1、本科毕业论文（20 届）成品油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 录摘 要 .11.绪论 .31.1 振动理论的发展 .31.2 研究现状 .31.3 研究意义和内容 .42.板壳振动理论 .62.1 弹性体动力学基本方程 .62.2 弹性体动力学积分方程 .92.3 弹性体振动分析的基本方法 .102.4 弹性薄板理论的基本动力方程 .153.有限元法 .203.1 有限元法的基本概念 .203.2 有限元的发展状况 .203.3 有限元的特点 .204.使用 MSC.patran 对四边简支矩形板振动分析与振动分析的
2、解析法 .215.使用 MSC.Patran 对成品油船舱口盖自由振动分析 .265.1 建立由甲板，舱口盖围板，舱口盖组成的模型 .265.1.1 算例 1 .265.1.2 算例 2 加密网格 .305.1.3 算例 3 船宽方向舱口盖板上加筋 .345.1.4 算例 4 减小甲板板厚 .385.1.5 算例 5 围板与舱口侧板绑定 .425.2 建立舱口盖模型加筋板形式 .465.2.1 算例 6 .465.2.2 算例 7 增大盖板板厚 .506.结果总结 .55参考文献 .56致谢 .58外文翻译 .59本科毕业论文 摘要1摘 要舱口盖是成品油船中重要的组成部分，它关系到货舱甲板开口
3、的密封性问题。它有密封货舱口保护货物作用，如果不去考虑它的话，会造成舱口盖与甲板结构尺寸，布置和结构连续性等问题。舱口盖的强度和密封性关系到船舶的安全性，舱口盖的制造在船舶造价中有相当的比例，关系到船舶的经济性。因此它的振动计算具有重要的实用价值。有限元法是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，化无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的微分方程的求解问题化为有限个参数的代数方程组的求解问题。有限元法在工程设计和分析中得到了广泛的重视，成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。论文是对舱口盖的自由振动计使用有限元法计算分析。使用 MSC. Patran 建立由甲板，舱口盖围板，舱口盖组
4、成的模型，对于此模型下不同网格划分、不同甲板板厚、加筋情况、不同节点绑定进行自由振动分析，并建立加筋板简单舱口盖模型进行有限元计算分析。关键词 舱口盖；自由振动；有限元法；Patran本科毕业论文 摘要2Free vibration analysis for Tanker hatch cover Abstract Hatch cover is an important part of the tanker. It relates to the sealing problem. It has seal cargo to protect the goods. If the sealing of t
5、he hatch cover is not considered, it will cause many problems of the hatch cover and deck structure, size, layout and structure continuity. The intensity and sealing of the hatch cover relates to the safety of ship, the hatch cover in the manufacturing cost of ship have a quite proportion of the eco
6、nomy. So the vibration calculation has important value. Finite element method make the complex continuum to divide into finitely many simple bodies. It change unlimited degree of freedom problem to limited degree of freedom problem, will continuum fields of differential equation function to solving
7、the problem of a finite number of parameters problem. That is to say, it is becoming solving algebraic equations. Finite element method in engineering design and analysis has been widely used. Becoming solve complex engineering analysis and calculation problem in an effective way.This thesis is on c
