比较常见的问题，随着工程中各种结构物、机械系统不断向着复杂、高速、高精度方向
9、发展，对舱口盖的设计要求也越来越高，本来针对这一问题对舱口盖进行了自由振动模态分析。 1.2 船舶振动研究现状 文献 1和 6对船舶振动的概念进行大致的叙述，提到对船舶振动问题， 激励主要是 螺旋桨、主机和波浪所产生的激振力， 结构主要是船体和周围流体的质量、刚度及阻尼响应是船体结构产生的振动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。 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
10、结构破坏。文献 2通过整船振动分析是评价船舶振动性能，建立力学模型，根据研究问题的性质、结构部位的主次来对模型进行 合理简化，对于船体质量、设备质量及附连水质量等，应合理分配到强构件上，以避免不必要的局部振动影响总振动的计算结果。 船舶航行过程中所受激励十分复杂，除受海浪等随机激励外，还受到来自螺旋桨、主机等去顶的单频激励。因此航行中的船舶所受激励应假设为白噪声和确定频率的激励同时存在。文献 3运用模态分析方法在船舶结构中，在白噪声激励假设下，提出使用自互谱密度法来进行结构模态参数识别，并用简支梁实验对上述方法进行验证。 文献 4以 7800DWT 多用途船为例，按照船级社对舱盖强度计算的要求
11、，应用有限元模型的计算分析软 件对舱盖结构进行强度校核并优化设计。计算采用有限元分析的方法， 有限元计算应用 MSC.PATRAN/NASTRAN 软件。计算模型的建立按照中国船级社的有关规定。有限元建立在笛卡尔坐标系中， X 轴沿船体纵向指向船首， Y 轴沿船宽方向指浙江海洋学院本科毕业论文 正文 4 向左舷， Z 向沿船体由船底垂直指向甲板。有限元模型包括一个舱口所有舱盖板的顶板，横纵向桁材及桁材面板，小梁等主要构件。计算模型采用净厚度（扣除了 2 mm 腐蚀余量），单元网格大小按照加强筋间距。 船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的营运过程中将受到各种外界激振力的作用而产生振动如 ：船舶主机
12、、辅机在运转过程中总会产生激振力和力矩，将通过机座传给船体而带来的振动；船舶受到波浪力的冲击等等，所有这些都将不可避免地成为船体梁的外界激力。文献 5 采用了两种不同的方法即结构动力学和有限元方法来分析梁的振动固有频率。 文献 7进行船舶有限元网格自动生成技术的研究，在进行船舶有限元分析时，先在 CA 软件中进行船舶模型设计，然后再将该模型导入到 CAE 软件中进行有限元分析求解是一种非常使用的方法。但这一方法需要将 CAD 模型转换为 CAE 有限元网络模型，包括网格的自动划分、网格修补和网格细化。根据船舶 有限元分析的特点，介绍网格自动划分的主要方法，提出一种改进的铺设算法以实现目的。 文
13、献 8利用 SHELL63、 BEAM4、 SOLID95、 COMBIN14 四种类型共 64187 个有限单元和 30 种几何参数建立了接近于真实船舶 ( 包括机舱动力设备 ) 的有限元模型。在考虑流 固耦合状态下， 用有限元技术对船舶进行模态分析以及船舶对激励力的振动响应数值计算。在模态分析过程中，采用了矩阵缩减的方法来消除局部模态， 以便获得整体弯曲和扭转振动模态。然后对主机单层隔振器和辅机双层隔振器的减振效果进行了预估。将建立的接近 于真实船舶的有限元模型和尾部结构的三维有限元和梁组合模型的数值计算结果进行比较， 得到一些重要结论。 由于计算机的运算速度不断提高， 内存不断增大， 软
14、件技术不断推陈出新， 有限元方法作为一种常用的数值计算方法被推广应用到航空、航天、航海等各个领域 . 尽管有限元法在船舶结构低频振动问题上的应用取得了巨大成功。文献 9提出一种模态综合法， 它一方面能够处理既存在刚性联接又存在由弹性联接件联接组成的复杂系统， 另一方面能够分析特定结构较高频率的振动特性 . 建立了一种新的“中间结构”的概念， 将弹性联接件作为柔 性子结构单独处理， 使子结构间不协调的界面位移转化为柔性子结构的内部变形， 这样柔性子结构与其余子结构的联接处满足协调条件 .其余部件自然划分为若干子结构用有限元法进行分析， 保留各子结构的低阶模态并按照一定的频率截断准则忽略高阶模态，
