1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 92500dwt 散货船甲板自由振动模态分析 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 目 录 摘要 . I 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景与意义 . 1 1.2 船舶振动的危害与原因 . 1 1.3 国内外船舶振动的研究概况 . 2 1.4 本论文的研究思路 . 5 1.5 本论文的技术路线 . 6 2 薄板的自由振动计算 . 7 2.1 薄板结构横向振动方程 . 7 2.2 两对边简支的矩形薄板的自由振动 . 9 3 基于有限元方法的甲板自由振动理论研究 . 14 3.1 船舶
2、振动的原理 . 14 3.2 有限元的基本概念 . 15 3.3 MSC 软件介绍 . 17 4 基 于有限元方法的甲板自由振动分析计算 . 20 4.1 散货船的基本参数 . 20 4.2 甲板的有限元计算模型 . 25 4.3 有限元计算结果 . 27 4.4 有限元计算结果分析 . 32 5 总结 . 38 5.1 研究结论 . 38 5.2 不足之处 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 41 毕业论文 - 92500dwt 散货船甲板自由振动模态分析 摘 要 船舶属于弹性结构物，在螺旋桨、波浪、 主机系统等激励力的激励下极易产生振动。与此同时，由于目前船舶日益朝着快速化、大型化的
3、方向发展，也增加了船体振动的可能性。船体局部振动过大，不但会影响人体的舒适健康、船用设备的正常运行，甚至还可能造成船体结构的疲劳损坏。因此，增强对船舶振动性能的控制越来越成为国内外船舶研究学者探讨的热点。 Patran 软件可以通过在真实环境下分析船体结构的强度、刚度和疲劳寿命分布情况，对结构进行分析、评价和改进，通过对已经出现裂纹的地方进行分析，估算剩余寿命，预告故障，避免重大事故的发生和巨大的经济损失。本文以海之帆造船技术有 限公司的一艘 92500dwt 散货船甲板为研究对象，以现代有限元理论为基础，利用有限元前后处理及分析仿真系统软件 MSC.Patran/Nastran 为工具，对散
4、货船的甲板结构状况做出评价，分析其自由振动各阶模态、振动频率，能够直观准确地了解易损部分，有利于精确地评估和改进散货船的设计方案，及时检查薄弱部位，采取加强措施，有利于维修者在散货船服役期间采取更有针对性的维修措施，保证设备正常运行，延长设备使用寿命。 关键词 散货船；甲板； Patran/Nastran；振动；有限元； 毕业论文 - The modal analysis on deck free vibration of a 92500dwt bulk cargo ship Abstract The ship is belong to a elastic structure, in the
5、inspiraton of propeller, wave, and the host system, can easily cause some vibrations. With the rapid development of the ship, the heritability of the ship vibration will also be added. Excessive vibrancy will effect peoples comfort, the normal operation of the shipborne equipment, and the structural
6、 fatigue failure. As a result, enhanced the control of the vibration is becoming the focus of research scholar. Patran can analysis the strength, the rigidity and the fatigue life through virtual environment, so that it can analysis of ship structures and improve it ， and estimate the fatigue safety
