舰艇结构局部振动计算模型研究.docx

舰艇结构局部振动计算模型研究2t,z2000妊和拊.|E程第2期l舰艇结构局部振动计算模型研究中国船舶科学研究中,重墨,何富坚77摘要针对舰艇结构局部振动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舰艇是一个非常复杂的结构,由各种各样的局部结构组成,在结构上又安装有多种设备,有的结构还与液体接触.在计算机技术还没有得到充分发展以前,为了能得到局部结构的振动计算结果,往往要对结构进行很大的简化,即采用比较简单的计算模型,例如在计算上层建筑纵向振动时把上层建筑看作一根剪切粱在计算甲板板架振动时把它看作四周自由支持或四周刚性固定的交叉粱系等.随着计算机技术的发展,已有可能采用较复杂的计算模型,应用有限元计算程序计算各种结构单元(板元,梁元,膜元等)组成的一维,二维和三维结构.这样就对船舶振动研究提出了下述几个任务:(1)研制和发展先进和实用的结构振动计算程序;(2)发展建立计算模型的技术(3)对计算中的一些参数,如结构刚度,质量,阻尼,激振力等的确定方法进行研究.有了先进而实用的计算程序,并不一定能获得足够准确的计算结果,计算精度在很大程序上还取决于结构的计算模型是否正确.为了保证计算精度,计算模型应尽量反映结构的实际情况,但也不是模型越复杂计算精度越高.由于模型过于复杂,使得计算原始数据的准备变得烦琐,计算工作量增大,从而造成出现差错的可能性增多,累积误差增加.计算模型既要尽量反映实际结构情况,但亦不能过于复杂,在能同样反映实际结构情况时,采用较简单的计算模型更为合适.因此,建立结构振动计算模型的技术对舰艇振动设计与计算有很重要的实际意义.目前国内外文献中曾对舰艇的个别局部结构的计算模型进行过分析,但尚未见到针对舰艇局部结构计算模型进行过系统的分析研究.本文对舰艇局部结构的计算模型进行了比较系,首先探讨建立计算模型时必须考虑的几问题,然后再转入对舰艇各部位局部结构计算模型的具体分析.2建立计算模型时的几个关键问题2.1结构振动设计是采用硬设计还是软设计舰艇振动剧烈的部位,局部结构必须避开与激振力主要频率的共振.为此,在结构设计时可采取两种方法;一是使结构的首谐调固有频率高于激振力频率一定数值;另一种是使首谐调固有频率低于激振力频率一定数量.前者称为硬设计,后者称为软设计.显然,在硬设计时固有频率计算值偏低是安全的,而在软设计时则计算值偏高是安全的.因此,在硬设计时,所建立的计算模型的误差使计算值偏低是属于安全的,而在软设计时所建立的计算模型的误差使计算值偏低却反而不安全.硬设计的优点:一是由于结构首谐调固有频率大于激振力频率,这样就保证了包括首谐调在内的各谐调振动频率均大于激振力频率,从而既避免了低谐调共振,也避免了高谐调共振;二是由于结构较强,既降低了振动应力,也降低了其它非振动载荷作用下的结构应力,提高了强度储备.其缺点是结构的重量增加.软设计的优点是结构的重量减轻,缺点为:一是虽然首谐调共振避免了,但高谐调固有频率有可能与激振力频率接近,导致高谐调共振,这种高谐调共振一般来说没有首谐调振动危险,但当激振力较大时亦是不允许的;二是由于结构减弱,可能造成其它非振动载荷作用下的应力过大,减少了结构的强度储备.由于硬设计和软设计各有优缺点,因而究竟是采用硬设计还是软设计,需视结构的具体情况而定,作者俺介t彝列,男,尉研鬼员.1969年生,1991年毕业于上海交通大学,现主要从事船舶结构振动与噪声研究工作.蔚一询.懈矩言前?22?