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： 某集装箱船舱口盖自由振动分析 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 某集装箱船舱口盖自由振动模态分析 .1 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 .4 1.3 有限元方法在板结构振动分析中的应用 .7 1.4 本论文的研究工作 .7 2薄板的自由振动 .8 2.1 薄板结构横向振动方程 .8 2.2 四边简支的矩形薄板的自由振动 .9 2.3 两对边简支
2、的矩形薄板 的自由振动 .12 3船舶板梁组合结构振动的有限元理论分析 .15 3.1 舱口盖振动的原因分析 .15 3.2 有限元法基本简介 .15 3.2.1 基本原理 .15 3.2.2 有限元建模 .15 3.2.4 有限元模型的要求 .16 3.2.5 有限元分析过程 .16 4船舶舱口盖结构有限元软件的振动计算 .18 4.1 PATRAN 软件介绍 .18 4.2 有限元计算模型 .18 4.3 结果分析与讨论 .26 4.4 不同建模方法结果对比 .31 4.5.1 算例一 细化模型网格， .31 4.5.2 算例二 对整个舱口盖进行建模分析 .38 5 结论与展望 .42 致
3、谢 .43 参考文献 .44 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 1 某集装箱船舱口盖自由振动 模态 分析 摘 要 舱口盖是船舶上的重要装置，是货舱甲板开口的关闭装置，对密封舱口，保护货物和支撑平台有重要的作用。随着舱口盖越来越受到船级社、船厂和船东的高度重视，舱口盖振动的计算方法研究也具有 越来越 重要的理论意义和实用价值。 本论文将舱口盖简化为板架结构， 并基于 MSC.Patran 分析 了 不同 建模形式 下的 舱口盖振动 模态 。其中主要内容包括板梁的振动理论、有限元方法理论的学习和基于 MSC软件对船舶舱口盖的振动的有限元计算。并分别对网格粗细划分对计算结果的影响，不同建模方式对振动计
4、算结果的影响进行了分析。 关键词 MSC.Patran/Nastran；舱口盖；自由振动；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 container ship Abstract Hatch covers are important equipment on ships. As the close and open deck unit of cargo tanks. There are important role for seal hatches, protect cargo and support
5、platform. As more and more societies, shipyards and shipowners pay close attention to the hatch cover , studies of calculation method for hatch cover vibration also has an increasingly important theoretical significance and practical value. This paper will simplify the structure of hatch cover and m
6、odeling based on MSC.Patran to analysis different forms of vibration modes of hatch covers. Which main contents include study of finite element method ,beam vibration theory and calculation of vibration of ship hatch cover based on MSC Patran software. The effects of grid Division for results, diffe
7、rent modeling methods for vibration calculation results are also be studied. Key words MSC.Patran/Nastran; hatch cover; free vibration; finite element 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 船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体 2，船舶板架结构固有频率的预报常用方法有：（ 1)在方案设计阶段，釆用近似估算公式进行计算，到目前为止已经有了很多的近似估算公式；（ 2）在详细设计阶段，一般釆用有限元法，有时也