7、 life have the power to compel action to avoid or minimize such damage. The text study of deck of a 92500dwt bulk cargo ship design form Haizhifan Shipbuilding Limited Company, based on finite element method, using automated modeling and simulation software MSC.Patran/Nastran, judge the deck support
8、 structure of the bulk cargo ship, analysis its free vibration, and the vibration frequency, so that it can to know about quick-wear part more directly, and contribute immensely to improve its design scheme of deck, a series of additional measures would been put. At the same time, it contribute main
9、tenance crew to take preventive and repair measures, and guarantees the equipment function, prolong its service life. Key Words bulk cargo ship; deck; Patran/Nastran; vibration; finite element 毕业论文 - 1 绪论 1.1 研究的背景与意义 早在 19世纪后期，船体振动问题就开始引起人们的注意。随着航运业与造船工业的高 速发展，货船逐渐向大型化发展 ， 以适应载货量大的市场需求 ，同时 人们对船舶上的生
10、活和工作环境的要求也越来越高。而船舶属于水面的弹性结构物，在螺旋桨、波浪和主机系统等激励力的激励下极易产生振动，同时，由于目前船舶日益朝着快速化的方向发展， 也暴露出一些问题。一方面 ， 主机与转速功率 的 提高， 会直接导致 船体振动 的 问题 ， 而另一方面 ， 造船商 为追求短期经济效益 ， 造船用板 的 厚度及骨架选材相对减薄减小，船舶 整体 结构日益减轻，相应的结构刚度也随之减小，更易 引起较大的船体振动。这些因素导致了船体振动的加剧，有害振动对船舶的危害极大，严重时将影响航行安全和船员的工作效率以及人员居住的舒适性，而且易造成船体结构的疲劳和损坏。所以控制船舶噪声与振动十分必要 1
11、。 对 船舶结构振动 进行 计算对于 前期 船舶结构设计 具有 十分重要 的显示意义 。规范要求 ： 船舶总振动固有频率应避开主机频率、轴频、螺旋桨叶频等 ， 尾部板及板架结构振动固有频率要避开螺旋桨激励频率，机舱区板及板架要避开主机频率 2。 倘若在设计期能够有效预测船体各个结构的受力情况，发现易损部位，从而优化设计方案、采取加强措 施，势必能够有效地减少不必要的材料浪费和经济损失，保证船舶航运安全。 目前，国内外已有众多学者对船舶振动进行了相关研究和分析。因此，对船舶进行自由振动模态分析，有利于引导我国造船业健康、有序、快速地发展，并对船体设计和船舶维修提高参考依据和解决思路。 1.2 船
12、舶振动的危害与原因 严重振动对船舶的危害主要有以下四点： （ 1）振动会激发噪声，影响船舶的工作环境，甚至造成职业病的发生；（ 2）船员和旅客的居住舒适感降低，影响船员工作效率，造成健康伤害；（ 3）降低船用设备和精密仪表的精度，缩短使用寿命；（ 4）船体结 构及相应机械设备产生疲劳损坏，影响航行安全。 因此研究船舶振动的原因，采取合理有效措施进行减振十分必要。 船体是多种复杂构件的结合，其振动 的原因 也具有 一定的 复杂性。 总体来说， 造成船体局部振动的振源主要可以概括和归纳为 以下几点 ： （ 1）柴油机。柴油机 属于一种 往复式机械 ， 存在不平衡力和不平衡力矩 ，同时 气缸内气体爆