而建立结构计算模型时则常需考虑结构是采用了哪种设计.2.2计算模型的范围舰艇结构是个非常复杂的整体结构,各部分结构又相互联系.当计算某部分结构的振动时,需要决定计算模型究竟要包括多大范围内的结构.最简单的是只取所计算结构的部分进行计算,而相邻结构的影响用边界条件来考虑.但是这种边界条件往往很难确定,从而必须把相邻结构也包括进计算模型.经验表明,在确定计算模型的范围时应考虑的主要因素有;(1)模型的边界上必须有可能给出合适的边界条件,即此边界上取任何边界条件,对模型的计算结果均影响很小;或是在此边界上给出某种边界条件,此边界条件的计算误差是使计算结果偏于安全的也可以通过计算,试验和经验较精确地确定边界条件.(2)由于舰艇船体是局部结构的支持周界,因此,当支持周界作周期性变化的运动时有些局部结构前后会激励起振动.当需要计算此种结构局部振动时,必须考虑舰艇总振动对局部振动的影响此外,由于大尺度重型结构的质量相当大,有可能与舰艇总体发生耦合振动,这时在计算该重型结构时必须考虑与船体的相互作用.对此类情况有两种处理方法:(1)计算模型不包含舰艇总体而仅有局部结构,通过给定局部结构支持周界上的振动位移,以计算总体对结构局部振动的影响,此支持周界位移值可通过舰艇总振动计算或试验和经验总结得到(2)计算模型同时包含舰艇总体与局部结构,总体结构可以是用以表征总体的船梁,也可以是用以表征总体的二维或三维结构,它们与局部结构以适当的方式相连.2.3结构的力学模拟舰艇结构是由板和梁组成的,当确定计算模型时,模型中的构件并不需要与实际完全一样,应予以适当简化,但同时要保持计算模型的力学性能基本不变,使所得计算结果能达到工程要求的精度.这就是结构的力学模拟问题,现仅举几个例子来说明结构力学模拟的必要性:(1)当要计算一个平面或曲面的板梁结构(例如板架)在垂直方向的弯曲振动时,把此板梁结构看成梁系是比较合适的.板的影响可用引入梁剖面的附连翼板形式来考虑.这样计算可以得到大大简化,而计算精度不变.(2)当计算平面或曲面板梁结构在面内的拉压和剪切振动时,将此板梁结构看成板比较合适.梁的影响采取按其断面积折算成板的相当厚度来考虑,这样计算亦得到简化,而计算精度不变.2.4计算模型的精细程度在计算模型范围确定以后,尚需决定计算模型的精细度.以一个具有5根纵梁和l2根横梁的甲板板架为例,可以按实际情况取由5根纵梁和l2根横梁组成的交叉梁系作为此板架的振动计算模型.但当计算精度要求较低,或此甲板板架只是所计算结构的冼要部分时,也可以将计算模型简化,把两根相邻横梁合并成一根相当横梁,从而在模型中只有5根纵梁和6根横梁.用有限元法计算结构振动时,每一部分结构需划分成多少单元,必须仔细考虑.决定计算模型精细度时要分析的主要因素有:(1)模型的精细程度应保证该部分结构能起到相应的作用,但并不是通过模型的精细化来达到使结构能发挥实际结构所起的所有作用,因为其中有些作用对结构振动计算结果并无大的影响.例如在艉部舱段振动计算中,主要是计算船底和甲板的振动,舱壁起着对船底和甲板的支撑作用,其本身的弯曲振动并不是计算的内容.因此舱壁在计算模型中可以用支座来代替,舱壁的板梁结构不必放入计算模型中.(2)模型的精细程度应能保证结构振动的计算精度,但过分的精细亦无必要,这只会导致计算工作量增加.3计算模型实例3.1甲板板架振动计算模型当甲板与底部之间有支柱相连时,必须把甲板与底部一并考虑,无支柱时则可以分开单独计算.这里仅限于讨论无支柱的情况,有支柱情况将在第3.3节考虑.甲板板架振动主要是垂直于板架平面的弯曲振动,因此把甲板板架看作交叉梁系是合适的,甲板板的影响用梁剖面中引入附连翼板的方法来考虑,取舷侧和舱壁作为甲板板架的支持周界.