1、本科毕业论文（20 届）集装箱船锚机底座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 .1ABSTRACT.21绪论 .31.1本文的研究背景及意义 .31.2船舶振动研究现状 .31.3船体振动的概述 .71.4本论文的研究工作 .82薄板的自由振动 .102.1 薄板结构横向振动方程 .102.2四边支撑矩形薄板自振频率计算 .132.2.1基本假定及振动微分方程 .132.2.2边界条件 .142.2.3能量法 .152.2.4矩形薄板自振频率计算公式推导 .162.3 两对边简支的矩形薄板的自由振动
2、.193船舶板梁组合结构振动的有限元分析 .233.1 有限元法概述 .233.1.1有限元法的发展概括 .243.1.2 有限元法分类 .253.1.3 有限元法分析过程 .263.1.4 有限元法的优缺点 .263.2 有限元基本理论与方法 .273.2.1 弹性力学有限元法 .283.2.2 弹性力学基本原理 .323.3 有限元法的应用 .353.3.1结构静力学问题的有限元法 .353.3.2结构动力学问题的有限元法 .364船舶锚机底座结构有限元软件的振动计算 .374.1 MSC软件简介 .37本科毕业论文 目录24.1.1 MSC.PATRAN有限元软件 .374.1.2 MS
3、C. NASTRAN有限元软件 .384.1.3 MSC软件在热传导方面的应用 .394.2 有限元计算模型 .404.3结果分析与讨论 .444.3.1 薄板的计算模型及结果分析 .444.3.2 板梁组合结构的计算模型及结果分析 .494.3.3锚机底座的结果分析与讨论 .534.4不同建模方法结果对比 .674.4.1网格疏密程度不同 .674.4.2甲板对锚机底座的影响 .765.结论与展望 .84致谢 .86参考文献 .87本科毕业论文 摘要1摘 要船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的运营过程中产生的有害振动会对船舶结构强度产生破坏，剧烈的船舶振动会引起船员和旅客的不适，工作效率降低，
4、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。锚机底座是艏楼甲板上的舾装件之一，是系泊设备中很重要的组成部分，其安放位置对船体结构强度非常重要。锚机底座避免锚机直接作用在甲板上从而对甲板产生撕裂等破坏。随着集装箱船在整个航运市场越来越被看好，集装箱船上的锚机底座的振动分析也越来越被重视，因此锚机底座的振动计算方法研究具有重要的理论意义和实用价值。锚机底座是由简单的薄板和板架组成，本论文先以简单的薄板模型为基础展开振动分析研究，进而应用有限元法理论和 MSC软件对船舶锚机底座的振动进行计算。论文的分析结果对于船舶锚机底座的设计和建造具
5、有重要的指导意义。关键词 MSC.Patran/Nastran；船舶；锚机底座；自由振动；有限元方法本科毕业论文 摘要2Free vibration analysis for windlass base of container shipsAbstract The hull is a complex flexible structure, the harmful vibration produced in the process of ship operation will damage the structure strength of the ship. The drastic vibra
6、tion will cause many problems such as the discomfort of crew and passengers, work a lose of efficiency, also it will cause the mechanical equipment and instrumentation work in wrong way, whats more, the alternating stress of structure will appear what will accelerate fatigue damage of structure, the
7、n the hull structure will crack. Windlass base is an outfitting on forecastle deck, it was one important constituent of mooring equipment, and its placement is very important to the strength of hull structure. Windlass base avoids the damage of torn that effected by windlass welding on the deck dire
