1、本科毕业论文（20 届）集装箱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 目录1目 录摘要 .3Abstract.41 绪论 .51.1 论文研究的背景和意义 .51.2 船舶振动研究现状 .61.21 螺旋桨激振 .61.22 柴油机主机的激振 .71.23 波浪激振 .71.24 船舶振动预报 .71.25 船舶振动的评价 .81.3 船舶自由振动研究方法 .81.4 有限元法的基本简述 .91.5 本文的主要研究内容 .92 船舶振动 .112.1 概述 .112.2 船舶振动产生的原因 .112.3 船舶振动分类 .122.
2、31 按振动分布的范围分类： .122.32 按船体受力情况分类 .132.33 按船体振动形态分类 .132.4 振动的危害 .132.5 减少振动的措施 .142.51 船舶设计方面 .142.52 主机及其减振 .142.53 螺旋桨及其减振 .153 板壳振动理论 .163.1 概述 .163.2 弹性体动力学基本方程 .163.3 矩形板的振动 .183.31 四边简支板 .183.32 对边简支板 .204 有限元法 .244.1 概述 .244.2 有限元解题思路 .244.3 有限元法基础理 论 .254.31 弹性力学的基本变量 .254.32 弹性力学的基本方程 .264.
3、4 弹性力学基本原理 .29目录24.41 虚位移 原理 .294.42 最小势能原理 .294.5 有限元法的应用 .304.51 概述 .304.52 有限元在船舶领域的应用 .304.6 有限元的建模准则 .324.7 有 限 元 模 型 的 性 能 指 标 .334.8 有限元法的优缺点 .344.81 有限元法的优点 .344.82 有限元法的缺点 .345 结构动力学有限元法 .365.1 有限元动力方程 .365.2 结构的固有振动特性分析 .366 舱口盖自由振动分析 .386.1 算例 .396.2 实际模型的分析 .47结论 .59致谢 .60参考文献 .61外文翻译 .6
4、3摘要3摘要简要的阐述了船舶振动产生的原因，船舶振动的危害以及相应的应对措施。因为舱口盖是船舶结构的重要组成部分之一，而集装箱船在国际航运中占有重要的地位，所以舱口盖的自由振动分析具有很重要的研究价值和意义。船体结构在有限元中是以板梁结构的有限单元形式存在的。本文运用 Patran 有限元分析软件，对集装箱船的舱口盖建成由板梁形式组成的有限元模型并进行有限元自由振动分析，得到的结果对于舱口盖的设计和营运有着重要的指导性意义。关键词船舶振动；板梁结构；弹性体；模型；有限元摘要4Free vibration analysis for the flap of container ship Abstr
5、act This thesis describes briefly the causes and the disadvantageous results of vibration of the ship as well as the corresponding measures. Because the ship hatch cover is an important part of the structure, while the container ship in the international shipping occupies an important position, so t
6、he hatch cover of the free vibration analysis of a very important research value and significance. Hull structure in finite element are board beam structure finite element forms exist. In this thesis, Patran finite element analysis software, built container ship hatch cover plate girders are compose
7、d of a finite element model and finite element free vibration analysis, the results obtained for the design and operation of the hatch has important guiding significance.Key Words Ship vibration; plate girder structure; elastic body; model; finite element正文11 绪论1.1 论文研究的背景和意义船舶是一个复杂的水上工程建筑物，具有环境各种条件