8、alculating hatch cover free vibration using finite element method. Using MSC. Patran to establish the models of deck, coaming, and hatch cover, different grids, deck thickness, stiffen materials are analyzed. It is also analyzed for hatch cover with stiffen materials via finite element method.key wo
9、rds The hatch cover; Free vibration; Finite element method; Patran本科毕业论文 正文31.绪论1.1 振动理论的发展振动是自然界一种普遍现象，随着船舶制造发展，船舶中的振动问题越来越受到人的关注。特别是由于造船过程中技术的进步，船舶结构重量的减轻，带来的问题结构刚度的减小，可能引起较大的船体振动 1。由于近代科学的发展，许多机械与设施必须考虑在动荷载条件下的设计计算。结构力学就是研究在动荷载作用下结构反应的分析方法。结构振动理论一般可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
10、由具有点质量的刚性体和无质量的变形体组成，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，理沦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，所以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 28。1.2 研究现状船舶结构 3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
11、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。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
12、问题。研究船舶振动的方法主要是按振动分布范围( 总振动和局部振动 ) 加以区分。船舶总振动又有自由振动和强迫振动之分, 其研究方法也有不同。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，具体做法是假设为振形函数，满足几何的(即端点的位移和转角) 边界本科毕业论文 正文4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
13、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
14、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 研究意义和内容在工程技术领域中, 振动是极为普通的现象。船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体, 海洋结构物也是复杂的弹性体, 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。船舶与海洋结构物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。 3由于船舶振动会影响船舶性能，还可能导致船舶结
15、构的破坏。致使船舶振动问题一直是船舶结构研究的主要问题之一。船舶工业是为水上交通、海洋开发及国防建设提供技术装备的现代综合性产业，对钢铁、化工、轻纺、装备制造、电子信息等重点产业发展具有较强的带动作用。当前，我国船舶工业正处在由大到强转变的关键时期，制定和实施船舶工业调整和振兴规划，对于巩固和提升我国船舶工业的国际地位，促进国民经济平稳较快发展，具有重要战略意义。据船舶工业协会统计，2008年，全国规模以上1242家船舶工业企业完成工业总产值4143亿元，同比增长59.8%。完成工业增加值1183 亿元，同比增长61.2% 。2008 年前11个月，船舶业实现利润总额283.4亿元，同比增长5
16、0.5%。但就在船舶业各项指标再创新高的同时，受金融危机冲击，国际造船市场风云突变，持续近6年的兴旺行情急转直下。受此影响，我国船舶行业新接订单本科毕业论文 正文5持续下降，船东撤单、推迟交船的现象不断出现，融资难、产能过剩、自主创新能力不强的问题也开始显现。作为船舶业主打牌之一的油船振动研究包括油船舱口盖自由振动研究依然是当今船舶研究的热点。在工程技术和应用科学领域中，对于许多力学问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程和定解条件。由于求解偏微分方程的困难，用解析方法只能求解它们之间的极少数经典问题。为此人们采用了简化的近似方法。随着近似方法的发展，应用有限元法求解。有限元法将求解区域看成由
17、有限个单元体以某种形式互相连结而组成的集合体，而且单元体可以形态各异，同时对单元体给出物理假设，即从数学上给出近似函数。在学习 MSC. Patran 过程中熟悉对软件的使用，观察改变一些材料属性(厚度) 、边界条件、网格划分的不同、加筋使用的构件不同对于结果的影响。使软件的结果更加合理。应用有限元法分析船舶振动或船舶局部振动分析，依赖于计算机的发展和程序理论。使用计算机针对舱口盖自由振动应用有限元分析大大降低了计算难度和大大减小了计算时间。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