8、釆用三维空间有限元法。 船 舶振动的研究涉及到船体结构、船型、推进、动力装置等方面；而从学科上来说，它又是涉及到结构为学、流体力学、数学、声学、自动控制理论等领域的 -门综合性学科。随着电子计算机的出现，国外在 60 年代末期把有限元法用于船舶振动计算，我国造船界于 70 年代后期将该法引入，与此同时，也编制了迁移矩阵法计算船体振动的程序。在振动计算方面，近年来有限元法发展较快，有很多的单位具备了计算立体舱段的能力。用二维有限元法代替传统的船体梁模型计算船体总振动，近而发展到三维空间有限元法。同时，还建立了一些新的计算法，如模态综合超单元法、 综合离散法、分层多重动态子结构法等等，以及建立和讨
9、论在一定条件下的计算。 从船舶结构振动计算方法而言有：迁移矩阵法，有限单元法 ， 模态综合法 ， 杂交子结构法 ， 综合离散法等。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
10、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 经验公 式近似估算法。 3在船舶设计初步阶段，方案比较多，而且不肯定程度大，另外由于技术设计尚未进行，因而详细计算时所需要的一些原始数据，如剖面惯性矩与船舶质量分布还不可能精确地确定下来。所以，在此阶段，无法进行精
11、确的计算，但在初步设计时往往需要船舶前几阶的固有频率。因而，这就霈要一些计箅更为简便的经验浙江海洋学院本科毕业论文 正文 4 公式。这些公式大多数是根据实测资料并参考实船参数归纳求得的。例如 O.Schlick 公式、 F.H.Todd 等可用来估算。 近年来船舶结构振动问题越来越得到船舶科研、设计、建造和航行部门的重视。船舶舱口盖作为船体结构的 重要组成部分，能比较正确地预报舱口盖的频率，并在设计过程中加以有效的控制对于船舶的可靠性设计和安装舱口盖限位器具有指导意义。 1.2 船舶振动研究现状 文献 4主要提出：减振降噪在船体设计中越 来越 重要。 并 以 2750TEU 集装箱船为例 ,分
12、别阐述了总振动、自由振动、强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。这些计算方法为同类船的设计与振动分析提供了依据。但无论哪一种问题的求解过程都将遇到下述问题：力学模型的研究、模型的结构参数的研究、计算方法的研究，其中，力学模型的建立主要是结构的简化； 模型的结构参数中较为突出就是附连水质量和结构阻尼。 文献 5通过对某 28000dwt多用途船 No.2舱二层甲板及其舱口盖进行有限元强度分析，最后得到结构的许用载荷值，并与船舶所有人提供的原始值进行比较 . 文献 6通过一个简单的计算例子说明在使用有限元分析软件 MSC.Nastran 进行实际工程计算时，计算精度与有限
13、元规模之间的关系。通过比较可以看出，在工程实际计算中，应合理地对计算问题进行有限元网格的划分，以较高的计算效率获得较高的计算精度。 文献 7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 .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 ,叠加到结构的一致质量阵之中 .用迭代的方法求得船体在水上运动的湿固有频率和模态 ,进而可以得到其动力响应 . 文献 8分别用一维梁有限元方法和三维有限元方法计算 3 艘实船总振动固有频率 ,对计算结果
14、进行统计分析 ,提出对一维梁有限元方法计算结果的修正 ,利用 110000t 油船进行验证。用一维梁有限元方法计算时考虑剪切滞后影响系 数 ;用三维有限元方法计算时 ,是在 ANSYS 软件中建立全船的三维空间有限元模型 ,进行模态分析。通过计算证明该方法能有效改进一维梁有限元计算方法 ,可快速准确地预报船舶总振动固有频率。 文献 9在对船体总振动建模方法进行计算比较和分析。首先对采用一维和三维有限元方法计算的三艘实船的总振动固有频率进行了比较，然后构造一个简单薄壁箱梁模型，采用几种不同计算模型来计算薄壁箱粱模型的固有频率，并对几种建模方法进行比较。通过对计算结果的比较可以看出，采用一维船体梁
