1、本科毕业论文（20 届）散货船锚机底座的振动分析所在学院 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 摘要I目 录摘 要 .IIIAbstract.IV1 绪 论 .11.1 本文研究的背景及意义 .11.2 船舶振动危害及原因分析 .11.3 船舶振动特性的研究现状 .21.4 运用有限元法对锚机底座振动的分析 .32 板的振动理论 .52.1 弹性薄板基本概念及其基本假定 .52.2 弹性薄板理论的基本动力学方程 .52.2.1 位移分量 .62.2.2 应变分量 .62.2.3 应力分量 .62.2.4 内力分量 .72.2.5 运动方程 .
2、82.2.6 基本方程 .92.2.7 边界条件 .92.2.8 初始条件 .102.3 振动分析的解析法 .103 船舶板梁组合结构振动的有限元分析理论 .113.1 有限元分析简介 .113.1.1 基本原理 .113.1.2 有限元法基本思路 .113.1.3 有限元模型建模准则 .123.1.4 有限元模型性能指标 .133.1.5 有限元分析特点及步骤 .133.2 有限元基本理论与方法 .153.2.1 弹性力学基本方程 .15本科毕业论文 摘要II3.2.2 弹性力学基本原理 .163.3 有限元法的应用 .183.4 结构动力学问题的有限元法 .193.4.1 概述 .193.
3、4.2 运动方程 .193.4.3 特征值问题 .204 锚机底座的软件振动分析（MSC.Patran） .234.1 板的厚度对振动的影响 .234.1.1 算例 1 .234.1.2 算例 2： .254.2 边界条件对实体模型振动的影响 .274.2.1 锚机底座实体模型图 .274.2.2 算例 1： .274.2.3 算例 2： .304.2.4 算例 3： .334.2.5 算 例 4 .36结论与展望： .40参考文献 .41致谢 .42外文翻译 .43本科毕业论文 摘要III摘 要板梁结构在船舶结构中有着广泛的运用，随着船舶的高速化和轻型化的趋势，以及高强度材料的广泛运用，使得
4、船体结构的稳定性问题尤为突出。船舶结构中的各种振动，不仅影响船舶的使用性能，严重的可能导致船体结构的破坏。船体结构稳定性问题是船舶结构设计中的重要问题，历来受到船舶结构力学工作者的高度重视。因此板梁组合结构的振动分析具有重要的理论意义和实用价值。本论文围绕锚机底座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、船舶锚机底座的振动软件计算。论文的分析结果对于船舶结构的设计及一些重要设备的安装具有重要的指导意义。关键词 板梁组合结构；锚机底座；振动分析；有限元分析。本科毕业论文 摘要IVAnchor bulk vibration analysis of machine base
5、Abstract Plate-beam structure has been commonly applied in ship structures. The buckling strength of ship structure has been paid more and more attention little by little, with the trend of the development of the ship, high-rate and lightness. Various vibrations for the ship structure not only affec
6、t the use of the ships performance, but also result in serious damage of the hull structure. The stability of ship structure, as one of the objects in the design of ship structure, has been highly most important concerned by research mechanic researchers. Thus, the vibration analysis for ships plate
7、-beam composite structure is very necessary and has the importance theoretical and practical value. In this paper, the vibration analysis for anchor winch base frame composite structures is investigated, which includes vibration theoretical analysis and numerical simulation based on finite element m
8、ethod as well as ship anchor winch base frame vibration simulation. The results obtained in this paper will be very helpful for ship structure design and equipments installation.Key Words Ship plate-beam structure; anchor winch base frame; vibration theory; finite element analysis.本科毕业论文 翻译51 绪 论1.1
9、 本文研究的背景及意义散装货轮，集装箱船及油轮是三个最大的主流船型，因此，倍受船东和船厂青睐，这个巨大的市场值得高度重视。近期，随着原材料需求煤炭、钢铁、铜等的增长对散装货轮的运力要求大大增加了。尤其经济快速增长的中国，其工业发展对原材料需求激增，钢铁工业发展需要大量铁矿石等大宗散货物的运力，相应的对散装货运输的要求更高，由于散装货物运力不足巳导致散装货轮运费的急剧增加。因此，尽管世界海上运输尚未走出国际金融危机带来的低谷，但是新增散货船需求市场已是非常活跃，从而带动新造散装货船定单量的提高。锚机是船舶的重要组成部分，锚机系统由主油路系统、补油路系统和应急操作系统三部分组成。锚机是船舶停泊时克
10、服外力、保持船位的设备，在船舶离靠码头和危急情况下到紧急制动的作用。锚机系统故障不能正常工作，将对船舶的运营造成重大损失，也是巨大的安全隐患，因此研究锚机的可靠性有重要意义。船舶受波浪和机械设备产生等多种载荷作用将产生结构振动，船舶结构中的各种振动,不仅影响船舶的使用性能,严重的可能导致船体结构破坏,为此,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。1.2 船舶振动危害及原因分析严重振动对船舶的危害主要有以下几点：1、使船体结构或机械设备在应力过大时产生疲劳破坏，影响航行安全。2、影响船员和旅客的居住舒适性，影响船员的工作效率，危害身体健康。3、影响船上设备、仪表的正常工作，降低使用
