1、 本科毕业论文 （ 20 届） 散货船舱口盖自由振动分析 所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录 1 目 录 摘 要 .1 1 绪 论 .3 1.1 船舶振动的研究以及背景意义 .3 1.2 船舶振动的研究现状 .4 1.3 研究的基本内容，拟解决的主要问题 .5 2 板梁的振动理论 .6 2.1 结构振动基本理论 .6 2.2 弹性薄板基本概念及其基本假定 .6 2.3 弹性薄板理论的基本动力 学方程 .6 2.3.1 位移分量 .7 2.3.2 应变分量 .7 2.3.3 应力分量 .7 2.3.4 内力分量 .8 2.3.
2、5 运动方程 .9 2.3.6 基本方程 .10 2.3.7 边界条件 .10 2.3.8 初始条件 .10 2.4 振动分析的解析法 .10 3 平板自由振动的理论分析 .12 3.1 平板振型的正交性 .12 3.2 具有初始条件的自由振动 .13 3.3 无载荷情况下板的动力响应 .14 4 有限元法基本简介 .16 4.1 基本介绍及原理 .16 4.2 有限元法基本思路 .17 4.3 有限元模型建模准则 .18 4.4 有限元分析步骤及优点 .18 4.5 建立有限元模型的一般过程 .21 4.6 计算机几何建模 法 .21 本科毕业论文 目录 2 4.7 有限元网格划分的基本原则
3、 .22 4.8 船体结构的有限元应用 .23 5 弹性体动力学概论 .28 5.1 弹性 力学基本方程 .28 5.2 弹性力学基本原理 .29 5.3 弹性体振动分析的方法和步骤 .30 6 结构动力学问题的有限元法 .32 6.1 概述 .32 6.2 动力学方程 .32 6.3 特征值问题 .33 7 舱口盖自由振动分析 .37 7.1 有限元模 型 .37 7.1.1 有限元数据输入量纲校对 .37 7.1.2 网格划分疏密的影响 .40 7.1.3 梁的疏密的布置对振动结果的影响 .48 7.2 舱口盖结构型式 .55 7.2.1 舱口盖模型说明 .56 7.2.2 坐标系 .56
4、 7.2.3 边界条件 .56 7.2.4 舱口盖自由振动结果分析图 .57 7.2.5 舱口盖的振态图解析 .60 7.2.6 舱口盖板自由振动的学习与认知 .61 7.2.7 舱口盖板建模时相关注意问题 .61 总结 .62 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .63 外文翻译 .65 中文 译文 .72 本科毕业论文 摘要 1 摘 要 舱口盖是货船常见的构件，由于风浪等各种原因所导致的舱口盖振动，对于舱口盖的使用性能产生一定的影响。如果振动过于严重可能将导致舱口盖的损坏。因此对于舱口盖的自由振动分析有着重要的理论意义和使用价值。本文围绕舱口盖的 Patran 建模，通过模态的分析，
5、内部结构以及边界条件的变化分析，得出相关的结论，其中的内容包含板梁的振动理论，有限元法理论及应用和 Patran 软件建模的相关操作等。论文分析的结果对于舱口盖的设计安装有着一定的指导意义。 关键词 船舶；舱口盖；自由振动；有限元方法 本科毕业论文 摘要 2 Free vibration analysis of the hatch cover of bulk carrier Abstract The hatch cover is the common component of ship, and the hatch cover vibration caused by wind and wave
6、 may influence the performance of the hatch cover. If the vibration is too serious, it may damage the hatch cover. Therefore, the hatch cover free vibration analysis has the important theoretical and practical value. This thesis focuses on the finite element model of hatch cover. Through the vibrati
7、on analysis of the models with different internal structures and boundary conditions, we can draw relevant conclusions, including the vibration theory of the plate and beam, the theory and application of finite element method, and the relative operation of Patran software, etc. The results of this t