15、模型计算船体总振动时，高阶不够准确，并分析出误差存在的原因 主要是由于未考虑剪切滞后影响所引起的。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 5 文献 10建立了 110000DWT 油轮的三维有限元模型，用有限元分析软件中的ANSYS 中的 SHELL63、 BEAM24、 PIPE16 和 MASS21 四种类型共 13988 个单元对船体结构进行有限元离散，用三维有限元技术对其在八种不同状态下进行了垂向和水平六节点以下固有频率的计算。又用一维梁有限元方法计算了船舶在压载和均匀装载两种状态下的垂向和水平六节点以下固有频率。 并以此 提出了对一维梁有限元计算方法中剪切影响的修正，并用 110000t
16、油轮进行了验证。 文献 11首先介 绍了船舶上层建筑整体振动的两种预报方法，并用这两种方法分别对 17141TEU 集装箱船和 5618TEU 装箱船的上层建筑整体振动进行了预报和对比。其次，介绍了船舶上层建筑局部振动的两种解析法计算方法，并用这两种方法对 5618TEU集装箱船上层建筑的局部结构进行了固有频率的计算和对比。再次，用有限元方法对17141TEU 集装箱船上层建筑整体振动进行了计算。最后，论述了对 17141 昍集装箱船上层建筑的振动测试。 文献 12对 68500DWT 油船进行了模态分析和响应预报 ,简介了计算模型和分析方法 ,并对该船的振动水平 进行了评定。首先用有限元法对
17、该船进行了总振动计算分析 ,计算模型为二维模型 ,采用由作者扩充和改进的 SPA5 通用结构分析程序进行计算。并通过模态分析 ,给出了两种装载工况下船体垂向总体自由振动的前 12 个谐调的固有频率和相应的模态通过简谐强迫力响应计算 ,预报了上述两种工况在五种转速下由主机不平衡干扰力以及螺旋桨脉动压力作用所产生的船体各处的位移、速度和加速度响应 ,最后用ISO6954 标准对本船的振动水平进行了讨论。 文献 13文针对 70000t 自卸船不同的设计阶段的船体振动进行预报和控制。通过计算分析 ,得到该船的 固有频率均较低 ,在 0.68 0.91Hz 之间 (一阶二节点 ),而主机、螺旋桨的振动
18、频率均为高阶 ,因此 ,不会引起共振现象 ,而从振动响应来看 ,其最大可能振动速度幅值 2.1 5.3mm/s,低于商船振动全面评价指南 ISODP6954 中给它的允许范围 49mm/s。尽管建模时的理想化 ,某些结构的模拟也较简单 ,但对研究船体总振动来讲 ,其模拟精度已足够了。但尚未论及局部振动问题 ,所以并不排除主机和螺旋桨激励可能对某些构件产生局部振动的现象。 文献 14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 动的运动微分方程 ,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 ,并用改进的二分法求解频率特征方程。经对处于复杂
19、弯曲状态的船体板架振动的数值计算 ,验证了这种方法的精确性和有效性。 文献 15以一简单模型为研究对象，采用 Ansys 软件运用非线性有限元法计算该结构的总纵极限强度，最后根据计算结果简单分析了该模型的力学性能以及载荷步大小对计算结果的影响。 文献 16介绍了模态频率响应有限元计算方法的基本理论 ,以多用途集装箱船为目标船 ,通过建立全船三维有限元模型 ,用频率响应法得到船体结 构的振动响应。文中还讨浙江海洋学院本科毕业论文 正文 6 论了激励与响应关系、水动质量、阻尼、频率响应计算有效频率数选取等问题 ,以精确预报船体结构振动及响应。本文采用的分析计算方法对目标船结构振动及响应预报值 ,与
20、实船试验数据具有很好的一致性。 文献 17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 18对江海直达船首部砰击引起的 鞭击振动进行了仿真分析，采用瞬态动力学模态分析法，计算过程中考虑附连水的作用。分析参数有砰击压力峰值和连续砰击次数，对比分析仿真结果，得出不同压力峰值和连续砰击次数的影响规律。 文献 19对某平底浅吃水船上层建筑应力集中的成因进行了理论分析，并应用有限元数值计算方
21、法对船体结构强度进行了三维有限元分析 .根据计算结果对上层建筑前端壁与主船体的连接方式进行了优化 .经实船检验，该优化设计提高了这类船舶结构的安全性，实用可行 . 文献 20为了解决舰船结构的振动噪声预报及其控制问题 ,以能量密度为变量 ,获得了薄板结构 受激励产生弯曲振动时的能量密度控制方程 ,并得到了控制方程的有限元解 .用该方法对简单的薄板结构进行了验证计算 ,并对一舰船的基座结构进行了计算分析 .由基座结构的能量密度随频率的变化规律得知 ,在高频范围内 ,能量比值随频率增加而缓慢减小 .改变基座结构的板厚及阻尼系数值 ,可以使结构的能量密度值明显降低 .计算结果表明 ,由能量有限元法得