计算模型的关键问题是确定板架的边界条件,因为板架的固有频率值明显地取决于它在周界上的固定情况,四周自由支持板架的固有频率一般只有四周刚性固定板架固有频率的一半.实际上甲板板架在支持周界上既不是自由支持,也不是刚性固定,而是弹性固定.弹性固定程度的确定主要有:(1)一般来说,甲板板架较船底更易通过结构加强的方法来提高固有频率,因此采用硬设计方法是可行的.此时如果设板架四周自由支持,则固有频率计算值比实际低,从而所得计算结果是偏于安全的.因此设板架四周自由支持是适当的(2)在有些情况下,由于甲板上有较重的设备,或者尺度过大(例如航空母舰的大跨度飞行甲板),使得按硬设计方法得到的结构过于笨重,这时需采用软设计方法.对于这种情况需考虑边界处的弹性固定(周围结构对此板架振动的影响),为此可以把舷侧板架及相邻甲板板架放入计算模型中.3.2鹿部板架振动计算模型1与甲板板架不同,底部板架的振动质量很大,特别是具有很大的附连水质量,因此要通过结构加强来提高底部板架固有频率是很困难的.如果底部板架按硬设计概念设计,则取板架四周自由支持是偏于安全的,但由于边界条件误差很大,将导致过多的振动频率储备,使得所设计的底部板架结构过强,显得极不合理,因此需较合理地考虑板架在周界上的弹性固定程度,使计算值比较精确些由于底部板架结构远比舷侧板架结构强,而且前者的振动质量亦远比后者大,所以可以认为底部板架在舷侧处自由支持,而它与相邻的底部板架在结构的强弱上是相当的,因此所计算板架与相邻板架在相接处通常属弹性固定.确定此弹性固定程度通常有:(1)当仅需近似估算弹性固定程度时可作如下处理:当相邻板架长度与所计算板架长度相近时,可设板架在舱壁处自由支持;当相邻板架长度小于所计算板架长度的四分之一时,可认为板架在舱壁处刚性固定.(2)当需要精确考虑弹性固定程度时,可将相邻板架与所计算板架一起放入计算模型中(即计算连续板架),这样,相邻板架的影响将自动通过计算被考虑进去.图1给出了某舰底部连续板架振动计算模型;图2给出了连续板架计算振型.图1某舰连续板架计算模型图2连续板架计算振型?23?对于强迫振动计算,由于底部板架直接承受螺旋桨脉动压力作用,因此螺旋桨激振力是引起它振动的主要作用力.另外,在螺旋桨激振力作用下船体产生总振动,这种振动的最大振幅发生于尾部,船体作为底部板架的周界所产生的振动位移,对于底部板架振动有显着影响.为了考虑船体总振动对底部板架的影响,有两种处理方法:(1)计算模型中只包含底部板架(不包含船体).底部板架的支持周界可给予一定的振动参数作为原始数据输入,该参数可根据船体总振动计算或试验和经验分析得到.这一处理方法的优点是计算模型较简单,工作量小.但通过总振动计算得到的参数未考虑局部振动与总振动之问的耦合作用,因而有时会有较大的误差.(2)计算模型中同时包含底部板架和船体,而船体部分由于不考虑船体其它局部结构的振动,可以简化为一维船体梁.这种模型的优点是可以考虑到总振动与局部振动问的相互影响.图3给出了某舰底部连续板架与船体梁的复合模型板架与船粱用只有拉压刚度而无弯曲和剪切刚度的杆元相连,以保证船体总振动向底部板架的传递.,圈3板架与船体粱的复合模型3.3尾部舱段结构振动计算模型0当舰艇尾部结构的底部与甲板用支柱相连时,若把底部板架与甲板板架分开计算,可能有较大误差.这时应把甲板,底部和舷侧一起放在计算模型中,即取舱段作为计算模型更为合适图4给出了某高速艇尾部舱段振动计算模型.