8、ctly. As the container ship become more and more promising in the shipping market, we also pay more and more attention to the vibration analysis of its windlass base, so the research of calculation method of the vibration to it has important theoretical significance and practical value. Windlass bas
9、e makes up of simple sheet and grillage, this thesis based on a model of simple sheet to analysis the vibration, then use the theory of finite element method and software MSC to calculate the vibration of windlass base. The analysis results of thesis to the design and construction of windlass base h
10、as important guiding significance.Key words MSC.Patran/Nastran; ship; windlass base; free vibration; finite element method本科毕业论文 正文31绪论1.1本文的研究背景及意义当船舶在海上航行时，船体结构不可避免地会出现振动现象。早在 19世纪后期，船体振动就引起了人们的注意。近年来，随着航运事业的发展，船舶吨位越来越大，主机功率和转速不断提高，引起船体振动的激振力也相应地增大了。同时，为了减小船舶构件的尺寸，减轻船体的重量，人们广泛采用高强度钢作为造船材料，这样使得船体结构
11、刚度也跟着减小，就更易激起较大的船体振动。另外，船体结构振动的大小，直接关系到舱室噪声和结构在水中产生的辐射噪声的大小。过大的振动可导致船体结构产生疲劳破坏，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。同时，船体振动及由此引起的舱室噪声也影响船员和游客的居住舒适性。当人们长期处于振动的环境中会产生疲劳，影响船员的工作效率，甚至危及身体健康，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，但由于激励过大或结构刚度过弱所造成共
12、振。 锚机是主要的船用锚系泊设备，其主要作用是保持船位不变、船舶紧急制动、使船安全靠离码头。锚机一般位于船首艏楼甲板上，在工作环境下一般受到锚链的作用，在船舶运营中锚机承受波浪的作用，这就要求锚机在甲板上的固定及支撑结构要达到合理的结构强度。以前，对船舶机械设备在船舶上的固定以及对船体局部加强均按照经验设计，随着国内 CAE技术的发展，对船体局部结构乃至船的强度校核成为可能，设计人员可以运用有限元软件对所设计的结构进行静力、动力校核，进而对结构进行优化设计，保证了设计质量，也节省了设计，验证设计时间。近年来船舶结构振动问题越来越得到船舶科研、设计、建造和航运部门的重视。船舶锚机底座作为船体结构
13、的重要组成部分，能比较正确地预报锚机底座的频率，并对今后的锚机底座的设计和建造具有指导意义。1.2船舶振动研究现状 文献1介绍了5000 HP油田供应守护船振动问题的分析和处理的实例。通过实船振动测试、结构固有频率计算，结合尾部螺旋桨脉动压力大小，逐步分析并查找出引起局部振动的主要原因，最后对船体结构上进行了有效的加强，在后续船的测试中获得了明显的减振效果。本科毕业论文 正文4文献2采用了SESAM软件系统对船体结构建立模块，并提供振动特性曲线，建立的三维有限元模型进行了总振动计算及振动响应计算, 并对振动情况作出了评估。此外,文中对振动计算的有限元方法也作了进一步探讨。文献3采用Mindli
14、n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4借助有限元方法和高度发展的软件，使得船舶振动响应预报日趋准确。与二维简化模型计算相比，三维有限元分析可以计算船体结构更高频率的总振动和局部振动，对船舶改型设计和减振降噪提供可靠的理论参考，为优化设计提供科学的依据。文献5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
