型鋼加筋構件對于船體中板自由振動的影響【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計文獻綜述</b></p><p><b>　　船舶與海洋工程</b></p><p>　　型鋼加筋構件對于船體中板自由振動的影響</p><p>　　本文的研究背景及意義</p><p>　　船舶結構中的各種振動會引起結構構件的交變應力,加速結構的疲勞損傷，并引

2、起乘員不適。為此,長期以來船舶振動問題一直是船舶結構工程人員研究的熱點。</p><p>　　早在19世紀后期,船體振動問題就開始引起人們的注意。近年來,隨著航運業(yè)的發(fā)展,主機功率和轉速提高,船舶噸位加大,以及肥大型船舶的出現(xiàn),致使船體振動問題日益突出。隨著造船工業(yè)的迅速發(fā)展，計算機和有限元軟件的日趨成熟，人們對船舶質量，使用性能寄船員生活環(huán)境提出了越來越高的要求?，F(xiàn)今隨著大型有限元軟件的日趨成熟和對船體振動要求

3、越來越高，整船或局部的三維有限模型已經被廣泛地應用于船舶振動計算。但是考慮到實際建模的復雜性人們常常將船體總振動和局部振動分開考慮，因此在船舶振動計算中，主要有如下四類模型：整船有限元模型（粗網格），尾部有限元網格（細網格），上層建筑有限元模型（細網格）和整船加上層建筑有限元模型（粗網格）。</p><p>　　而有限元法是一種基于變分原理的把連續(xù)體離散化的數值解法，具有適應性強，效能較高等優(yōu)點。有限元的實質是把

4、求解區(qū)域分成為有限個單元，這些單元只在求解區(qū)域的節(jié)點處和單元的邊界上互相連接，這樣求解區(qū)域被離散了，并且表示為有限個單元的組合體。有關有限元的理論可以參見有關教材。</p><p>　　船舶行業(yè)中主流的有限元軟件是NASTRAN，它具有開放式的、全模塊化的組織結構使其不但擁有很強的分析功能而又保證很好的靈活性，使用者可針對自己的工程問題和系統(tǒng)需求通過模塊選擇、組合獲得最佳的應用系統(tǒng)。針對工程實際應用，NASTRA

5、N中有近70余種單元獨特的單元庫。所有這些單元可滿足NASTRAN各種分析功能的需要，且保證求解的高精度和高可靠性。模型建好后，NASTRAN即可進行分析，如動力分析、非線性分析、靈敏度分析、熱分析等。此外，NASTRAN的新版本中還增加了更為完善的梁單元庫，同時新的基于P單元技術的界面單元的引入可有效地處理網格劃分的不連續(xù)性(如實體單元與板殼單元的連接)，并自動地進行MPC約束。</p><p>　　2. 船體

6、振動的原因分析</p><p>　　船體作為自由漂浮在水上的空心彈性梁，在營運過程中必然會受到各種激勵的作用，激起船體總振動和局部振動。引起船體振動的主要振源是螺旋槳和主機，他們在運轉時將引起周期性干擾力是船體發(fā)生外胎強迫振動。而波浪的沖擊，拋錨等引起的干擾力則是非周期性干擾力，因為這些力對船舶的作用時間短，只引起船體的衰減振動。</p><p>　　船體產生振動過大的主要原因可以歸結為下

7、述三個方面：</p><p>　　設計時考慮不周，如船舶主尺度與主機的選擇，螺旋槳與船體附屬體間隙以及與尾部線型的配合，船體結構吃孫，布置和結構的連續(xù)性等。</p><p>　　建造質量的問題，如螺旋槳的制造質量差，軸線對中不良，結構連續(xù)性被破壞，焊接殘余應力與初撓度等。</p><p>　　營運管理問題，如船體的轉載不當，軸系變形，主機個缸燃燒不均，機件磨損，松動

