1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 不同加筋构件对甲板振动特性的影响 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： 毕业论文 - 目 录 摘要 .1 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 本论文的研究工作 .7 2 板的自由振动 .8 2.1 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 .10 3.船体加筋板结构振动的有限元分析理论 .13 3.1 有限元法基本简介 .13 3.1.1 有限元法 .13 3.1.2 基本原理 .13 3.1.3 有限元法基本思路 .
2、14 3.1.4 有限元运用步骤 .14 3.2 有限元基本理论与方法 .15 3.2.1 弹性力学基本原理 .15 3.2.2 弹性力学基本方程 .16 3.3 有限元分析步骤及优点 .18 3.4 有限元在船舶中的应用 .19 3.5 加筋板有限元公式 .20 4 不同加筋甲板结构有限元软件的振动计算 .22 4.1 PATRAN 软件简介 .22 4.2 建立模型时的网格大小问题 .24 4.3 有限元计算模型 .28 4.4 结果分析与讨论 .31 4.5 不同建模方法结果对比 .37 5.结论与展望 .49 参考文献 .51 毕业论文 - 不同加筋构件对甲板振动特性的影响 摘要 船舶
3、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。因此，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。船体是一个弹性体，在主机、螺旋桨等各种干扰力的作用下，引起的轻微的振动是正常的，也是允许的。但如果干扰频率与系统 的固有频率相同，或因干扰幅值过大，就会引起共振或剧烈的振动，甚至影响到船舶的正常航行。因此，船舶振动问题的研究是非常重要的。 本论文围绕各种加筋构件板梁组合的振动展开分析研究，其内容包括板梁的振动理论、有限元方法理论和应用 MSC 软件对船舶甲板的振动计算。论文的分析结果对于船舶甲板的设计及选用不同加筋构件具有重要的指导意义。 关键词 MSC.Patra
4、n/Nastran；船舶；加筋构件；振动稳定性；有限元方法 毕业论文 - Affect of different reinforced components on the vibration characteristics of the deck Abstract The vibration of ship structure not only affects its performance, but also leads to hull structural damage. Therefore, the vibration of ship has been the research focu
5、s in the ship engineering for a long time. The hull is an elastic body, and the slight vibration caused by the host, propeller and other interference is normal and acceptable in the ship engineering. If the natural frequency of the interference is the same to that of the system, or the interference
6、amplitude is too large, it will result in the resonance and even affect the normal navigation of the ship. Therefore, the study of the vibraiton of ship is very improtant for ship engineering. This paper focus on the study of the vibration of the deck with the different reinforced component. The mai
7、n contents will include the vibration theory for beam and shell, the finite element method as well as the analysis of the vibration of the deck via MSC software. The results of the paper will have important guiding significance for designing of the ship deck and selecting of different reinforcement
