（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）综合集成桅杆振动特性与连接结构强度研究.pdf

哈尔滨：i ：程人学硕士学位论文 摘要 综合集成桅杆因具有较好的隐身特性和较高的结构强度，在国内外舰船 上被越来越广泛的采用。本文讨论了综合集成桅杆振动计算中边界条件的简 化方法，并针对复合材料和钢的特殊连接，着重讨论了综合集成桅杆底部连 接结构的设计。 按照规范取边界条件，可得出较准确的振动模态，但建立模型会花费大 量的时间，且不能确定边界条件中对模态影响最主要的因素。将实际边界简 化为刚性约束得到的简化模型存在误差较大的问题，于是用弹性约束来描述 边界条件。论文给出了确定弹性约束刚度系数的方法，并对模型做模态分析， 结果能够满足工程实际要求，这种简化方法使分析工作量大幅减少。 综合集成桅杆底部连接结构使用螺栓连接具有施工简单、耐疲劳、可拆 换、连接的整体性和刚度较好等优点。螺栓连接是连接结构中所广泛采用的 一种连接方式，但复合材料和钢结构的连接属于特殊连接，因此有必要对其 具体受力进行分析研究。论文利用有限元软件模拟了单一螺栓构件在受拉力 作用下的应力状况，一讨论了模拟连接结构的影响因素，重点考虑了预紧力的 影响，提出了模拟连接结构的方法，即预紧力单元法。 论文对综合集成桅杆底部连接结构进行了设计，提出一种满足工程需要 的综合集成桅杆的底部连接结构。应采用预紧力单元法对底部连接的单排多 螺栓复杂结构进行数值计算，根据连接结构设计模拟螺栓与连接结构的相互 作用，对螺栓和复合材料折边进行强度校核，结果满足强度要求。并将计算 值与试验值进行对比，误差满足工程要求，表明用预紧力单元法计算单排多 螺栓连接强度的可行性。 关键词：桅杆；模态分析；有限元；边界条件；螺栓连接 哈尔滨1 ：彳譬人学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo fm e t as y n t h e s i sm a s t sc h a r a c t e r i s t i ca n dh i g h e rs t r u c t u r es t r e n g t h ， m e t as y n t h e s i sm a s ti sm o r ea n dm o r ea d o p t e di nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l w a r s h i p c o m p o s i t em a t e r i a l i sa d o p t e di nm e t as y n t h e s i sm a s t t h e r ea r en o t r u l e sa b o u tc o m p o s i t em a t e r i a l s ，s ow ec a n tf i n dr u l e st od e s i g n t a k i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o na c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n w em a yo b t a i n n e a r l ya c c u r a t ev i b r a t i o nm o d a l ，b u tt h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e ln e e dt o om u c h t i m e s i m p l i f y i n gt h ea c t u a lb o u n d a r yt ot h er i g i dc o n s t r a i n t ，t h ee r r o ro f t h er e s u l t i s b i g ，t h e r e f o r et h ea u t h o ru s e se l a s t i c c o n s t r a i n tt od e s c r i b et h eb o u n d a r y c o n d i t i o n ，t h i sa r t i c l ep r o d u c e st h em e t h o dt oc o n f i r ms t i f f i a e s sc o e f f i c i e n t s ，a n d c a r r i e so nt h em o d a la n a l y z e ，t h er e s u l t sc o u l ds a t i s f yt h ep r o j e c ta c t u a lr e q u e s t ， t h et i m eo fa n a l y s i sc a nb er e d u c e d t h em e t as y n t h e s i sm a s t sb o t t o ms t r u c t u r et a k e sb o l tc o n n e c t i o nw i t ht h e u s eo fs i m p l e ，f a t i g u er e s i s t a n c e ，c o n n e c t i n gt h ei n t e g r i t ya n dg o o ds t i f f n e s s a d v a n t a g e s b o l tc o n n e c t i n gs t r u c t u r eo ft h ew i d e s p r e a da d o p t i o no fac o n n e c