8、，螺旋槳受損等。</p><p>　　以及局部振動與船體總振動的耦合也會產生振動。</p><p>　?。?）船底板格與船體分段及全船相比，質量微小，振動頻率高，故板格振動可以從船體分段及全船的總振動中分離出來，單獨計算。而艉分段作為立體結構，質量較大，且與船體前部耦合，故艉部的振動不能與船體梁總振動分離，應視為總振動中的一部分。</p><p>　?。?）機艙船底

9、板架質量較大，且與貨艙區(qū)雙層底骨架相互交錯，連接剛度大耦合緊，其振動不能與船體總振動相分離。[20]</p><p><b>　　3.船舶振動的分析</b></p><p>　　文獻【1】 主要提出來內河船舶振動的主要振源，振動的所帶來的嚴重后果以及相應的一些減振避振的措施。</p><p>　　文獻【2】 本文中介紹利用matlab軟件編寫的

10、程序對矩形薄板在四邊固支情況下進行有限元分析，求得矩形薄板在四邊固支是自由振動的固有頻率，并闡述了編程的基本思路。</p><p>　　文獻【3】 本文主要概述了整船結構振動計算中力學模型的建立，模型的結構參數，計算方法等3個問題的研究狀況，并對齊方法進行評述。</p><p>　　文獻【4】 本文講述了建立上層建筑振動模型的幾個關鍵性問題以及計算模型實例。</p><

11、p>　　文獻【5】 本文介紹了在船舶結構有限元建模時，設計人員通常采用板梁結合的形式的方法。</p><p>　　文獻【6】 本文介紹了采用三維模型的有限元計算方法得出某船體垂向總振動的各階固有頻率和振型。</p><p>　　文獻【7】 本文介紹了采用比水面船舶常規(guī)槳舵配置多一只舵或少一二只舵, 通過合理布置槳舵相對位置, 以降低船舶的振動和噪聲、提高船舶推進效率、提高船舵控制航向

12、的性能。此方法特別對水面船舶設計有實用價值。</p><p>　　文獻【8】 應用LQ G算法對簡化艙段船殼的振動控制表明,增大結構的阻尼,使結構的振動降低,有效地控制結構振動。</p><p>　　文獻【9】 本文評述了我國近年來在船舶振動，沖擊與噪聲領域的研究進展。其中包括：（1）振動計算方法及振動預報，(2) 高速船振動特性及計算，（3）船舶水彈性力學，（4）結構中的振動波及能量流，

13、（5）船舶振動控制，（6）爆炸、沖擊、碰撞及其響應，等等。</p><p>　　文獻【10】本文介紹了采用mindlin板單元和參考軸桿單元, 建立了考慮板剪切變形、骨架剪切變形和骨架偏心影響的船舶板梁組合結構振動分析模型, 并研究比較了不同船舶板梁組合結構振動分析有限元模型的計算精度。最后通過對某艙室甲板固有頻率計算值和實測值的比較, 討論了船舶局部結構振動分析中邊界條件處理問題。</p><

14、;p>　　文獻【11】，【12】都是關于船舶防振及減振問題的分析探討。主要是通過顯示中的實例船舶進行討論，文獻【11】是一般小型船舶，文獻【12】是對48m集裝箱船振動進行分析。并對其固有頻率進行估算和分析。</p><p>　　文獻【13】 討論了船舶結構有限元模型化的問題，提出了幾個船舶結構分析專用單元。這些單元能準確地反映船舶結構的特點，既能保證精度又有很高的效率。同時，還介紹了一個有作者開發(fā)的結構靜

15、力，動力有限元分析軟件SAFE.它具有通用單元庫和船舶結構專用單元庫，可以進行有限元與邊界元的耦合分析。SAFE有高效率的內外村文件管理系統(tǒng)和前后處理軟件，可在微機上進行全船分析，是船舶結構設計階段的一個理想的分析工具。</p><p>　　文獻【14】本文主要是以28000噸多用途貨船為例，建立三維有限元模型進行總振動計算機振動響應計算。并對振動情況作出了評估。</p><p>　　文獻