8、特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资巨大、使用周期长等特点。它航行于江河湖海，担负着运输、生产、战斗及其他各种任务。我国有漫长的海岸线，无数的内河湖泊，还有广阔富饶的海疆，为此就需要大量的、各种类型的船舶来从事各方面的工作，为社会主义革命和建设服务。随着全球经济一体化的发展,我国与世界各国的联系越来越紧密。国际物流业作为现代服务经济的重要组成部分，必将成为中国对外贸易的巨大推动力量，也将成为我国新的经济增长点。而在国际货物运输中，海洋运输占据了举足轻重的地位，据统计，海洋运输在国际货运总量中占 80%以上，是国际物流中最主要的运输方式。文献1集装箱船是专门运输集装箱的货船。集装箱船的突出优
9、点是装卸速度快，可大幅度缩短船舶在码头的停泊时间，从而增加航次。普通杂货船的最大缺点是装卸效率太低，难以实现装卸作业机械化，其停泊港口的时间几乎占整个营运时间的 40%50%，装卸费用占营运费用的 40%60%。集装箱船还由于装卸人员的减少，理货手续的简化，包括费用节省，易于实现装卸作业的机械化，从而使货运成本远远低于普通杂货船。总结集装箱船运输的优越性主要体现在：1）提高装卸效率、减轻劳动强度；2）减少货损货差、提高货运质量；3）加快车船周期、提高运输能力；4）节省包装费用、简化理货手续；5） 减少营运费用、降低运输成本；6）简化货运手续、便于货物联运。同时文献2舱口盖是船舶上的重要组成部分
10、之一。舱盖是货舱甲板开口的关闭装置，属于垂向装卸用的通道设备。舱盖按照开关方式划分，舱盖可分为：翻滚式、折叠式、侧移式、吊装式和卷筒式等。按照驱动方式划分，又可分为：链条式、铰链式、齿条式和拉杆式等。它肩负着密封舱口，保护货物和部分支撑平台的作用。舱盖本体多为大型钢结构，配备的附属装置为机械加工构件，驱动及操控方式多种多样。舱盖的强度和密性,，影响到船舶的安全性；舱盖的开关方式，影响到装卸货物的时间；舱盖本体、附件和驱动设备在船舶造价中占有相当比例，关系到船舶的经济性。正文2船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体，这些结构构件的质量与刚度具有分布的性质，包含了无限个质点。船舶受波浪和机械
11、设备产生等多种载荷作用将产生结构振动。与此同时，随着船舶的广泛投入使用也出现了一系列的问题，比如振动问题。文献3早在十九世纪后期，船体振动问题就开始引起人们的注意。近年来，随着航运事业的发展，主机功率和转速的提高，以及船舶吨位加大，肥大船型的出现，致使船体振动问题日益突出。由于造船技术的进步，船体结构减轻，相应地结构刚度也跟着减小，这就更容易激起较大的船体振动。近一、二十年来，在我国亦又不少海洋和江河船舶发生过较严重的振动问题。文献3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。船体受外力干扰，在该力除去后所发
12、生的振动叫自由振动。这种振动又可分为无阻尼自由振动与阻尼自由振动两种。这种振动是以船体自由振动频率（也叫固有频率）振动的。而过大的船体振动可导致结构产生疲劳破坏，影响船员和旅客的居住舒适性，影响船员的工作效率，甚至身体健康，还会影响船上的设备和仪表的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命。严重的船体振动的产生，处建造质量及营运因素外，主要是设计问题，即要求在船舶设计阶段就进行必要的结构动力计算。通过对舱口盖振动的研究，以确定舱口盖结构的振动频率。将对船舶的设计和营运有着重要的指导意义。1.2 船舶振动研究现状 4船舶振动预报计算技术、螺旋桨激振、主机激励、波浪激振和船舶振动标准是当代有关船舶减振
13、技术与控制研究的主要问题。1.21 螺旋桨激振螺旋桨可通过下列不同途径激起船体结构振动： 螺旋桨桨叶上的水动力通过桨轴轴承传递给船体（轴承力） 通过分布在船尾浸水表面上的脉动水压力总合力传给船体（表面力） 通过舵和轴支架将脉动水压力传给船体正文3 通过螺旋桨与轴系之间的水弹性产生耦合作用其中表面力和轴承力是螺旋桨的主要激振力。由螺旋桨激起的船舶振动问题主要发生在螺旋桨有空泡的情况下，在船尾不均匀流场中运转时，螺旋桨叶片上空泡的产生使表面力急增，但对轴承力的影响不大。1.22 柴油机主机的激振船舶推进动力常采用柴油机。据统计，70% 的船体振动是由主机激振引起的。人们为了降低主机的燃料消耗量，多
14、采用长冲程、缸数少的主机，主机的形状变得高而短，容易发生机架的纵向振动。而缸数少的柴油机l 阶和2 阶不平衡力矩以及曲轴转动力都很大，前者就成为机舱双层底振动、船体垂向与水平振动的激振力，后者则是机舱纵向、横向振动以及推力脉动的原因。1.23 波浪激振人们早就发现，船舶航行于海洋中时，在随机波浪作用下，可引起船体的波激振动。船舶在波涛汹涌的海面上航行时，船首底部出水，再入水时与波浪发生冲击，即所谓砰击，引起船舶的局部结构和整个船体的振动。俄罗斯对204 艘船因砰击造成船底损伤的统计资料表明，在个别情况下发现面积达100m 2、挠度为1050mm 的底板皱折；在许多船上发现底部纵骨有残余挠度；底