围4舰艇尾部结构计算模型当进行尾部舱段结构的强迫振动计算时,必须考虑船体总振动引起的通过支持周界给予舱段结构的激励,因此需要在计算模型中包含船体,而船体部?24?分可简化为船体梁.舱段与船梁用只有拉压刚度而无弯曲和剪切剐度的杆元相连3.4尾轴架振动计算模型舰艇尾轴架振动计算是舰艇结构局部振动设计的一个重要组成部分.现代大型舰艇的尾轴架一般均有前轴架和后轴架,它们通过轴毂与轴系连在一起组成尾轴架系统,因此在进行尾轴架振动计算时应将它们作为结构系统而全面考虑.根据计算经验,在尾轴架计算模型中可以将前后轴架和轴系均简化成梁元.为了能按实际情况考虑轴毂的影响,可将轴毂也作为梁元,它与轴系的连接可用主从节点处理前后轴架和轴系与船体相接处可作刚性固定,在有试验数据情况下可作弹性固定.图5给出了其计算模型._上一圈5舰艇尾轴架结构系统计算模型3.5尾板结构振动计算模型0在舰艇尾部安装尾板是提高舰艇航速的方法之一,但是安装尾板后可能对舰艇尾部振动产生一定的影响,同时尾板本身也有可能产生振动闻题,因此,需要计算尾板自身的固有频率,以及在安装和不安装尾板的情况下对船体尾部振动响应进行计算比较.由于尾板是一楔形装置,其表面形状复杂,而且与船体的固定程度也无法确定,因此在尾板自身固有频率计算模型中,除了尾板自身结构外还应包含船体尾部结构.图6给出了尾板自身振动的计算模型.模型中尾板结构的有限元同格划分较细,船体尾部结构同格较粗在进行尾板对船体尾部振动影响的响应计算比较时,应在上述计算模型的基础上加上船体梁,组成尾板及船体尾部结构与船体梁的复合模型.围6尾板结构计算模型3.6上层建筑整体振动计算模型在舰艇上层建筑整体振动计算中,可根据计算精度的需要,采用下述的不同上层建筑振动计算模型:(1)剪切梁模型把上层建筑简化成剪切梁,此相当梁的高度与上层建筑高度相同,剪切面积根据上层建筑在与高度方向垂直平面内的剖面积确定,质量则根据上层建筑每层甲板的重量确定.当船体对上层建筑支持相当强时,可认为相当梁根部属刚性固定-当这种支持不是很强时,则认为此相当梁可绕根部作弹性转动,其转动刚度系数由船体的支持情况近似给定.该模型的优点是计算简单,其主要缺点是根部转动刚度系数较难确定,而此系数对计算结果影响很大.按此计算模型可以得到形式很简单的上层建筑纵向固有频率估算公式.为了使公式能给出符合实际的计算结果,可根据实船试验资料引入经验系数,这样就得到近似估算上层建筑振动的经验公式.目前,世界各国造船专家已发表多个近似估算民用船舶上层建筑纵向振动的经验公式,它们各有其适用范围,可在船舶的初步设计中应用.(2)二维有限元模型将上层建筑在宽度方向上进行压缩,简化成在纵中平面内由一系列杆元和膜元组成的二维有限元模型,振动只发生在这一平面内.二维有限元模型能比剪切梁模型更好地计算上层建筑的剪切刚度,因而一般来说前者比后者准确,但是该模型同样也有一个上层建筑与船体基础之间的支撑刚度问题.当上层建筑前后壁与横舱壁对齐,并且前后壁间的船体支持结构亦较强,这时可认为,上层建筑与船体间的支撑是刚性的或是刚度很大的弹簧,其计算结果可较准确.(3)三维有限元模型按上层建筑实际结构情况,采用膜元和梁元来模拟上层建筑的板和纵,横梁等,可组成上层建筑的三维有限元模型.该模型能更好地反映上层建筑的振动情况,其计算结果更准确.当船体对上层建筑的支持很强时,该模型可只包括上层建筑部分,它与船体的连接处可设为剐性或弹性支座,用以代替船体对上层建筑的支持作用;当船体不能有效地支撑上层建筑时,应在计算模型中包含与上层建筑相连的那段船体,即取上层建筑与船体分段的复合模型,这样才能较好地考虑船体对上层建筑的支撑程度.