8、components. Key words MSC.Patran/Nastran; Reinforced components; Vibration of the deck; The finite element method 毕业论文 - 1.绪论 1.1 本文的研究背景及意义 近年来 , 随着从以内 燃机为动力装置、以螺桨旋为推进器的钢质船舶问世， 工程中各种结构物、机械系统不断向着复杂、高速、高精度方向发展，振动问题越来越成为现今结构研究的重点。 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总体的振动，这种振动有时会对船员及乘客的舒适性等产生有害影响，使乘
9、客和服务人员感到不适，还会使设备仪表失灵或损坏，而且振动还会在结构构件中产生交变应力，加速结构疲劳，影响船体强度。因此在船舶设计阶段就需要准确地估算出船体结构的动态特性及其响应，指导正确选择螺旋桨叶数和主机缸数，以免船舶构 件发生共振。或者是虽然不共振，但由于激励过大和 /或结构刚度过弱所造成剧烈的船舶振动，都会引起船员和旅客的不适，工作效率降低，位于船上的机械设备、仪器仪表不能正常工作，引起结构构件的交变应力，加速结构的疲劳损伤，船体结构会产生裂纹等。 甲板是船舶上的很重要组成部分之一，而不同的加筋构件对于甲板的振动特性有着不同的影响。一方面随着船舶振动特性的要求越来越高，船级社、船厂和船东
10、越来越对船舶振动重视，因此甲板的振动计算方法研究具有重要的理论意义和实用价值。加筋甲板 的振动又可以简化为板梁结构的振动问题。 另一方面随着计 算机技术的迅猛发展及大型软件的应用 , 当代工程中结构形式不断向着复杂、高速、高精度方向发展、为了保证其良好的性能和可靠的寿命，振动问题就越来越突现它的重要性， 使船舶结构振动成为国内、外舰船振动研究的活跃领域， 并且成为必须认真研究和解决的重要课题。同时由于大型高速电子计算机和先进的测试技术的出现，使解决工程中复杂的振动问题成为可能。 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
11、措施。 由于加筋板及板架结构是船体结构的主要组成部分，尤其是船舶的上 甲板和船底结构，它们直接关系到船体的总纵强度，所以加筋板及板架结构的压缩屈曲强度是设计人员十分关心的。因此，研究加筋板及板架结构的稳定性更具有重要意义。它们对于正确把握船体结构的安全性、经济性和保证足够的强度裕度是十分重要的 。 1.2 船舶振动研究现状 文献 1以波动理论为基础 ,根据不均质结构中波型转换、阻抗特性 ,系统地分析了典型船舶结构中振动波的传递特性 ,推导并给出了平面弯曲波入射时的隔声量公式。毕业论文 - 在此基础上人为构造了阻抗失配基座 ,分析了阻抗失配基座的隔振性能。结果表明 ,十型结构对弯曲波有较强 的阻
12、抑作用 ,弯曲波在突变截面处的能量再分配关系主要由两块板的特性阻抗所决定 ; 型构件的连接处机械阻力较大 ,其隔振效果超过十型结构 ; 型结构隔振性能随突变截面阻抗失配程度增大显著提高 ,采取多次截面突变的办法能够得到较大的隔声量 ;阻抗失配基座加剧了振动波在船体板架中的波型转换、散射和反射 ,使总的隔振效果显著提高。 文献 2 提出 柴油机推进系统是船舶广泛采用的动力系统 , 现有的传动系统振动分析侧重于轴系扭转振动 , 主要针对轴系的安全性 ,没有考虑结构振动的影响 , 也没有考虑振动能量沿轴系的传递和衰减 , 缺乏专业的计算分析方法。论文以典型的柴油机推进系统为研究对象 ,采用高弹性连轴
13、器、橡胶隔振器等元件进行传动系统结构振动控制技术研究 ,建立了柔性传动系统结构振动的虚拟仿真计算方法。 文献 3 提出 控制船拍振动 ,防止出现船上有害振动 ,近年来日益成为船舶设计师、建造师和验船师所关心的问题。本文着重论述船拍生产建造过程中如何控制船拍振动 ,避免有害振动。 文献 4 本文重点介绍黄船公司在建产品 8 000 kw 海洋救助船和小水线面双体船的振动情况，对震动产生的机理进行了详细的分析，并采取了有效的工艺措施，达到减震降 噪的目的。 文献 5 探讨了水对船舶与海洋工程结构振动的影响。采用流固耦合振动方法 , 导出附加水质量影响系数曲线 , 供浸入水中的船舶与海洋平台局部结构
14、振动计算参考。通过计算 , 用图表形式给出了矩形板、加筋板在四边刚固、四边简支两种边界情况下在不同的边长比时各模态的附加水质量系数 , 并通过算例验证了方法的可靠性。 文献 6 对船舶局部结构振动分析中边界条件的简化问题做了系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真实边界条件而且在实际的工程分析中易于实现 . 文献 7 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 ,并研究比较了不同船舶板
