波浪中船体结构机械阻抗的分析方法研究.pdf

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1、第42卷第2期2013年04月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．42No．2Apr．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．02．007波浪中船体结构机械阻抗的分析方法研究叶永林1，唐建飞2，陈斌1，倪其军1(1．中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2．总装备部陆军装备科订购部车船局，北京100034)摘要：采用三维船舶水弹性力学分析方法，基于大型三维有限元模型和模态分析法，利用少量的弹性模态，综合考虑附连水的影响，对船体结构的机械阻抗分析方法进

2、行研究，结果表明机械阻抗合理有效，满足工程需求。关键词：湿结构；三维水弹性力学；机械阻抗；弹性模态中图分类号：U661．44文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)02-0022-04模态分析法是近年来迅速发展起来的一种分析大型复杂结构动力学问题的有效手段，能以较少的自由度，全面而精确地描述复杂结构的振动特性，从而大大简化问题的分析与计算。船舶水弹性力学方法是在模态叠加原理基础上，把流场和结构的运动与变形作为一个完整的系统来进行分析，能有效地分析结构的附连水质量及湿谐振频率等水动力系数与结构固有特性

3、。三维水弹性理论自上世纪80年代初建立以来，已由频域到时域，由线性发展到非线性¨引，越来越多地应用到大型船舶口J、极大型浮体[43及高性能船。文献[5]讨论了加肋圆柱壳体等简单结构的机械阻抗，分析不同水深等工况下机械阻抗的变化情况，将船舶水弹性力学分析方法初步应用于浮体结构的阻抗分析。本文针对大型有限元结构——一艘小水线面双体船(SWATH)，对其设备基座结构的机械阻抗的分析方法展开讨论，探讨工程上适用的弹性模态数量的影响，以期形成较为简单、有效的工程分析方法。1三维水弹J『生力学简介1．1水弹性力学运动方程假定

4、结构在外力激励下强迫振动的幅值为小22收稿日期：2012—07—30修回日期：2012—08—24第一作者简介：叶永林(1974一)，男，博士，高级工程师研究方向：高性能船研究与设计E-mail：yeyonglin@sina．com量，则根据结构模态叠加原理，结构的动位移可用主振型位移的叠加表示M={“，秽，W}-∑Urp，(￡)(1)式中：u——结构任意一点的位移；M，——该点第r阶位移振型；P，(t)——第r阶主坐标；m——选取的模态总数。广义线性水弹性力学运动方程可表示为(a+A)∥+(6+曰)∥+(C+c

5、)p=△(2)式中：p={P1(t)，P2(t)，⋯，P。(t)}；△——广义力列向量；a、b、c——浮体干结构广义质量、阻尼和刚度矩阵；A、B、C——广义流体附加质量矩阵、附加阻尼和恢复力系数矩阵。1．2机械阻抗计算流固耦合结构上一点在垂直方向上的输入阻抗时，可以在该点处沿该方向上作用一单位正弦集中力，计算该点相应的速度响应，两者相除即得输入机械阻抗L6J。1Z=_—≯弋(3)J∞elZrL石‘，2船舶及机械设备介绍以一艘电力推进的1500t的小水线面双体船(见图1)为例。主要分析其安装在二甲板上的柴油发电机组

6、开启时的设备激励力。柴油发电机组包括1000kW机组(主发)和400kW机组(辅发)。船体及设备基座结构有限元模型见图2和图3。波浪中船体结构机械阻抗的分析方法研究——叶永林，唐建飞，陈斌，倪其军一矿图11500tSWATH海洋科考船图2SWATH船有限元模型(左弦)图3柴油发电机组基座有限元模型3机械阻抗分析根据水弹性力学运动方程式(2)，在壳体上作用一单位垂向正弦激励力，根据式(3)求解机械阻抗。本文计算范围为200Hz。3．1模态选择应关注的问题在文献[7]所述的简单结构或典型结构，如球壳，加筋圆柱壳体的分

7、析中，在振型波长大于结构有限元模型的单元尺度及湿表面单元尺度数倍(按工程经验，一般6倍是可取的)的频率以下，有限元分析给出的干振型均可用于水弹性力学模态展开法，进行波激与机械激励下的流固耦合振动分析。然而，对于一艘结构和内部设备系统复杂的船舶，有限元的建模会对固有振型及固有频率的计算产生显著的影响。即使在200Hz以内，也会呈现成千上万个固有振型与频率。由于船体的局部结构，尤其是内部壁板和设备支承结构的单元划分往往会引入许多简化处理方式，在许多情况下会发现两类情况：①在很小的频率区间(如1Hz)内出现多个“固有频

8、率与振型”，其主船体的动变形形态酷似，但某一层甲板或船内壁板的不同部位存在局部小范围的变形；②主船体动变形甚小，但船体内某局部结构产生小范围的大变形。产生这两类情况的典型的或常见的原因是出现异常大变形的局部结构的有限元建模过于简单，往往未反映其真实的刚度特性；或者，在少数情况下，该局部结构本身就设计或制造得不合理。对前一原因，所出现的模态可称之为“伪模态”，应加以删除，对