13、炸 会 将对气缸侧壁 产生 侧向压力和倾覆力矩。 若 柴油机 的 选择不当 ， 会使 上述 两种作用在船体上的周期性干扰增加；（ 2）螺旋桨。螺旋桨诱导的表面力和空泡是导致剧烈振动的原因。这与螺旋桨的设计 ， 包括桨叶的厚度分布、倾斜 度、盘面比、螺距等有关 ， 故 不同 螺旋桨的选择 ， 会直接影响到振动的大小 ； （ 3）波浪。波浪冲击引毕业论文 - 起船体的击振应力 ， 波浪频率与船体第 1阶固有频率相吻合时产生的振动应力 ， 二者合在一起 ， 作用于船体 ， 将导致船体振动 ； （ 4）推进系统。螺旋桨和轴系推进系统本身可能存在一些振动模式 ， 激励 主要 来自螺旋桨和主机 ， 这种振
14、动模式 包括 纵向 、 扭转 、回旋 等形式，极易 引起船体振动 ； （ 5）局部振动与船体总振动的耦合。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。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 3。 （ 6） 其它干扰力。若柴油机的排气压力脉动很大 ， 会引起毗邻结构的振动。船舶装载不当 ， 螺旋桨与船壳之间空隙过小或浸水深度不够或露出水面或使轴系变形 ， 螺旋
15、桨受损 ， 发电机、电动机、通风机、舵机、起货机、齿轮箱等各种辅助机械设备及各种管 路、泵等在运转时均会引起船体振动 4； 1.3 国内外船舶振动的研究概况 近年来， 船舶 方面的研究受到了普遍关注，其应用也日益广泛。目前，国内外学者在 船舶振动关于有限元模态研究、具体实例评估分析 等方面做了大量的 理论 研究。 赵永生 5等对 19500dwt货船多块折叠式舱口盖进行虚拟样机建模和动力学分析，重点考察了了舱口盖开启过程中的油缸推力、铰链点受力以及举臂受力的变化情况，并对油缸工作时的推力进行了现场实测 .分析结果可作为新型多块折叠式舱口盖的设计参考。 郁惠民 6以 2750TEU集装箱船为例，
16、分析集装箱船的结构特点，不仅通过全船有限元分析校核其扭转强度、屈曲强度、疲劳强度等，而且针对其尾 部和机舱结构，甲板室以及舱室内板、板格、板架等通过直接计算进行较准确的振动特性预报。在局部结构振动计算中本文采用解析法，对于甲板、舷侧板架等采用局部有限元法进行计算。该船的振动评估过程与方法为同型船的设计与建造提供了良好的依据。 黎胜 7基于 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，得出甲板上下围壁形成的真实
17、边界条件介于简 支和固支之间，偏于简支，局部振动预报时可按简支边界条件进行计算，在局部振动预报中应考虑由于边界条件简化所带来的误差的结论 。 王峰 8等人 选取了某型集装箱船，通过 MSC.PATRAN和 MAC.NASTRAN软件对上层建筑的罗经甲板进行局部振动分析。在计算过程中，选取 NASTRAN推荐的 LANCZOS方法来计算特征值得到罗经甲板首、二阶及三阶垂向振动固有频率的频带区均不在主机激励频率及螺旋桨叶频范围内，不会引起船体垂向共振的结论。同时，对船舶竣工后发现振动可能提出了解决方法。 温华兵 9介绍了采用有限元技术 来分析船舶振动的建模方法，对一维梁模型、二维毕业论文 - 平面
18、模型、三维空间模型和混合模型这几种常用计算模型的特点进行论述，并比较了几者之间的优劣性，阐述了还需要研究和讨论的问题。 黄文川 10等人 应用有限元法对交验试航时发生严重船体振动的近海某小型船进行总体振动和上层建筑局部振动模态分析。振动模态分析得出近海小型船舶总体振动模态的频率值相对较高，所以船舶总体振动高阶模态频率易与主机或螺旋桨激励频率相遭遇，不能满足振动频率储备要求是其发生严重振动的主要原因。因此需通过适当结构修改以解决这个问题。 邹春平 11等 阐述了 对于大型船舶结构进行较高频率振动分析时要求结构被划分分成非常多的单元数以便获得详细的位移和应力特性 ， 目前常用的计算机仍然无法对其进
19、行计算这个问题。针对这个问题，本文提出了适用于具有弹性联接部件的大型结构振动分析模态综合法 ， 它能够在有限的计算机设备资源的基础上分析计算大型结构较高频率的振动特性 。 首先建立整个船舶结构的模态综合模型，然后运用模态综合法分析一级子结构和二级子结构，接着对模态综合法进行验证得出模态综合法与整体有限元法相比较可得出满意的自振频率和振型计算结果。而且提出的模态综合法对船舶进行模态分析及振 动位移响应分析由于忽略高阶模态，所耗时间比整体有限元法求解所耗时间少得多。说明在保证精度的情况下能够大幅度缩减计算时间。这样可以节省计算机内存，减小计算规模，提高分析效率。 宋玉超 12等 采用有限元法，在