15、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6采用有限元法和流体边界元法对船舶艉部导管进行振动性能预报, 并结合振动试验, 为减少导管的振动提供了良好的手段, 并取得了一定的效果。文献7介绍了黄船公司通过有限元计算和 MATLAB 软件矩阵分析对 8000kw 海洋救助船和小水线面双体船的振动情况，以及振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，达到减振降噪的目的。文献8提出了振动的危害及原因，通过分析振动的原因，给出一些相关的减振措施.文献9从船舶振动危害、现象与振源
16、、阻尼技术及其在船舶上的应用、船舶振动隔离技术、动力吸振器的研究以及整船振动控制技术的研究诸方面综述了船舶振动控制技术的进展, 重点关注了近几年来主动控制技术在船舶振动控制中的应用研究, 并对今后船舶振动控制研究的发展提出了建议。文献10以某巡逻艇的船体结构和型线为依据,建立三维有限元模型,利用ANSYS大型结构分析软件,计算该艇在强迫外力下的整体响应,得出了加速度响应曲线。与实验结果比较,两者吻合较好。文中的结论对船体振动响应预报及船体结构振动分析都有一定的参考价值。该文所用的ANSYS谐响应分析是适用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐) 规律变化载荷时的稳态响应的一种技术。用于确定设计
17、中的结构或机器构件的振动特性,也是其它动力学分析的起点,是进行其它设计的重要依据。文献11根据影响机舱底部板架振动模态的各种因素, 建立不同范围、边界条件的有限本科毕业论文 正文5元模型进行振动模态分析, 探讨了机舱底部板架模态计算有限元分析方法, 得出了一些具有实用价值的结论。文献12从人机工程学的角度研究了以人机环境系统为整体目标,使振动控制在最适合人对机械设备的操作和对作业环境的适应,获得系统的最佳工作效能。阐述了船舶振动对人、机、环境的影响,讨论了人体振动模型及其振动反应。通过振动成因分析和实船测试,提出了控制船舶振动的若干措施。研究表明了船舶人机系统的振动分析与控制方法是有效的。文献
18、13针对舰艇结构局部计算模型进行了系统的分析研究，探讨了确定计算模型的几个关键性问题。同时结合目前我国新一代舰艇的设计和建造实践，具体分析了多种舰艇结构局部振动的计算模型，对振动计算模型的建立具有一定的指导意义。文献14采用有限元法研究了动力吸振器减小船体梁结构谐波振动响应的有效性。在本文研究中利用其它文献给出的最优调谐参数, 采用直接法计算谐波激励下船体结构的频率响应特征。本文分析了动力吸振器三种不同配置的情况, 用来研究它们对减小船体谐波响应的敏感性和适用性, 为动力吸振器的实船应用提供了理论依据。文献15介绍了对待内河船舶的振动时，需要了解船体振动发生的具体原因后，对具体情况具体对待，就
19、可以有效地控制和减小船舶振动，使船员和旅客工作生活环境大大改善。文献16 浅谈了振动对内河船的危害，通过分析得到几种减振方法, 可针对性地解决船舶航行中存在的不良振动问题。提出在船舶防振与减振的重点, 在设计阶段应对干扰力、结构响应及振动衡准三方面进行充分的分析, 妥善协调船舶性能、船体结构、螺旋桨和主机等设计之间的关系, 使振动控制在容许的范围之内。现代计算机已开发了船舶振动预报及减振降噪技术, 可在详细设计阶段采用限元法计算船舶固有频率和响应, 同时提供具体的减振降噪的方案。这些技术的应用可使船舶振动问题在设计阶段得以解决, 否则到船舶完工后才采取措施, 势必耗费较多的人力物力, 造成经济
20、上的损失。文献17以 100吨供水船为例，通过计算分析了其尾部振动的原因，从而提出相应的改进措施，从而有效地避免了船尾部发生共振。随着船舶优化设计的应用，船舶的结构更趋单薄，利用以上方法能预估船舶尾部是否会产生共振，并及时采取措施，保证船舶顺利完工。文献18对小型船舶防振及减振问题进行探讨，提出应在船舶设计和建造时就要充分考虑防振与减振。在设计阶段就进行必要的动力计算, 考虑到可能引起振动的因素, 并采取适当的防振措施。对发生剧烈振动的船舶分析振源,寻找产生振动的原因, 从而采取减振措施。目前,对于船舶的防振、减振, 我国尚还没有取得较好的效果, 尤其是内河的一些小型本科毕业论文 正文6简陋的