15、 用子结构的截断主模态及其高阶剩余柔度修正项作为结构Rayleig h-Rit z 分析的假设模态完成整个结构的模态综合分析 . 利用实例来说明此方法的有效性且将此方法用于船舶结构的振动特性研究。 文献 10应用频谱分析解决船舶振动问题，因为振动的振幅与频率往往与其运转的状态直 接有关，应用频谱分析技术确定振动源及噪声源，最终作出相应的优化措施。 文献 11 基于对梁元带板问题的讨论及对大量梁元的实际计算结果分析，推导出梁元惯性矩计算的经验公式。采用 Mindlin 板单元和本文梁元，建立了考虑板剪切变形、梁剪切变形的板梁组合结构振动分析计算模型。最后通过实例及与其他计算模型的比较验证了本文计
16、算模型的准确性。 文献 12 用伽辽金法消除动态卡门偏微分方程的残值，推导出了环形薄圆板的受浙江海洋学院本科毕业论文 正文 5 迫振动控制方程，即硬弹簧型达芬方程 ;用 KBM 法求解达芬方程，定性地探讨了边界条件、阻尼比、外激振力 和内外半径比对环形薄圆板振动的影响，得到了 4 种边界条件下共振时激起的振幅均随半径比或阻尼比的增大而减少的结论 ;取外激振力作为控制参数，进行理论分析和数值仿真，发现随着外激振力的增大，动力系统从围绕 1 个焦点的周期运动转变成围绕 2 个焦点的周期运动。 文献 13 利用详细的三维 FEM 模型计算了大型舰船甲板结构的模态，得出了甲板各个部分的频率范围，并对计
17、算结果进行了详细的分析，结果表明内外舷侧板和艏部的强横舱壁对甲板结构有很强的隔振作用，使得甲板结构在振动时分成了很明显的 3 个相互独立的部分。 文献 14 从船舶振动危害、现象与振源、阻尼技术及其在船舶上的应用、船舶振动隔离技术、动力吸振器的研究以及整船振动控制技术的研究诸方面综述了船舶振动控制技术的进展，对船舶振动主动控制的研究进展评述。 文献 15用能量法论述了矩形悬臂板的稳定、自由振动和弯曲问题，选择了包括三角函数和多项式的挠度函数，满足全部位移边界条件、自由角点条件和部分立的边界条件，分析问题得出结论。 文献 16分析 Ansys 在船舶有限元分析中得应用技巧，早期的有限元软件在处理
18、梁单元时， 通常存在以下缺点 :( 1) 实常数定义较为麻烦：通常对三维 梁元而言， 需要用户给出梁截面一系列参数 : 截面积、关于两个轴的惯性矩、扭矩、抗弯模量等， 这些参数都需要用户通过计算或查表得到。 ( 2) 梁的定位不直观：通常一个梁元的定位需要三个点 : 起始节点 i、 j 和定位点 k( 对于角钢、工字钢等型材而言， 通常取其腹板平面上的某一点 k， 且 k 不与 i、 j 共线 ) 。早期的 fem 用户在前处理的时候看到的梁元仅仅是一条直线。而 Ansys 刚好弥补了它的缺陷。 文献 17中国船舶科学研究中心的郭列、吴士冲等人针对舰艇结构局部振动计算模型进行了系统的分析探究，
19、探讨了确定计 算模型的几个关键性问题。 文献 18 围绕各种板梁组合结构的振动展开分析， 其内容包括板梁的振动理论、有限元方法理论和应用 MSC 软件对船舶舱口盖的振动计算。 船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的营运过程中将受到各种外界激振力的作用而产生振动如：船舶主机、辅机在运转过程中总会产生激振力和力矩，将通过机座传给船体而带来的振动；船舶受到波浪力的冲击等等，所有这些都将不可避免地成为船体梁的外界激力。而这些激励的存在总会引起船体的振动。因此船舶总体振动的振动模态和响应，对于绝大多数类型的船舶，通常是必须计算的；由于 机械设备带来的强烈振动将影响设备仪表正常工作和人员的生活舒适，甚至引起结