16、【15】探討采用聲學邊界元法軟件SYSNO ISE 進行船舶振動聲學數值計算的具體方法。以某船為例, 對船舶有限元分析模型的建模、船舶振動頻響分析方法以及動力計算結果與聲學邊界元模型接口等具體步驟進行說明。介紹了如何應用SYSNO ISE 軟件建立船舶三維邊界元聲學分析模型, 并采用間接邊界元法, 對某船近場振動聲學特性進行了計算分析。</p><p>　　文獻【16】本文通過應用有限元法和流體邊界元法對船舶尾板

17、的振動性能作較全面的分析研究, 從而了解尾板自身的振動特性以及尾板對船體結構振動響應的影響, 為尾板的設計提供結構動力性能方面的依據。</p><p>　　文獻【17】 利用有限元技術對船體總，上層建筑整體和各層甲板局部自由振動頻率及上層建筑振動響應進行預報。介紹了用于振動計算的單層甲板模型，尾部上層建筑模型，全船模型和簡化全船模型機應用實例。研究了上層建筑和船體之間的耦合影響，并根據具體算例對各種模型化方法的效

18、果進行了評價。</p><p>　　文獻【18】主要針對艦艇結構局部計算模型進行了系統(tǒng)的分析研究，探討了確定計算模型的幾個關鍵性問題。同時結合目前我國新一代艦艇的設計和建造時間，具體分析可多種艦艇就夠局部振動的計算模型，對振動計算模型的建立具有一定的指導意義。</p><p>　　文獻【19】本文從船舶振動危害、現(xiàn)象與振源、阻尼技術及其在船舶上的應用、船舶振動隔離技術、動力吸振器的研究以及

19、整船振動控制技術的研究諸方面綜述了船舶振動控制技術的進展, 重點關注了近幾年來主動控制技術在船舶振動控制中的應用研究, 并對今后船舶振動控制研究的發(fā)展提出了建議。</p><p>　　文獻【20】 本文對船舶局部結構振動分析中邊界條件的簡化問題做了系統(tǒng)的分析研究，比較分析了各種不同邊界處理方法對計算結果的影響"在此基礎上提出了一種邊界簡化和修正的方法。并通過實例分析說明。</p><

20、p>　　文獻【21】本文著重介紹了大型自卸船在不同的設計階段的船體振動予報與控制, 評判標準是采用ISO 6954 的標準, 相信文中的結論對今后設計同型船的設計將是有益的。</p><p>　　文獻【22】針對30 000 t大湖型散貨船有害振動問題，通過振動測試、模型試驗和三維有限元計算，找出主要的激勵源是螺旋槳誘導的脈動壓力，并準確進行了艉部伴流場評估和脈動壓力預報.最后從船體結構上采取合理優(yōu)化的減振

21、措施，獲得了明顯的減振效果，使該船得以順利交船.同時在船舶振動診斷與治理方面，取得了有益的經驗，并對今后的船舶減振設計提出建。</p><p>　　文獻【23】本文重點介紹黃船公司在建產品8 000 kW海洋救助船和小水線面雙體船的振動情況，對震動產生的機理進行了詳細的分析，并采取了有效的工藝措施，達到減震降噪的目的。</p><p>　　文獻【24】本文主要是對299500t原油船振動的

22、分析，其中提到的關于船體振動的計算方法有：</p><p>　　船舶總體自由振動計算方法船舶總體自由振動計算方法，目前常用的計算方法有三種：</p><p>　　(1)近似計算方法；</p><p>　　(2)將船舶總體簡化為梁模型，采用遷移矩陣法和有限元法計算船舶總體振動固有頻率；</p><p>　　(3)將船舶總體離散成三維模型(用膜、

23、板、桁條及梁模擬整個船體結構)，用有限元方法計算船舶總體固有頻率及振型。</p><p>　　船舶總體振動響應計算方法</p><p>　　船舶總體振動響應計算方法，常用的計算方法有三種：</p><p>　　(1)近似計算方法；</p><p><b>　　(2)振型疊加法；</b></p><p&