21、机动船舶。但我们相信, 随着航运事业的发展和科技技术的进步, 船舶的防振, 减振工作将会有所成效。文献19提出了一种结合一种外部称作优化类型方法的外界混合优化算法，和一种一般结合遗传算法（GA）的非线性整数规划的随机迭代算法。遗传算法可在一种复杂的设计环境（如船舶结构）下快速搜索近似全球环境下的复杂的优化设计。同时它可以处理包括离散设计变量的优化。此外，在遗传算法中还有许多参数必须设置，这大大影响了最优解的精度和计算时间。但是，设置的过程对用户很困难，而且没有规则来决定如何取这些参数。因此，为了克服这些困难，这些参数的优化，同样由以遗传算法本身来进行。事实证明使用试验函数得到的参数是最优的。最
22、后，对非线性整数规划的有效性的核查，然后在振动问题经常发生的船舶罗经甲板上应用。文献20对重量分布均匀的船舶船体梁纵向振动频率接近底部水的振动频率的问题进行了研究。一个为算出附加质量的简单公式是通过使用匹配的渐进展开的发法时发现的。从上述的方法获得的结果和边界元法进行了比较。他们在这里考虑的范围内得到了良好的认同。所获得的附加质量是用来预测一跟匀称的横梁其振动情况与船底部水的振动情况接近时的自然振动。数值表明，对浅层水的效果非常显著。本文对船体的第一和第二阶频率的研究表明它们在深水中时比它们在浅水中时高 1.4倍到 3倍。文献21评论了我国今年来在船舶振动、冲击与噪声领域的研究进展文献22利用
23、迅速兴起的小波分析方法, 对时变信号处理具有独特的优点,在时频双域中对信号同时进行分析。通过对船舶辐射噪声特性的分析, 论述了针对振动信号如何选择小波基和如何利用阈值的选取规则。通过与正常信号在仿真过程中的分析对比, 直观地得到电路中改变参数所带来的软故障信号的突变特征, 成功提取出电路中输出信号的软故障特征, 为进一步诊断故障提供了便利。应用有限元分析软件MSC .NASTRAN建立了板梁结合的 3D大型舰船甲板结构有限元模型 ,计算了其模态 ,并对计算结果进行了分析 ,说明了其产生的原因。文献23概述了整船结构振动计算分析中的力学模型的建立、模型的结构参数、计算方法等3个问题的研究状况,并
24、对其方法进行评述。根据研究问题的不同特点,找出主要矛盾,忽略次要的因素,从而选择不同的力学模型、计算方法。文献24以一沿海集装箱船为例, 提出船体振动的原因，对其进行分析。估算船体结构固有频率并分析，对此提出减振措施，最后得出结论三个结论。文献25针对30000t大湖型散货船有害振动问题，通过振动测试、模型试验和三维有限元计算，找出主要的激励源是螺旋桨诱导的脉动压力，并准确进行了艉部伴流场评估和脉动本科毕业论文 正文7压力预报。最后从船体结构上采取合理优化的减振措施，获得了明显的减振效果，使该船得以顺利交船。同时在船舶振动诊断与治理方面，取得了有益的经验，并对今后的船舶减振设计提出建议。文献2
25、6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, 验证了本方法的精确性和有效性。文献27研究了2700TEU集装箱船模型的设计原理、设计步骤和方法、模型试验、模态参数识别以及模型设计的相似性判据方程。根据结构动力相似性判据方程设计制做了大舱口船的试验模型, 并对模型试验结果进行了分析研究, 用模态实验方法得到了有限自由度模型的模态参数, 用这些模态参数分析实船的动态特性, 得到了很有价值的结果。随着
26、船舶事业的发展，船舶振动问题成为一个比较突出的问题。船舶锚机底座的这类局部振动的计算方法主要有：解析方法、简易公式估算法和有限单元法。复杂的船舶结构很难有解析解；简易公式估算法，国内外学者做了很多的研究工作，因其简便灵活的特点，至今仍被各大船级社所选用，但因模型表达能力及计算精度的限制，其应用只能局限于均匀加载的平面简单板架，对诸如局部加载，有撑杆支撑的复杂结构，这种方法往往显得无能为力；有限单元法以其快捷通用的特性，以及可对任意复杂的模型进行表达等优点，在工程计算中得到了更为广泛的应用。目前应用于船舶局部结构动力分析的有限元计算模型，主要有板架计算模型、等效各向异性复合板元计算模型和板梁组合
27、计算模型。目前国内主要采用的有限元分析软件是 MSC/NASTRAN，ANSYS，ABAQUS，SESAM 等大型通用有限元结构分析软件。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。用常规有限元方法进行求解时，只要单元划分得足够小，就能得到满足工程要求的较高阶固有特性，但是这会导致结构有限单元模型的自由度数目相当大，而且有时还会因为单元尺寸过小而导致单元模型属性的丧失。用常规有限元方法计算结构动应力，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船体振动的概述船舶是漂浮在水上的复杂的弹性结构，在其受干扰而振动时，又会受到周围水的影响，因此船体的振动是非常复杂的。人们为研究的方便，通常将船体振动分为总振动与局部振动两大类。总振动是指将船体
