上海交通大学---船艉轴架模态分析.pdf

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1、2003年MSC.Software中国用户论文集船艉轴架模态分析祁玉荣金咸定上海交通大学结构力学研究所-1-2003年MSC.Software中国用户论文集船艉轴架模态分析ModalAnalysisofShipBrackets祁玉荣金咸定（上海交通大学）摘要：采用有限元数值计算方法，以某船为代表，建立船艉轴架模态分析的数学模型，计算并分析军规中所要求的艉轴架的一阶频率。在此过程中，利用模态质量对艉轴系统的频率进行筛选，从而得到P字架的横向和A字架的横、纵、垂向的一阶频率，并与军规中的要求相较，校核艉轴架的模态特性，并阐述了该方法在将来的其他结构的模态鉴

2、别的适用性。关键词：艉轴架，模态，有限元,P字架，A字架Abstract：Adoptingfiniteelementmethod,ashipasexample,establishingthebrackets’mathematicmodalformodalanalysis,thefirstnaturalfrequenciesofthebrackets,whichisneededinmilitarycriterion,havebeencalculatedandanalyzed.Duringthiscourse,thefirstnaturalfrequenc

3、iesofP-bracketandthefirsthorizontal、longitudinal、verticalnaturalfrequenciesofA-brackethavebeenchosenbymodaleffectivemassfromthewholenaturalfrequencies,whichiscomparedwithrequirementofmilitarycriterion.Checkingthemodalcharactersofbrackets,theavailabilityofthemethodforchoosingnatu

4、ralfrequenciesbymodaleffectivemasshasbeenillustrated.Keywords:Brackets，Modal，FEM,P-Bracket,A-Bracket1.前言艉轴架是船体系统的一个重要组成部分。艉轴架系统则包括由主机输出端推力轴承到螺旋桨之间的传动轴以及支撑轴的单、双臂支架，以及艉轴和螺旋桨等，甚至包括一部分相连船体底部，结构相当复杂，因此，艉轴架及其系统模态振型的研究是一个值得探讨的课题。尽管我国规范对艉轴架有参数规定，但随着技术的不断的进步和国外船舶的引进，旧的规范仍停留在七、八十年代的水准上，并存

5、在若干模糊和矛盾之处，为此通过对某船艉轴架为代表，引进了多方面的详细的结构力学特性分析，并以此对现行规范提出部分改进意见。本文根据我国现行规范和现有有限元数值计算（MSC.Patran、MSC.Nastran）软件，通过对船艉轴架及其系统进行振动模态的计算，求得艉轴架系统的固有频率和固有振型，并将其和规范中的计算相比较，为船艉轴架结构设计和特性指标校核提供技术支持，并为进一步-2-2003年MSC.Software中国用户论文集分析和修订规范对于船艉轴架的相关规定提供依据。2.模态分析理论方法振动是结构系统常见的问题之一，模态分析的基本思想和核心内容是

6、确定用以描述结构系统特性的固有频率和振型的模态参数。模态计算分析从结构特性与材料特性等原始参数开始，采用有限元法型成系统的离散数学模型――质量矩阵和刚度矩阵，然后求解特征值，确定模态参数。任意一个典型的系统振动模态分析基本方程如下：[]M{}&x&+[]C{}x&+[]K{}x={f(t)}（2-1）式中[M]式质量矩阵，[C]式阻尼矩阵，[K]系统的刚度矩阵，{x}，{x&}，{&x&}分别是系统的位移、速度和加速度矢量，对无阻尼系统，自由振动方程为：[]M{}&x&+[]K{}x={0}（2-2）对于任何一阶固有频率ω，必有相应的特征向量{ψ}与之

7、对应，即ii([]2[]){}{}K−ωMψ=0（2-3）iiω为第i阶自由振动的圆频率。i2这就是个典型的特征值问题方程，可以求解n个ω的值以及n个{ψ}的特征值。i3.我国标准的近似计算我国标准规定，凡首制船舶均应进行艉轴架的自由振动计算。在我国的标准中，单、双臂的固有频率的近似计算规定了其技术要求与方法，要求计算艉轴架单臂横向一阶、双臂横向、纵向和垂向和纵向一阶，根据95年和99年国家标准分别做计算，结果见表3-1：表3-1艉轴架固有频率的近似计算频率f双臂横向f双臂垂向f双臂纵向f单臂横向95标准40.085.8420.8829.8799标准4

8、8.94105.0526.4631.0由表可见，不同标准规定的艉轴架固有频率计算本身就存在着较