图7为某舰上层建筑与船体的复合模型;图8给出了上层建筑纵向振动振型.圉7某舰上层建筑有限元模型圈8上层建筑纵向振动振型如果要考虑上层建筑与船体之间的耦合振动,就有必要把上层建筑与船体全部包含在计算模型中,这可用两种方法处理t一是整个船体也甩三维有限元模拟;二是与上层建筑关联的那段船体用三维有限元模拟,其余部分的船体用一维船体粱代替.应用这样的计算模型还可以直接计算船体和上层建筑的强迫振动响应.3.7安装在上层建筑的电子设备振动计算模型现代舰艇的上层建筑往往安装有许多电子设备,这些设备对于振动非常敏感,极易在振动干扰下不能正常工作.影响舰艇性能例如,在某舰上层建筑安装的电子观察仪,曾由于振动而引起镜筒过大的抖动,导致观察图象模糊,信号失常.因此,对于这些设备及其安装部位的结构必须进行振动计算,防止过大振动的发生安装于上层建筑的电子设备振动是由上层建筑振动引起的.而后者则是由船体振动诱发的.为了防止电子设备的过大振动,就需要注意下述几个问题:(1)电子设备本身的固有频率应与激励频率错开;(2)电子设备所在的上层建筑局部结构固有频率应与激励频率错开;(3)上层建筑整体振动的固有频率应与激励频率错开.对于第一点,应由设备制造商负责.下面以某舰电子观察仪和新型雷达为例,分析电子设备及其所在的上层建筑局部结构振动计算模型.(1)某舰电子观察仪振动计算模型电子观察仪安装在上层建筑某甲板边缘,甲板下的纵壁与其边缘有一定距离,呈悬臂结构观察仪?25?本身是简体结构,在简体顶部安置观察仪镜筒,甲板的振动引起简体的振动,并诱发镜筒的抖动,导致图象模糊为此必须计算简体与甲板结构一起振动的固有频率.其计算模型除简体及所处甲板的悬臂结构外,还应包括对该甲板有支撑作用的纵壁,横壁等.对于简体可作为一根能弹性变形的梁,其质量可沿弹性梁均匀分布.图9给出了筒体与甲板结构的计算模型.圉9某舰电子观寨仪振动计算模型(2)某舰新型雷达振动计算模型某舰的新型雷达安装在上层建筑上部的前后端,其支撑结构跨越上层建筑的三层甲板,由于雷达重量大,位置高,而且雷达对振动很敏感,因此必须计算雷达及其支撑结构与上层建筑周围结构一起振动的固有频率,以避开激励频率.这样,在雷达振动计算模型中除包含雷达和支撑它的梁材外,还包含了一部分对梁材起支持作用的上层建筑结构,如甲板,上层建筑前壁,侧壁等图10为雷达结构振动计算模型.其中雷达支撑结构部分的有限元网格划分得很细,而其余部分的有限元网格则相对较粗.图l1给出了经振动计算后雷达支撑结构的首谐调振型图lO雷选计算模型图l1首谐调振型(下转第29页)600ram,肋骨间距d一1800ram,设计最大许可永久变形为b/SO,轮载大小为120kN,则一1.3.现假定轮子的轮印尺寸为20040fimm,则为O.471,由r的公式计算出,一1.33,由公式算出母一地一l_729,C=0.6,从图6中查出一2.28,从而可知设计板厚最小为一8.77ram.5总结本文讨论了基于许可永久变形准则的轮载作用下的甲板设计方法,提出了轮载设计值和许可永久变形设计值的取法,并将位置移动的轮载等效于均布载荷来处理.利用有限元程序计算了轮载与永久变形的关系,与文献9中的修正的经验公式和实验曲线进行了比较,并以此为基础绘制了a/b一1,a/b一3,a/b一5的设计图谱,其它a/b的曲线计算也将在以后的工作中继续开展.