20、ANSYS中进行双层底结构框架的建模及自由模态分析 .在结构框架尺寸不变的情况下，分析板厚对于结构固有频率的影响得出结论：双层底结构主框架板厚的增加使结构刚度增大的同时，也会使固有频率增加。同样加肋板后，在结构刚度增大的同时，各阶固有频率也比加肋板前增大。并且肋板的增加降低了双层结构的局部振动。但是肋板厚度 的变化对于整体振动模态的影响比较复杂，结构固有频率并不随着板厚增加呈现经验规律。 该 文为实际工程合理选择加肋和板材厚度提供了依据。 林哲 13等 通过引进双梁模型和推导出的三梁模型对大型油船的总体振动特性进行了分析研究。同时将多梁模型与常用的单梁模型、经验公式进行了比较。 结果显示 ，多
21、梁模型在分析大型或超大型油船总体振动方面较单梁模型有较好的实用价值 ， 特别是在高阶振动时有更好的逼近 。 这为大型船舶总体振动预报提供了一个实用的方法。 张汇平 14等 对某 28000dwt多用途船 No.2舱二层甲板及其舱口盖进行有限 元分析。分析是基于美国船级社与挪威船级社计算作用在舱口盖上的垂向载荷进行比较，获得两种规范下的舱口盖许用载荷值。 李兵 15等人 应用细网格真实建立全船有限元模型，并在此模型基础上计算了船体低阶整体自由振动和局部振动。系统地分析了船体各个构件的振动特性，总结了它们自由振动的先后次序，为同型船的设计和建造提供了依据。 丁志龙 16通过 ANSYS软件对一舰船
22、模型进行 50阶模态分析，提取得到舰船模型的毕业论文 - 典型振型和固有频率，建立了从三维模型到二维平面图像的舰船模型库，为进一步改进舰船结构设计提供指导 。 李彤 17等 针对船舶舱室甲板的结构振动特点结合有关船舶舱室的甲板结构振动标准文件，运用于虚拟仪器环境软件 LabVIEW系统，开发针对船舶舱室的甲板结构振动虚拟测量分析及评价系统。通过对实船舱室甲板的振动测试，对比分析该系统结果与传统模拟振动测试分析仪 VA-10的测试结果，认为该虚拟测试系统具有较好的可靠性和较高的精度，能较好满足工程测试的需要。在此系统基础上可以扩展进行船舶结构的运行模态分析功能的搭建，成为航行振动评价及有害振动诊
23、断的工具。 李卫华 18等 针对 3000t散货船在试航是发生的上层建筑振动问题，通过一系 列有限元计算和分析，结合实船考察以及对振动测试结果的分析，找出了主要的激振源是螺旋桨，倍叶频引起甲板板架的振动是该船上层建筑发生振动的原因，最终通过结构加强的措施使振动问题得以解决。同时，对螺旋桨脉动压力较大的原因进行分析。并对今后船舶设计过程中如何避免由螺旋桨激振力引起的振动提出了解决方法和措施。 张恒 19等 根据 RINA船级社规范中关于舱口盖强度的要求对某 54500DWT多用途船的货舱舱口盖进行了强度校核。使用有限元软件 MSC/Patran建立舱口盖结构有限元模型，计算迎浪和横浪状态下的集装
24、箱惯性载荷 以及风雨载荷，得到在这些载荷作用下的舱口盖应力分布情况，并利用 CCS_tools工具对屈曲强度进行校核得到所有构件屈曲强度均满足规范要求。最后提出了结构改进方案，讨论惯性载荷对舱口盖强度的影响。 魏斌 20等 通过对某散货船舱口盖进行有限元振动计算分析，得出在同一模型中前几阶大多是整体模态 , 后面逐渐转为局部模态。由于顶板之下各个骨材之间存在距离 ， 因此 ， 后面产生的振动主要体现在各个骨架之间。在振动剧烈部分 ， 由于约束力不够 ， 导致自由因素太多 ， 容易产生振动。因此在振动越剧烈处就越容易变形或损坏。讨论了在实际建模 过程中对于网格密度和边界模型的划分情况。 李志建
25、21为合理设计装船机金属结构 ， 利用 MSC Nastran /Patran对其进行有限元分析。探讨对包含轴承、滑轮等部件的复杂金属结构模型的简化技巧 ， 在 MSC Patran平台上建立装船机整体模型。利用 MSC Nastran进行强度和刚度分析计算 ， 并利用其结果调整设计方案。通过装船机结构计算结果与设计方案的互动 , 在满足规范要求的基础上 , 合理布局并选择型材 ， 减轻整机重量 ， 提升总体设计水平。 Meiwen Guo 22基于一阶剪切变形理论有限元法分析加筋 复合材料层合板的自由振动。数值计算结果提出了加强筋强合板、筋对称角层合板等，纤维方向（层角度）的影响，层数，加筋