22、到的结构中能量密度的比值与实验结果吻合较好 ,从而验证了本文所用的能量有限元法是一种有效可靠的分析高频振动噪声问题的方法 . 文献 21以一船舶舱口盖局部强度分析的实例来说明 MSC.Nastran 在船舶结构局部强度分析中的应用 文献 22对混合有限元模型应用于船体振动分析的方法进行了讨论 ,并建立了某船的混合有限元模型 ,分别对其船体总振动和局部振动进行了计算 .计算结果表明 ,混合有限元模型的总振动计算结果略小于迁移矩阵法 ,而局部振动计算结果与孤立模型存在较大差异 . 文献 23采用考虑剪切滞后影响的一维有限元梁模型计算船体总振动固有频率和振型。特征值解法中常采用两种方法消除刚度阵的奇
23、异性 ,即移轴法和加附加弹簧法 ,但对移轴量和附加刚性系数选择上尚存在盲目性 ,为了供计算参考 ,本文给出了其适用的范围 .并用一条实船作为算例 ,与其它算法进行了比较分析 ,表明文中的方法具有一定的计算参考价值。 文献 24指出船底板架和甲板板架受到船体总纵弯曲产生的纵向拉伸力或压缩力的作用，所以船体板架处在复杂弯曲状态之中。目前板架振动计算一般不考虑板架所受纵向力作用的影响 ,这是因为用解析方法计算考虑轴力影响的板架振动很复杂。有限元方法浙江海洋学院本科毕业论文 正文 7 的应用和发展，已可以考虑这种影响。事实上板架自振频率不是一个定值 ,除了因装载和吃水变化引起板架质量变化外，总纵弯矩作
24、用在板架卜 .的数值变化，也可引起板架自振频率的改变。船体总纵弯矩的大小取决于船 体静水弯矩和波浪弯矩的数值。板架纵向构件轴力的变化也能影响板架自振频率，主要是首阶自振频率 (指板架弯曲振动。如果板架的自振频率和激振源的频率重合或接近时 ,板架产生共振，动响应幅值迅速增加或达到峰值。经验和计算都表明，如果自振频率偏移百分之几，板架动响应就会迅速下降，所以这种研究是有实用意义的。本文的工作是应用有限元方法和原理，建立起能考虑总纵强度作用的空间任意船体板架的 0 振频率计算方法，研究总纵强度作用对板架自振频率的影响。文屮给出了规则板架振动频率的解析解，并与程序计算进行了比较，以及作了实例计算。 1
25、.3 有限元方法在板结构振动分析中的应用 （ 1）有限元方法在结构分析中的应用 有限元方法是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整可靠，物理直观意义明确 ,解题效能强等优点。尤其船体结构中的许多板类构件，如船壳或曲轴箱等，因为其结构太复杂而不能用经典技术来进行分析，所以不得不应用一种近似的方法 ,把结构划分成大量子结构， 在 有足够 容 量的计算设备 时 ，这一分析 方法就可以得到实现 。 （ 2） Patran 软件模态分析 MSC.Patran 软件提供了一系列强大的几何造型和编辑功能，而且能与众多的软件接口。 MSC/PATRAN 是工业领域最著名的有限元前、后处
26、理器， 是一个开放式、多功能的三维 MCAE 软件包，具有集工程设计、工程分析、和结果评估功能于一体的、交互图形界面的 CAE 集成环境。 1.4 本论文的研究工作 论文研究了 舱口盖 自由振动 的模态 ，主要研究内容包括以下几个方面： 1、薄板的自由振动 的理论学习 。 学习了 从薄板板结构横向振动微分方程推导了薄板板结构固有频率和振型求解的解析方法，板结构四边简支、两对边简支的矩形薄板的自由振动； 2、船体板梁振动计算有限元理论与方法，学习有限元方法在板结构动力学分析中的理论和 方法应用，主要有有限元基本理论、振动方程、固有频率和振型的计算等； 3、对于舱口盖结构的振动分析。应用大型有限元
27、计算软件 MSC.Patran/Nastran 完成了舱口盖板梁结构振动分析， 并比较了不同网格划分情况下、不同建模方式下的舱口浙江海洋学院本科毕业论文 正文 8 盖振动模态。 2薄板的自由振动 2.1 薄板结构横向振动方程 在此我们将要 讨论薄板在垂直于中面方向的所谓横向振动。薄板自由振动的一般问题是这样子提出来的：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。（ 1） 求 出 薄板振动的频率，特别是最低的频率。（ 2）设 出 初始条件，也就是已知初挠度以及初速度，求薄板在任一瞬时的挠度。 按照薄板的弹性曲面微分方程，则有： qD
28、 e 4 （ 2-1） 式（ 2-1）表示：薄板每单位面积上所受到的弹性力 eD 4 和它所受到的横向载荷 q 是成平衡的。 假设薄板在振动过程中的任一个瞬时 t 的挠度为 ),( tyxtt 那么薄板每单位面积上在这个瞬时所 受到的弹性力 eD 4 将与横向载荷 q 及惯性力 iq 所平衡，即： 24tmqqqDtit （ 2-2） 将式（ 2-2）和式（ 2-1）相减，又 022 t e ， 可以得到 )()(22224ettettmtmD（ 2-3） 简便 起见 ，薄板在任一瞬时的挠度为可以表示为： et ， 则 式（ 2-3）可以转变为： 0224 tDm （ 2-4） 这个就是薄板自由振动的微分方程。 但是 只有在特殊简单的情况下，我们才有可能求出薄板自由振动的完整解答，也就