15、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 8提出 随着经济水平和人们生活质量的提高 ,人们对船舶振动性能的要求越来越高 ,很多船舶在设计之初没有进行振动预报 ,或者总振动固有频率预报不太准 确 ,导致交船或运营时出现有害振动 ,影响船舶正常航行和舰船隐蔽性。以前人们是用近似公式或一维梁模型计算船舶固有频率 ,对四节点以下振动的预报还是比较准确的 ,但是对四节点以上振动的计算准确度就下降很大 ,这是由于高阶时船体剪切变形的影响变大。毕业论文 - 而用三维空间有限元方法计算总振动固有频率是比较准确
16、的 ,但是耗费时间和精力都比较多。本文首先建立了 110000t 油轮的三维有限元模型 ,用有限元分析软件 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。 然后通过用一维梁有限元方法对四条实船进行计算 ,和已有的三维有限元方法固有频率计算结果进行统计分析 ,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 油轮进行了
17、验证。 文献 9 本文主要对大型集装箱船上层建筑振动进行了研究，分为几个方面： 1)集装箱船上层建筑整体振动的预报； 2)集装箱船上层建筑局部振动的解析法计算分析；3)1714TEU 集装箱船上层建筑振动的有限元计算； 4)集装箱船上层建筑振动的实船测试。首先，本文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1714TEU集装箱船和 5618TEU集装箱船的上层建筑整体振动进行了预报和对比。 其次，本文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，本文用有限元方法对 1714TEU
18、集装箱船上层建筑整体振动进行了计算。最后，本文论述了对 1714TEU 集装箱船上层建筑的振动测试 。 文献 10 以 32500/34300DWT 散货船为对象，赛用三维有限元模型化处理进行 了舱室甲板结构振动的性能研究，提出了计算模型的建立方法，并对其典型甲板进行了模态分析。通过激励分析和振动模态的比较，对结构进行改进以使其满足振动要求。叙述了目前工程上船舶舱室甲板结构设计振动控制的方法，为以后在减震措施研究方面，取得了有意的经验。 文献 11 此文针对大型船舶机架横向振动，在基本理论概述中，叙述了船舶结构振动分析目的、内容和方法。具体对超大型原油船主机机架进行振动分析，利用有限元技术在机
19、舱部分建立三维有限元结构 分析模型，讨论了机架系统有限元分析设计的问题及处理方法。此文进行的振动分析方法可对其他船型的机舱振动分析提供参考。 文献 12 采用二维有限元梁 2 膜模型计算高速船垂向振动 , 得到高速船的固有频率 , 结果与试验值进行了比较 , 表明文中的方法能有效地提高高阶频率的计算精度。 文献 13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。经对处于复杂弯曲状态的船体板 架振动的数值计算 , 验证了方法的精确性和有效
20、性。 文献 14 提出 船舶底部结构、液体舱等都与水接触，这些结构的振动总会引起周围水的运动，这相当于一种附加质量效应。船体结构是由板和梁组合而成的，因此计算毕业论文 - 板和加筋板的附加水质量具有重要的理论意义和实用价值。附加水质量一般可由试验方法或者计算方法获得，其中计算方法又分为经验算法和理论算法。 目前，船舶工程领域一般都采用经验公式计算船舶局部振动的附加水质量系数，但各种经验公式计算所得的结果又不尽相同。因此有必要对板和加筋板的振动附加水质量算法进行研究。 本文基于流 固耦合方法，对浸入水中四边刚固和四边简支的矩形板和加筋板固有特性进行了一系列数值计算和分析，提出了浸水板和加筋板的两
21、种附加水质量计算方法。 文献 15介绍了适用于复合材料层合加筋板壳结构的后屈曲强度及破坏分析的程序系统 (COMPOSS 程序系统 )的功能特点、原理和结构 ,通过受压剪载荷作用的加筋层合矩形板的破坏分析 , 并与试验结果作了比较 ,说明该程序系统的正确、可靠性。 文献 16 在板梁组合结构振动分析模型中提出了一种新的更实用的梁单元计算模型。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算模型的准确
22、性。 文献 17 研究了面内单向受压的加筋板单元极限承载能力 , 考虑了弯扭耦合、加强筋截面变形、板的屈曲以及板和加筋之间的相互作用对加筋板极限承载能力的影响 . 计算结果表明算法具有较好的精度 . 文献 18文 章 主要是从理论上对冲击载荷下加筋板结构的非线性动力响应及动力屈曲问题进行研究。研究工作的一个重要方面 ,就是通过合理的 理论分析模型和有效的数值计算方法 ,研究加筋板结构在冲击载荷下的动态行为 ,探讨加筋板结构动态响应特征与机理 ,考察由于加强筋的引入所带来的结构上的不连续性和各向异性对结构整体动态行为的影响。论文研究工作的主要内容和成果如下 : 采用符合船舶实际情况的弹性转动约束