18、有频率和振型求解的解析方法，求解四边简支板的自由振动。用 Patran 建立四边简支板的模型进行有限元自由振动分析并与解析解进行比较。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.建立带有甲板，围板的舱口盖模型，改变甲板厚度，网格划分，加筋等条件的不同对舱口盖自由振动结果的影响。并建立只有舱口盖近似加筋板的模型，改变盖板厚度的条件对结果的影响，再比较建立不同模型对结果的影响。本科毕业论文 正文62.板壳振动理论2.1 弹性体动力学基本方程弹性体 28在运动过程中各个点发生位移。弹性体内一点的位移在直角坐标系中可以用投影 ， 来表示分别在 x，y
19、，z 三轴上，以沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴负方向为负。， ， 称为弹性体的位移分量。对于动力学问题面而言。三个位移分量同时是空间坐标想x，y，z 及时间坐标 t 的函数。由于位移，弹性体发生形变，其中包括长度和角度的改变。直角坐标系中，弹性体内一点的形变可以用六个应变分量来表示：正应力 x， y， z 分别表示沿 x，y，z 方向微小线段的单位长度伸缩；剪应变 yz， zx， xy 分别表示 y 于 z，z 于 x，x 于 y 两方向微小线段间直角的改变。正应变以伸长为正，缩短为负；剪应变以直角变小为正，变大为负。弹性力学中已经证明，如果已知一点的六个应变分量，则就可以求得经过该点的任一微小
20、线段的正应变以及经过改点的任意两个微小线段之间的角度的改变，因此这六个应变分量可以完全确定一点的变形状态，对于动力学问题而言，六个形变分量也同时是空间坐标 x，y，z 及时间坐标t 的函数。通过几何学方面推导，可以建立形变分量与位移分量之间的关系式。如果忽略高价微量，对于微小形变和位移我们有以下六个几何方程，即哥西(Cauchy) 关系式：(2.1)xu(2.2)y(2.3)z(2.4)yz(2.5)xzz(2.6)xy由于形变，弹性体内将产生应力。体内某点应力表示经过该点某截面上内力强度，于所取的截面方向有关。在直角坐标系中，可以在一点附近取出一个微小的正六面体，其各截面本科毕业论文 正文7
21、与坐标轴垂直，将每个面上的应力分解为一个正应力为一个正应力和两个剪应力，分别和三个坐标轴平行，共计九个应力分量：正应力 x， y， z 分别表示作用在垂直于 x，y，z 轴的面上沿着 x，y，z 轴方向；剪应力 yz， xy， zx， xz， zy， yx 其中前一个角码表明作用面垂直于那个坐标轴，后一个角码表明作用方向沿着那个坐标轴。如果某一个面上的外法线方向是沿着坐标轴的正方向，则这个面上的三个应力分量的正方向为沿着坐标轴的正向；负方向为沿着坐标轴的负向反之亦然。根据微体的力矩平衡，可以得出(2.7) ,yzzxxy这就是剪应力的互等性。弹性力学中已经证明，如果已知一点的六个应力分量，则就
22、可以求得经过改点的任意截面上的正应力和剪应力。若此截面的外法线 N 的方向余弦为：(2.8)cos(,)cos(,),cos(,)xlymNzn则截面上应力在三个坐标轴上的投影分别为：(2.8) NxyxzXln(2.9)yzY(2.10)NxzzzZlm因此弹性体中上述六个应力分量可以完全确定一点的应力状态。对于动力学问题面而言，六个应力分量也同时是空间坐标 x，y，z 及时间坐标 t 的函数。对于完全弹性体的各向同性体，形变分量与应力分量之间关系有下列六个物理方程，即虎克定律：(2.11)1()xxyzE(2.12)yyxz(2.13)()zzyz(2.14)zyG(2.15)zx(2.1
23、6)xy式中，E 是弹性模量，G 是剪切模量， v 是泊松比，这三者之间关系为本科毕业论文 正文8(2.17)2(1)EGv对于一般的均质各向同性体，这些弹性常数均不是坐标，时间和方向的函数。由式（2.16）可得用应变分量表示的应力分量表达式：(2.18)()12xxEve(2.19)yy(2.20)()zzve(2.21),yzyzxzxyxyGG其中体积应变(2.22)xyze对于直角坐标系，在弹性体内一点附近取出一个微小的正六面体，使其各面与坐标轴垂直。根据此微体上力的动态平衡，计入体积力沿坐标轴分垂 Kx，K y，K z 及惯性力，可得运动方程: (2.23)2yzxzxt(2.24)
24、2xyzyKt(2.25)2yxxzzt这样，对于弹性体动力学问题，一共有十五个未知数：三个位移分量 ，；六个应变分量 x， y， z， yx， yz， zx；六个应力分量 x,， y,， z,， xy,， yz,， zx；这五个未知数应当满足十五个方程；三个运动方程式(2.23)式(2.25) ；六个几何方程(2.1)式(2.6)；六个物理方程式式(2.11)式(2.16)或式(2.18) 式(2.21)。此外，还需满足边界条件和初始条件：在位移边界问题中，位移分量在边界上满足位移边界条件：(2.26),xyz在应力边界问题中，应力分量在边界上满足应力边界条件，就是式(2.8)式(2.10) 在边界面处表达式(2.27)xyzxlmnF