20、构的疲劳破坏。 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。船体作为自由漂浮在水上的空心弹性梁， 在营运过程中必然会受到各种激励的浙江海洋学院本科毕业论文 正文 6 作用， 激起船体总振动和局部振动， 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
21、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。面对这种种问题，对于船舶自由振动的分析是一个很有必要的过程。 1.3 本论文中研究的内容 1对于薄板结构振动 的公式，我是直接引用过来的，所以没有推导过程。 2. 通过 Patran 软件建立一块薄板模型，取值符合条件允许及实际情况，运用有限元法把 350 250 材料为 q235 的薄板网格化，分析模型后读
22、出自由振动频率，与数学理论计算出的结果作比较，证明有限元法的正确性。 3. 开始进行实例分析，将 CAD 图纸上的模型建立到 Patran 软件上，然后分别进行网格细化和没细化的十阶模态分析，得到最终结果。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 7 2薄板的自由振动 2.1 引用薄板结构横向振动方程 对于这个推导过程，我引用的是文献上的算例步骤，所以没有附加一些 具体的含义解释。对薄板垂直方向的自由振进行分析：在一定的横向荷载作用下处于平衡位置的薄板，当受到的干扰力被除去以后，在这个平衡位置附近作一个微小幅度的振动。 薄板自由振动的微分方程： 224 tmD 或 0224 tDm （ 2-1） 下面
23、就是试求微分方程（ 2-5）的如下形式的解答： ),()s i nc o s(11 yxWtBtA mmmmmmm m （ 2-2） 其中取值为： ),()s inc o s( yxWtBtA 得到振形微分方程： 024 WDmW （ 2-3） 由上面这个微分方程求得 W 的满足边界条件的非零解，必然可以由关系式： WWmD42 （ 2-4） 求得对应的自由振动的频率 。需要声明的是，只有当薄板每单位面积内的振动质量 m 是一个常量的时候，这时，就可以令： 42 Dm （ 2-5） 那么振形微分方程 (2-7)就可以简化成一个常系数的微分方程，如下： 044 WW （ 2-6） 最终可以得到：
24、 ),(),( 01 yxyxWA mmm ),(),(01 yxvyxWB mmmm 综上所述，我们可以求解：为了求出 mA 和 mB ，就需要把已知的初挠度 0 和初速浙江海洋学院本科毕业论文 正文 8 度 0v 分别展开为 mW 的级数，但实际计算过程比较复杂，所我们只考虑任一瞬时的挠度。 2.2 四边简支的矩形薄板的 自由振动 设矩形薄板的四边都为简支边情况下，也就是如图 2-1 所示，就可以得出自由振动的一个相对完整的解答。这里取振形函数为： byna xmW s ins in （ 2-7） 在上式中 m 和 n 都是整数，这样可以满足边界条件。再代入到前面所提到的振形微分方程（ 2
25、-10）可以得到如下的结果： 0s ins in)( 422224 b yna xmbnam 这个条件在薄板中面上 的所有各点都能符合，也就是在 x 和 y 取得任意值的时候都能够满足，则必须要有如下等式： 0)( 422224 bnam 由上式则可以推出： 422224 )( bnam （ 2-8） 在将式（ b）代入（ 2-9）式中，就可以得到一个求自然频率的公式，如下： mDbnammD 22222442 )( （ 2-9） 令 m 和 n 都是不同的整数值，那么可以求出相应于不同振形的自然频率： mDbnammn )( 22222 （ 2-10） 那么当薄板以这个频率振动的时候，振形函数就可以表示如下： b yna xmW mn s ins in 而薄板的挠度就可以表示如下： b yna xmtBtA mnmnmnmn s ins in)s inc o s( （ 2-11） b a 图 2-1 四边简支板结构