8、hesis have certain significance for the hatch cover design and installation. Key words ship; the hatch cover; free vibration; finite element method 本科毕业论文 正文 3 1 绪 论 1.1 船舶振动的研究以及背景意义 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
9、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，甚至引起结构的疲劳破坏，因此，设计人员需要在船舶设计阶段预先对振动发生的严重程度作出估计。 振动是船舶航行以及其他工程中经常遇到的一种自然现象，出现于各个工程领域中。与其 他弹性体一样，船体也有可能完成周期性的弹性振动。在一般情况下，船体的振动对于船体的构造不会产生有害的影响。然而当船舶营运的转速在一定范围内使上层建筑与外界激励产生共振；或者是另一情况，虽然未产生共振，但因激励过于剧烈或结构刚度过弱所造成 船舶的剧
10、烈振动（船体结构的局部振动）都将会造成船员和旅客的不适，从而降低工作效率，位于船上的机械设备、仪器仪表均不能正常工作，同时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。 大致在五十年代之前的船舶主要应用于蒸汽动力装置，功率小，航速低，因此导致船体振 动的激振力相对较小，按照规范设计之下，一般情况船舶都不会产生比较严重剧烈的振动现象。随着现代船舶主机功率的增大以及采用机舱和上层建筑布置在尾部的形式日益增多，使得上层建筑接近船舶两个主要振源 螺旋桨及推进轴系，因此经常受到较大的激励作用。同时由于改善驾驶视线的需要和船员数量的减少，往往将上层建筑设计得更高更短，有时为了减少上层建
11、筑的噪声污染而采用把上层建筑和机舱棚、烟囱分离的型式，使上层建筑本身的刚度有所减弱。 与此同时，高强度钢的广泛用于船体材料，力图减小船体构件尺寸，减轻船体重量，这样船舶振动就变成了一 个突出的问题，不再是局限于总振动问题，更重要的是局部问题，诸如上层建筑的振动问题等。随着造船工业的迅速发展、使用性能及船员生活环境提出了越来越高的要求。 而且船舶一旦产生了剧烈的振动，或者需要花费相当的代价，或者必须降低船舶的其他性能才能解决。 早在 19世纪后期，船体振动问题就开始引起人们的注意。近年来 ,随着航运业的发展，主机功率和转速提高，船舶吨位加大 ,以及肥大型船舶的出现，致使船体振动问题日益突出。随着
12、造船技术的进步，船体结构减轻 ,结构刚度也随之减小，更易激起较大的船体振动。已建成的船舶 ,如发现存在严重的 振动问题，要彻底根治一般比较困难，且代价相当大。因此，在设计阶段就应进行必要的振动计算，并采取预防措施。钢质内河船舶入 本科毕业论文 正文 4 级与建造规范 ( 2002)中专列了。 船舶振动的基本要素为激励、响应和衡准。船舶通常受到周期力和瞬时力的激励 , 多数情况下 , 周期力由螺旋桨和主机产生 , 瞬时力由波浪所引起。共振时 , 较小的周期力亦会使船舶发生严重的振动 , 强大的瞬时力 ( 如冲击力 ) 可能会激发船体结构振动 , 当处于恶劣海况时 , 会造成结构的严重损坏。船舶发
13、生有害振动的事故时有所闻 , 船舶剧烈振动除造成结构损坏外 , 还使 船上仪表、设备破损或失灵 , 破坏舰艇稳身性 , 影响船上人员的工作效率及生活舒适性。时代对船舶低振动化的要求也越来越高 , 船舶振动日益成为重要而又突出的问题。 船体振动章节，对船长大于或等于 60m客船的总体振动、局部振动及振动衡准做了明文规定。 船舶振动的基本要素为激励、响应和衡准。船舶通常受到周期力和瞬时力的激励 , 多数情况下 , 周期力由螺旋桨和主机产生 , 瞬时力由波浪所引起。共振时 , 较小的周期力亦会使船舶发生严重的振动 , 强大的瞬时力 ( 如冲击力 ) 可能会激发船体结构振动 , 当处于恶劣海况时 ,
14、会造成结构的 严重损坏。船舶发生有害振动的事故时有所闻 , 船舶剧烈振动除造成结构损坏外 , 还使船上仪表、设备破损或失灵 , 破坏舰艇稳身性 , 影响船上人员的工作效率及生活舒适性。时代对船舶低振动化的要求也越来越高 , 船舶振动日益成为重要而又突出的问题。 1.2 船舶振动的研究现状 船舶结构一般是由梁、板、壳、杆等构件所组成的弹性体，船体的构件质量与刚度具有一定分布的性质，包括了无限多个质点。船舶因受到波浪和机械设备所产生的多种载荷的作用将产生一定的结构振动，理论上表达，是将此类具有无限多个自由度的弹性体振动，简化成为有限个 自由度系统再进行振动分析。 船舶振动是在 50 年代后半期才开
15、始蓬勃发展起来的一门学科，是研究船体结构振动以及与船体结构振动有关的动力装置、船型等问题。 20 世纪 60 年代后，随着电子计算机和有限元理论的发展，目前己广泛采用有限元技术分析复杂的弹性体结构的振动。 能量法。应用求解船舶自由振动的方法很多，有瑞利法、西曼斯曼法等。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