23、边界条件 ,推导计算加筋板在冲击载荷下的非线性动力响应及动力屈曲的数值解法 ,并对加筋板动力响应及动力屈曲的影响因素做了详细分析。文中有关边界约束影响的分析结论 ,可以为实际船体板架结构的设计和计算提供依据。 文献 19 文章 主要研究了各种缺陷和损伤对加筋板抗 压极限强度的影响。由于准确的确定加筋板中带板的有效宽度十分重要，因此本文首先对加筋板中板格有效宽度进行了理论分析，在此基础上引入各种缺陷和损伤形式进行了大量的数值计算，定量研究了各种缺陷和损伤对板格抗压极限强度的折减。 此文 考虑板中可能存在孔洞、腐蚀、裂缝、局部撞损和初始焊接变形或残余应力等损伤和初始缺陷，对不同的损伤形式用有限元程
24、序 (ANSYS)进行大量的计算，通过曲线拟合的方法引入折减系数对完好板格的有效宽度进行修正。 文献 20 基于大挠度理论给出一个含初始挠度、焊接残余应力缺陷加筋板格在横向载荷作用 下有效带板宽度的计算公式 , 分析缺陷加筋板格的极限强度。并对 Faulkner 毕业论文 - 型焊接残余应力板在均布载荷作用下进行了实际数值算例 , 分析表明上述诸因素均对极限强度有一定影响 , 这与实际情况是相符的。 文献 21 提出了一种加筋板大挠度弯曲的新解法 ,此方法将离散的梁与板结合起来建立一个统一的控制方程。然后引入板、板长方向和板宽方向加筋三个不同的应力函数 , 通过 函数将加筋应力场离散 ,根据加
25、筋板的平衡方程和变形协调条件 , 推导出加筋板的 Von-Karman 方程。运用加权残值法 , 可以解出不同边界条件下的加筋板 大挠度问题。最后还给出了几个计算实例。 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。 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。
26、 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 SHIPR GHT 系统，美国船级社的 SAFEHULL 系统等 )，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.Patran/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。 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。 1.3 本论文的研究工作 论文研究了船
27、体结构中的不同加筋构件对板结构自由振动的影响，主要研究内容包括以下几个方面： 1.板的自由振动振动公式推导。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，板结构四边简支的自由振动； 2.船体板梁振动计算有限元理论与方法，学习了有限元方法在板结构动力学分析中的理论和方法应用。 3.对于 加筋甲板 结构的振动分析。 应用大型有限元计算软件 MSC.Patran/Nastran 完成了加筋甲板结构振动分析，包括 Patran 软件模态分析功能学习、加筋甲板结构的有限元建模与计算、加筋甲板 结构振动计算结果分析等。 4.通过 运用不同加筋构件的甲板模型 的分析得出结论，以网
28、格划分不同和 梁的型材改变 ，方向的不同进行分析。 毕业论文 - 2板的自由振动 2.1 板结构横向振动方程 关于薄板的自由振动问题，现本人只讨论薄板在垂直于中面方向的称为横向振动，因为这是工程实际中的一个重要问题。至于薄板在平行于中面方向的振动称为纵向振动，由于它在工程实际中并不太重要，而且在数学上也很难以处理，甚至不能处理，所以不加讨论，因此本论文主要针对薄板的横向自由振动进行讨论。 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）试求薄板振动的频率，特别是最低的频率。（ 2）设已知
29、薄板的初始条件，也就是已知初挠度以及初速度，试求薄板在任一瞬时的挠度。 当然如果求得了薄板在任一瞬时的挠度，那就很容易求得薄板在这个瞬时的内力。 假设薄板在平衡位置的挠度为： ),( yxee 那么此时薄板所受到的横向静荷载为： ),( yxqq 按照薄板的弹性曲面微分方程，则有： qD 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： ie qqD 4 （ 2-2） 注意薄板的加速度是22tt ，因此每单位面积上的惯性力是： 22tmq ti 其中 m 是薄板每单位面积内的质量，那么式（ 2-2）就可以改写为： 224 tmqD te (2-3) 将式（ 2-3）和式（ 2-1）相减，可以得到