15、部桁材和肋板损伤的情况也时有所见。船舶在大风浪中航行时，甲板上浪产生冲击性的突加载荷，不但引起全船性的冲击振动，也会造成冲击力作用区的甲板、支柱的凹陷或失稳。这种冲击力很大，有时可使小型船舶倾覆。另外，波浪对船体首部外飘区的冲击，可导致船体产生瞬态的高应力，引起结构损伤。随着船舶航速和主尺度的增加，波浪激发的船舶振动屡有发生并导致船上结构产生过大的应力和损坏。1.24 船舶振动预报随着计算机技术的发展，有限元法也是船舶振动预报的有效运算工具。有限元法近来进展的重点在于提高现有方法处理大型复杂结构的能力、改进特征值求法及新的计算硬件。计算特征值及特征向量（固有频率及模态形状）最常用的方法是子空间
16、迭代法、Lanczos 法和里茨（Ritz）向量法。这三种方法都有局限性，近来有不少人致力于提高这三种方法功能的研究。多年来，子空间迭代法已成为对大型有限元模型最普遍采用的方法，若只要求计正文4算前几个振动模态时，可利用子空间迭代法，精度比其它方法好。但是，需计算大量模态，采用里茨向量法，所需计算时间少，但精度不及子空间迭代法。所以，近期开发的一种计算方法是汇集了里茨向量法和子空间迭代法的优点，有可能将子空间迭代法改造成新的计算方法。文献5对舰艇结构局部振动性能预报进行了研究,制定了局部振动预报方法，探讨了确定计算模型的几个关键性问题，编制了适用于舰艇结构局部振动预报的计算程序，并结合新一代舰
17、艇的设计和建造实践，对多种舰艇结构的局部振动进行了预报，解决了设计和建造过程中提出的振动分析任务。20 世纪90 年代，人们还十分关注离散边界积分法。该法只需要浸没或部分浸没船体湿表面的有限元网络，边界条件的满足，许多情况下都可得到更精确的计算结果。至今，也有高阶边界元应用的研究。但采用高阶边界元的主要障碍是存在数值积分中的奇异性。1.25 船舶振动的评价为了避免振动的危害，制定船舶振动标准的重要性日益为各国造船界所共识。振动标准是提供船舶振动程度的评价。国经过多年的艰苦协调与研究，对船舶振动的评价逐渐趋向两个统一：统一采用位移、速度和加速度三个振动量作为双对数坐标的频率函数；统一采用国际标准
18、化组织ISO 6954（1984 ）标准，或采用与ISO 6954（1984）相接近的评价界线。另外还规定了航海商船、内河船主机和螺旋桨激励的船体梁及上层建筑振动数据的测量与报告的规程（ISO 4867）， 航海商船、内河船上的船舶结构或设备局部振动的数据测量与报告规程（ISO 4868）等。1.3 船舶自由振动研究方法（1）能量法。能量法的基本原理是能量守恒定律。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，具体做法是假设一个振形函数，要满足几何的（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表述出来。（2）迁移矩阵法。是将整个船体考
19、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，再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）正文5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。（3）有限元法。它就是一种通用的数值计算方法。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，有限元方法在船舶结构设计中是必不可少的工具。（4）型船近似估算法。在船舶设计的早期
20、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除。但是在船舶设计的早期，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，来近似估算船体振动的固有频率。1.4 有限元法的基本简述文献6有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后求解这个域的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精确度高
21、，而且适应各种复杂形状。有限元是那些集合在一起表示实际连续域的离散单元。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性，实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，称为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉克（Clough）教授形象地将其描述为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边