11、精度，缩短使用寿命。另外振动还会激发噪声。因此研究船舶振动的原因，采取有效措施进行减振十分必要。船舶振动力的分析：船体振动的主要振源是螺旋桨、轴系和主机，在运转时产生周期干扰力，使船体产生振动。1、分析主要振源产生的干扰力本科毕业论文 翻译6（1）螺旋桨激振力可分为表面力和轴承力，频率都为叶频，即 。其中，表面力经12enZ水作用于桨上方的船壳板，其合力方向为垂向；轴承力通过桨轴和轴承作用于船体，其分力表现为推力 、垂向弯矩 和垂直力 、水平弯矩 和水平力 、转矩 。VPvMzPzMXPXM（2）轴系的振动也产生干扰力，但该船轴系设计中临界转速不在主机工作转速范围内，工作转速避开了“ 转速禁区
12、” ，只要轴系校中良好，轴系振动的影响可以忽略。（3）主机产生的干扰力是三阶不平衡横摇力矩，频率是 ，通过机座作用于机舱板架。3en由于是高阶分量，估计影响不大。2、分析干扰力引起的船体结构振动（1）表面力在局部上引起该处船底板格的横振动和艉舱立体分段的垂向振动，在总体上引起船体梁的垂向总振动。（2）轴承力的分力 引起上层建筑和船体的纵向运动，因船体纵向振动的等效刚度极xP大，振幅极微，故可忽略；垂向弯矩 和垂直力 引起机舱船底板架以至全船的垂向振动；yMXP水平弯矩 和水平力 引起机舱板架以至全船的水平方向振动。XMX（3）转矩 引起轴系和主机的扭转振动。从上面分析可知，轴系和主机的扭振较小
13、，主机与轴系这一系统也没产生妞振共振，故对全船的扭转振动影响较小，这一部分只考虑主机三阶不平衡横摇力矩引起的机舱船底板格的垂向振动。3、局部振动与船体总振动的耦合（1）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。（2）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。1.3 船舶振动特性的研究现状船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体，船体构件的质量与刚度具有分布
14、的性质，包含了无限个质点。船舶受波浪和机械设备产生等多种载荷作用将产生结构振动，理论上是将这类具有无限个自由度的弹性体振动，简化为有限个自由度系统进行振动分析。本科毕业论文 翻译7船舶振动是在 50 年代后半期才开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
15、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
16、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，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。1.4 运用有限元法对锚机底座振动的分析由于船舶锚机基座结构形式小规则，所以很难采用简化梁的理论进行强度计算。随着有限元方法的推广和运用，该方法已经普
17、遍运用于船舶的结构强度计算之中。本文采用有限元软件 MSC.PATRAN/NASTRAN，对某客滚船首部过道甲板锚机基座建立局部结构计算分析有限元模型，进行直接计算分析。有限单元法的基本思路是将结构物看成由有限个划分的单元组成的整体，以单元节点的位移或节点力作为基本未知量求解。在分析结构时，先设法求出内力，然后即可计算相应的位移，这便是力法；也可以反过来，先确定某些位移，再据此推求内力，这便是位移法。力法是以多余未知力作为基本未知量，位移法是以某节点位移作为基本未知量。本科毕业论文 翻译8有限元的基本方程为： KF式中： 整体刚度矩阵； 节点位移列阵； 节点载荷列阵。有限元分析过程包括如下具体
18、步骤：建立有限元模型、结构模型离散化、引入边界条件、后处理与计算结果的评价。有限元模型建立：锚机基座是一采用板板焊接而成的支承结构，其面板孔位与锚机固定螺栓孔位相同。这一支承结构焊接固定在船的舷楼甲板上。在甲板下采用型钢对固定位置进行局部结构加强。根据基座及其附属加强结构的特点，建立有限元模型中采用板(shell)、梁(beam)结合的单元形式对结构进行合理的模拟。1)坐标系X 一船尾指向船首为正方向， Y 一船中指向左舷为正方向， Z 一铅垂方向，向上为正方向。2)材料参数结构材料采用 CCS 一 A 级钢。 输入材料参数为:=7800kg/m 3，E=2.06x10 5N/mm2，u=0.
19、3.对船舶局部结构振动分析中边界条件的简化问题做了体统的分析研究，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正式边界条件，而且在实际的工程分析中易于实现。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。本科毕业论文 翻译92 板的振动理论2.1 弹性薄板基
20、本概念及其基本假定中面为一平面的扁平连续体称为平板。当厚度远小于中面尺寸时称为薄板。平板主要承受垂直中面的横向载荷，将外载荷传递到支承处，此时板件发生垂直中面的横向挠曲，相应动力问题是薄板的横向振动。当然板件也有受中面内载荷情况，若此时无横向外载同时存在，则属于平面振动问题；若同时作用有横向载荷，则中面载荷将影响横向振动。平板振动也是一种弹性体振动，是一种三维问题。但对于厚度尺寸远小于平面上另两个尺寸的薄板来说，可以采用一系列反映薄板力学特性的简化假定，使原始三维问题降为二维问题来分析，这就是薄板理论。弹性薄板横向振动小挠度理论的基本假定为：（a）变形前垂直于中面的直线在变形后仍为一直线，并保
21、持与中面垂直。（b）忽略沿着中面垂直方向的法向应力。（c）只计入质量的横向惯性力，而略去其转动惯性力。（d）无沿中面面内的变形。假定（a）是“直法线” 假定，是薄板振动理论的基础。这一假定的实质是使板件内整个变形状态只取决于中面挠曲面形状，从面使求解三维变形体问题变为确定二维挠曲面间问题，并使问题大为简化。从力学角度来看，假定（a）认为直法线永远与中面垂直，即横向剪切变形为零，也即横向剪应力比平面方向弯曲应力要小得多，假定（b）则认为垂直方向法应力也比弯曲应力小得多。这两点对于厚度尺寸比平面尺寸小得多的薄板面言是近似成立的。2.2 弹性薄板理论的基本动力学方程假定（a）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（b）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 h 与板的最小平面跨度 b 之比 h/b 就可以看成是薄板。假设（ d）认为中面内不产生拉压、剪切，从而10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