16、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。 本科毕业论文 正文 5 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 型船近似估算法。由于船舶振动问题的重要性
17、，要求在船舶设计的早期估算船体振动的固有频率，以便为方案设计提供资料，把可能发生的振动隐患消灭于未然。但在船舶设计的早期，详细计算所需要的一些原始数据，如剖面惯性矩、质量与浮力的分布曲线等尚未得到，要进行较为深入的计算是不可能的，因此，需要用型船的资料，近似估算船体振动的固有频率。 1.3 研究的基本内容，拟解决的主要问题 论文研究了船体结构中的舱口盖自由振动计算方法，主要研究内容包括以下几个方面： (1) 薄板的自由振动的公式推导。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、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
18、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，主要有有限元基本理论、振动方程、板结构的刚度矩阵和质量矩阵计算、固有频率和振型的计算等。 对于 舱口盖 结构的振动分析。 应用大型有限元计算软件 MSC.Patran/Nastran完成了舱口盖板梁结构 振动分析，包括 Patran软件模态分析功能学习、舱口盖板梁结构的有限元建模与计算、舱口盖板梁结构振动计算结果分析等。 本科毕业论文 正文 6 2 板梁的振动理论 2.1 结构振动基本理论 结构的振动理论一般分为有限自由度体与弹性体振动两大部分。所有结构都具有一定质量和刚度分布。作为简化，可将结构看成是由具有点质量的刚性体和无质量的变形
19、体组成，并可用有限个位移坐标来表示结构的运动状态，这就是有限自由度体振动理论。而弹性体振动理论则分析质量和刚度都是连续分布的结构，本质上认为结构由无穷多质量点组成。并用空间连续函数来 反映结构的运动状态，所有又称为无限多自由度体系，这是一种较前者更为严密的振动理论。弹性体振动研究对象包括杆、轴、索、梁、框、拱、环、膜、板、壳以及三维弹性体等。按连续弹性体分析的板壳振动则是其中比较复杂和困难的一部分。 2.2 弹性薄板基本概念及其基本假定 板壳的动力问题是近代许多工程部件设计与研究的关键。诸如各种动力机械、运输机械、船舶结构、隧道、大跨度结构的屋顶以及各种新型的建筑都有各种各样的板壳结构。在实际
20、工程中，我们经常会遇到平板的设计。首先给出平板的定义 ： 中面为一平面的扁平连续体称为平板。当厚度远小 于中面平面尺寸时称为薄板。平板主要承受垂直中面的横向荷载，对于厚度尺寸远小于平面上另两个尺寸的薄板来说，可以采用一系列的反映薄板力学特性的简化假设，使原始的三维问题降为二维问题来分析。 弹性薄板理论的基本假设为： (1) 板地厚度比其它两个方向尺寸小得多，以及扰度又比厚度小得多，弹性薄板理论在分析平板弯曲问题时，认为可以忽略厚度方向正应力； (2) 薄板中面内得各点没有平行于中面得位移； (3) 薄板中面的法线在变形后仍然保持为法线。利用上述假设将平板弯曲问题简化为二维问题，且全部应力和应变
21、可用板平面的挠度 w 表示。 假定 (3)称之为“直法线”假定，作为薄板振动理论基础。这一假定实质是将板件内的变形状态转换为由中面挠曲面形状来确定。将三维变形体的求解问题转换成为二维挠度曲面的求解问题。 2.3 弹性薄板理论的基本动力学方程 假定（ 1）认为法线永远与中面垂直，即横向剪切变形为零，即认为横向剪应力比平面方向的弯曲应力要小很多；假定（ 2）认为垂直方向法应力比弯曲应力小很多。这 两点对于厚度尺寸比平面尺寸小得多的薄板而言是近似成立的。工程上通常认为当板厚本科毕业论文 正文 7 h 与板的最小平面跨度 b 之比 h/b 101 就可以看成是薄板。假设（ 4）认为中面内不产 生拉压、
22、剪切，从而也就没有中面内变形，即认为中面内薄膜力远小于横向荷载产生的弯曲应力。考虑一个具有任意边界形状的各向同性均质等厚薄板，取板的中面为 xoy 平面， z 轴垂直于 xoy 平面，板厚为 h， z=-h/2 为受载面，中面挠曲函数为 w(x， y， t)。 2.3.1 位移分量 0, , , , , wu x y z t u x y t z x (2.1) 0, , , , , wv x y z t v x y t z y (2.2) 式中 u0 ， v0 为中面位移 ， 根据假定 （ 3） 应该为零 ， 因此有板内平面位移 ： ( , , ), , , w x y tu x y z t z x (2.3) ( , , ), , , w x y tv x y z t zy (2.4) 2.3.2 应变分量 L,2, 22222 xyyxTyxyx (2.5) Tyxyx 22222 2,L (2.6) 中各个分量分别代表薄板弯曲后在 x 方向的曲率， y 方向的曲率以及在 x 和 y 方向 的 扭率。 2.3.3 应力分量 考虑到假定（ 2）， 0z ，有： )(1yxx vE (2.7) )(1xyy vE (2.8) Gxyxy (2.9)