该方法简明直观,便于设计者在甲板的初步设计时使用参考文献1M0Critchfield.JLRood,WHHay.StructuralRe一?2g?sponseMethodsandEvaluationResultsforHelicopterLandingDeckon210一and270一FootUScGCutters.AD-Al024202WalterCHurty.AStudyoftheResponseofanAirplaneLandingGearUsingtheDitterentialAnalyzer.J.oftheAeronautiaIScierices.December,19503MBatii1Stephen.AStudyofAnalyticModelingTechniquestorLoadingGearDynamics.ADA1223124RolphB,Alnatt.StructuraITestofFIvingDeckonUSSHancock(CAV19)UnderSimulatedA3D一1andFlightAeraftLandlrgLoads.AD-6503015RIJackson,PAFrieze.DesignofDeckStructuresUnderWhealLoads.MeetingoftheR0ya1InstitutionofNavalArchitectsOnApril17,1980,London6彭兴宁,吴有生.飞机轮载作用下的甲板动力响应.中国造船,1906(2)7翟祖清,傅志方.舰船运动及变形对飞机着舰冲击载荷的影响.上海交通大学,1997,31(9)8张寿富.汽车轮渡载车甲板板架计算.江苏船舶,1998.49体斯着,张祥教译.船舶结构设计.华南理工大学出版杜,198810OFHughes.DesignofPlatingUnderConcentratedLateraILoads.J.ShipRes.27(4).1983(上接第16页)板架与横舱壁连接处,但应力水平也不高.这说明底部结构设计合理,板架强度足够.本文应用三维有限元的方法,针对22O00m.LPG船的结构强度和变形,从船体外载荷确定,载荷强度向有限元节点力的转化,重力和惯性力的调整,边界条件的确定及边界力方面进行了整船和舱段的计算.通过计算分析得到了该船的应力和变形分布,较为真实地反映了船体的实际受力情况.本文采用的一系列方法也可应用于其它类型船舶的直接设计计算参考文献1陈瑞章.液化气船外载荷计算分析报告.中国船舶科学研究中心.科技报告,1998.92陈庆强,朱胜昌.船体结构强度直接计算中的外载荷节点化方法.船舶工程,1996,2(7)8朱胜昌.陈庚强,江南.整船准静态分析的有限元模型自动加载及载荷修正技术.中国船舶科学研究中心.科技报告,1999.44ABSSpecificationforthestructuralanalysisofcontainershlpsRD一88024.1988.11.(上接第25页)4结论本文对舰艇结构局部振动计算模型进行较全面的分析研究,探讨了建立振动计算模型的一些关键性问题,同时结合我国新一代舰艇的设计和建造,充分考虑了多种舰艇结构局部振动的特点及其规律性,具体分析了各种舰艇结构的计算模型.根据所建立的计算模型,可对舰艇结构局部振动性能进行预报.因此,本文对振动计算模型的建立具有一定的指导意义,从而为正确预报舰艇结构局部振动提供了坚实的基础.参考文献1郭列,吴士冲.某舰总振动与板架局部振动计算分析.中国船舶科学研究中心.科技报告,1993年2何富坚,吴士冲等.应用艉段三维结构和船粱混合有限元模型计算船体自由振动和强迫振动.舰船性能研究,1981年第4期3郭列,朱胜昌等.舰艇尾板振动性能研究.船舶结构力学会议文集,1999年4郭列,吴士冲等.船舶上层建筑振动计算模型研究.振动与冲击,1995年