26、深度和程度都得到检验。 李彤 23基于虚拟仪器软件 LabVIEW，对比分析了该系统中 FFT频谱分析子模块与传统振动测试分析仪 VA-10的测试结果，通过比较认为该虚拟测试系统具有较好的可靠性和较高精度，并能较好的满足一般的工程测试需要。同时在此系统基础上，可以较方便的进行船舶甲板结构运行模态分析功能的扩展开发，使其成为船舶航行振动测试评价以毕业论文 - 及有害振动诊断的完整系统。 1.4 本论文的研究思路 本研 究围绕散货船甲板自由振动的研究展开，依次从“问题提出、理论研究、模拟分析”三个步骤进行阐述。 1.4.1 问题提出 在前期大量的文献检索与调查研究的过程中，发现目前还存在以下几个问
27、题： （ 1）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作用，激起船体总振动和局部振动 ； （ 2） 船体结构或机械设备在应力过大时产生疲劳破坏，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 ； （ 3） 散货船主甲板上容易多处横向裂纹，若不及时修理这些裂纹在航行时很容易延伸至舷侧外板，严重时会发生外板撕裂，造 成船舶折断的海难事故 。 1.4.2 理论研究 本文将根据有限元、弹性力学等知识，对船舶振动模态分析作必要的理论准备，并通过相关理论，掌握 MSC.Patran/Nastran 软件的应用。 有限元分析是工程计算领域的一种主要的数值计算方法 ，
28、 其基本思想就是将连续区域上的物理力学关系近似地转化为离散规则区域上的物理力学方程。在有限元分析中 ，使用到的是几何模型经过离散化以后得到的抽象化的有限元模型 ,需要的无一例外都是有限元网格的数据 （ 如节点的坐标和单元的节点构成 ）， 所有的边界条件 (如载荷和位移约束 )最终也都必须反映到 节点上来。利用有限元模型转换的方法，可以使模型转换前后不存在信息的丢失 ， 能达到 100%的模型拷贝 ,做到真正意义上的 “ 零失真 ” 转换。 Patran 由 node 和 element 两种结构来表示有限元模型。 Node 包含 NID（ Node ID）和 xyz（ Position xyz
29、）两个要素，而 Element 里包含 EID（ Element ID）， GID（ Element Group ID）， PID（ Physical Property ID）， MID（ Material Property ID）， TID（ Element Type ID），arElNode（ Element 与 Node 的关系表）以及 NSI（ Element Node Start Index in array arElNode）等多个要素。 MSC.Nastran 的主要动力学分析功能如：特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析
30、、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。 1.4.3 模拟分析 本文的研究对象是 海之帆造船技术有限公司的一艘 92500dwt 散货船甲板 ，在MSC.Patran 上建立模型，并进行网格划分，使用 MSC.Nastran 进行求解，船体主要参数如表 1 所示。 名称 尺寸（单位 ： m） 总长 230.00 垂线间长 222.00 毕业论文 - 型宽 38.00 型深 20.70 设计吃水 12.5 结构吃水 14.9 表 1 船体基本参数 1.5 本论文的 技术路线 为探讨船体甲板的自由振动，根据弹性力学知识推导薄板自由振动公式，以此为基础，对有
31、限元理论进行研究，从而利用 MSC.Patran/Nastran 软 件进行具体计算分析。本文研究的技术路线如图 1-1 所示。 图 1-1 技术 路线 归纳船舶振动的现存问题 薄板的自由振动计算 推导薄板自由振动公式，得出薄板结构横向振动方程 探讨两对边简支的薄板自由振动， 求出振形微分方程的非零解薄板和自然频率的精确值 船体的剧烈振动破坏船体结构、影响设备精度 基于有限元方法的甲板自由振动理论 研究 求 出结构的动态特性 、 固有频率和振型，求出结构对随时间变 化的载荷的响应 通过探讨有限元的基本思路，掌握有限元建模和网格划分的基本方法 基于有限元方法的甲板自由振动分析计算 利用 MSC.Nastran 软件进行分析计算 ,了解甲板的受力分布情况 利用 MSC.Patran 软件进行散货船甲板的建模和网格划分 甲板裂纹易导致外部撕裂，造成海难事故 国内外船舶振动 相关 研究 与分析 的文献调 研