24、gt;<b>　　(3)直接積分法</b></p><p>　　文獻【25】 本文介紹了用特征值計算的Lanczos法德基本理論，以大連教學實習船為例，利用MSC軟件建立了該穿的全船細網格模型。分析了該船的低階整體自由振動和上層建筑局部自由振動，總結了該船的振動特性。 </p><p>　　文獻【26】 本文以某國際航行船舶為例，按照中國船級社《鋼質海船入級與建造規(guī)范

25、要求，應用三維有限元方法，進行了艏樓甲板錨機固定座的結構強度分析。計算結果表明，原設計滿足局部強度要求，部分構件尺寸存在進一步優(yōu)化空間</p><p><b>　　4.總結</b></p><p>　　隨著船舶事業(yè)的發(fā)展，船舶振動問題成為一個比較突出的問題。船體板面加筋的振動計算，目前有兩種方法：經驗公式法和有限元法。有限元在船舶振動中的應用，使船舶振動分析上升到了一

26、個新水平。利用有限元法可以相當準確并迅速的計算出船體的某種響應特性，解決了許多過去無法解決的問題。文獻【13】中提到使用普通的有限元計算通常把船體板帶加強筋理想化為正交異性材料。這只有在加筋很密，斷面很小且均勻分布時，才可以得到較滿意的位移結果（盈利結果仍不準確），否則將會有較大的誤差。并提出了平面矩形和四邊形加筋元。考慮到模擬某些特殊部位和提高精度的需求，又開發(fā)4-9節(jié)等參加筋元和帶內部自由度的改進加筋元,和。船體上層建筑振動可以說是

27、一個由無限多的諧振器組成的系統(tǒng)，稍不注意就會出現(xiàn)激振力與某一諧振器發(fā)生共振，造成結構、部件、甚至機械設備的損壞。因此，必須針對各種振動情況分析計算公式和有限元結果，采取措施，只有這樣才能保證船舶營運的安全，延長船舶的使用壽命。</p><p>　　在過去年中, 有限元法已在結構力學分析中得到成功的應用, 出現(xiàn)了一些大型通用軟件, 如NASTRAN、ANSYS、JIGFEX等.這些軟件的功能幾乎是無可挑剔的, 但存

28、在數據量太大的不足。于是人們轉而研究有限元前處理, 試圖自動或半自動剖分有限元網絡和生成外載荷。但迄今為止, 前處理軟件一般只對平面或空間連續(xù)體單連域或多連域十分有效, 而對于像船體這樣的復雜組合結構, 開發(fā)通用前處理軟件是很難的.而且在結構動應力的計算中，常規(guī)有限元方法精度低，很難得到令人滿意的結果。因此，如何用有限元方法來提高結構動應力計算的精度，至今還是一個有待于進一步研究的問題。</p><p><

29、b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1] 駱慶衛(wèi). 內河船舶振動及減振措施 [J]. 江蘇船舶，2004，21（5）：1-2.</p><p>　　[2] 張強. 矩形薄板四邊固支時的自由振動分析 [B]. 成都，西南交通大學土木工程學院， 2010， 142-143.</p><p>　　[3] 石勇　朱錫. 整船結構振動分析中的

30、幾個問題 [A]. 武漢，海軍工程大學， 2002 (6)： 12-15.</p><p>　　[4] 李曉彬 劉 虓　吳衛(wèi)國　裴智勇. 船舶上層建筑振動計算模型分析 [J]. 交通科技，2001,(6):28-29.</p><p>　　[5] 劉虓 張波 陸艷紅.ANSYS在船舶有限元分析中的應用技巧———板單元 [J]. 廣東造船，2004,(4),4-12.</p>

31、<p>　　[6] 李曉娟 何韞如.縱骨架式船舶結構垂向振動的三維有限元分析[N].華東船舶工業(yè)學院學報，1995（9），（NO.3(第9卷)）.</p><p>　　[7] 胡 賓 韓彥民. 降低船體振動的槳舵偏置設計方案[D]. 上海，711研究所，2000,6-7</p><p>　　[8] 黃國權. 智能結構應用于船體振動控制的研究[J].船舶工程，2004,26（6）

32、：30-33.</p><p>　　[9] 翁　長　儉. 我國船舶振動沖擊與噪聲研究近年進展[J].中國造船，2001（9）,42（3）：68-80</p><p>　　[10] 黎 勝 趙徳有.船舶板梁組合結構的振動分析[J].船舶工程，2000,（6）：11-12</p><p>　　[11] 黃海明.淺談防止與減少船舶振動的措施[J].珠江水運，1999（1

33、0）,36-37</p><p>　　[12] 盧仕杰.48m集裝箱船的振動分析[J]. 廣東造船，1998,(1),12-16</p><p>　　[13] 鄭云龍.大型船舶結構有限元靜動力分析方法及軟件系統(tǒng)[J].船舶工程，1998,（3）：9-12</p><p>　　[14] 鄒勇 鄭莎莎 徐銘麒. 28000噸多用途貨船船體振動分析[J].船舶設計通訊，1

34、998（6）,（1-2）：18-23</p><p>　　[15] 楊德慶　鄭靖明 王德禹 金咸定. 基于SYSNO ISE 軟件的船舶振動聲學數值計算[J].中國造船，2002（12）,43（4）：32-37</p><p>　　[16] 郭列, 朱勝昌, 何富堅. 船舶尾板振動性能研究[J].船舶力學，2000（2）,4（1）：66-72.</p><p>　

35、　[17] 顧永寧 鮑瑩斌 陳偉剛.船體振動響應預報[J].船舶工程，1998,（5）：8-10</p><p>　　[18] 郭 列 吳士沖 何富堅.艦艇結構局部振動計算模型研究[J].船舶工程，2000,（2）：21-29</p><p>　　[19] 李維嘉　曹青松. 船舶振動主動控制的研究進展與評述[J].中國造船，2007（6）,48（2）：68-75</p>&l

36、t;p>　　[20] 付世曉 趙德有 黎勝.船舶局部結構振動分析中邊界條件的簡化和修正方法研究[J].船舶力學，2004（2）,8（1）：92-98</p><p>　　[21] 石慈忠. 大型自卸船船體振動研究[J].船舶設計通訊，2003（6）,（1-2）：16-21</p><p>　　[22] 李品敏. 船舶振動及減振技術的應用分析[J].廣東造船，2010,40-42<

37、;/p><p>　　[23] 羊維瓚，超大型油船振動分析研究[D].大連，大連理工大學，2004,1-10</p><p>　　[24] 李 兵 尋正來.大連遠洋教學實習船有限元振動分析[J].船舶設計通訊，2006（6）,（1）：33-38</p><p>　　[25] 張曉君 基于Nastran的船舶局部強度有限元分析[N].浙江海洋學院學報，2006（9），（NO

38、.3(第25卷)）.</p><p>　　[26] 李輝 向溢. 應用MSC. Nast ran 進行船舶艙口蓋局部強度分析[J].廣東造船，2004,（2）：40-42</p><p>　　[27] 曹志遠 板殼振動理論[M].第1版.北京：中國鐵道出版社，1983</p><p>　　[28]劉彥峰 密加筋結構強度和翁定性的力學性能分析與結構設計[D].武漢：武

39、漢理工大學，2006.</p><p>　　[29] 寧連旺 ANSYS有限元分析理論與發(fā)展[A].太原：中國鐵道出版社，2008:65-68</p><p>　　[30] Zheng Yunlong Yu Lei.A new finite element for static and vibrational analysis of double-hull structures.[N]J

40、ournal of Dalian University of Technology，1998（7），（NO.4(Vol. 38, No. 4)）.</p><p>　　[31] Jingtao Du Zhigang Liu Free vibration of two elastically coupled rectangular plates with uniform elastic boundary rest