t i o n ， b u to fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n ds t e e lc o n n e c t i o ni si nas p e c i a lc o n n e c t i v i t y ，i ti s n e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h e i rs p e c i f i ca n a l y s i so ft h es t u d y as i n g l e b o l ti s s i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei nt h er a l l yu n d e rt h es t r e s so ft h e s i t u a t i o n t h i sa r t i c l ed e s i g nt h eb o t t o mc o n n e c t i n gs t r u c t u r eo fm e t as y n t h e s i sm a s t a p p l i c a t i o no ff i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ei na c c o r d a n c ew i t ha s i n g l eb o l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es i n g l er o wa tt h eb o r o mo fc o n n e c t i n gb o l t sa n dm o r e c o m p l e xs t r u c t u r eo fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，a n dt h er e s u l t sa r ec h e c k i n g t h e b o u o mc o n n e c t i o ns t r u c t u r eo fc o m p o s i t em a t e r i a lt u b em a s tc a nm e e tt h en e e d s o f p r o j e c t 哈尔滨r t 程大学硕一 ：学化论文 k e yw o r d s ：m a s t ；m o d a la n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n t ；b o u n d a r yc o n d i t i o n ；b o l t c o n n e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盏：整 日 期：彬年弓月哆日 ! 篁垒鎏三垒奎兰竺圭兰! ：兰兰 第1 章绪论 1 1 目的与意义 桅杆是现代舰船的一个重要组成部分，桅杆的功能主要是搭载船用雷达、 船舶气象仪、通信天线、灯具等电子、电气设备。按照其结构形式一般分为 桁架桅杆、塔式桅杆和筒形桅杆等几种。 图1 1 装有桁架桅杆的舰船 军事装备现代隐身技术的研究已有2 0 多年的历史，近年随着高科技的发 展，隐身技术取得重大突破，并开始在实战武器装各上使用，取得良好的作 战效果，引起世人的瞩目。有了较好的隐身性能，就能避开敌人的追踪，从 而在进攻时出其不意，在撤退时悄无声息。广义的隐身，包括雷达波隐身、 声隐身、红外隐身等方面。而狭义的隐身则专指雷达波隐身。对于桅杆结构 的雷达波隐身主要通过两利，途径，一是使用隐身材料以达到吸收雷达波的目 的，二是通过外形结构隐身以降低雷达散射截面积。 大多数隐身材料是把电磁损耗性材料以粉末的形式分散在电介质基材中 而制得的复合材料。其中基材基本上起强度作用和抵抗环境作用，而吸波作 直 隳一 孵 哈尔滨：j 二稃大学硕：t 学位论文 用则由损耗性填料提供。复合材料的有效电磁参数和其组分之间的关系服从 混合定律，对基材通常要求其电磁参数较小，且在工作频率范臣内不随频率 而变化。综合集成桅杆除了采用隐身材料外，还应用结构隐身的方法。常规 的桁架结构由于其自身的特点不能满足隐身的要求，为提高全船的隐身性 能，在现代舰船设计中，筒形结构的综合集成桅杆因其雷达散射截面积小， 隐身效果好而被广泛采用，还具有结构强度高的优点，较桁架桅杆其应用前 景更为广阔。综合集成桅杆的结构形式又可多种多样，如有四棱柱形，棱锥 形等，具体形状根据各船的特殊要求确定。因此，综合集成桅杆是未来舰船 桅杆结构的发展方向。 桅杆上搭载的大都是精密仪器，桅杆的很小振动都有可能导致仪器设备 的失灵，寿命缩短，有的振动则可能导致设备的直接破坏。因此很多业内人 士作了很多桅杆振动响应预报的研究，能应用经验公式法、能量法i 迁移矩 阵法、有限元法等常用的振动模态预报方法进行较准确的桅杆振动特性预报。 在桅杆振动分析时，质量对振动模态的影响，桅杆界面惯性矩的计算等问题 的处理已经有了实用的理论及经验。但以上这些研究的对象主要集中于钢结 构桁架式桅杆。对于综合集成桅杆，由于桅杆外部使用复合材料，内部增加 了内隔板等结构，结构形式更为复杂，这一变化，从力学角度上看，似乎并 不会对强度造成特别的影响。然而，由于上述变化改变了桅上搭载物、桅杆 主体、上层建筑或船体以及桅一l 各构件间的质量或刚度的相互关系，在动态 响应上其振动特性会发生怎样的变化，成为一个值得研究的问题。而由于现 代舰船螺旋桨激振力较大，且转速变化范围较广，具有较密集的激振力频谱。 此外，有的桅杆基础位于机舱区域，受主机不平衡力激励，因此桅杆固有振 动频率很可能落在上述激励频谱范围之内，引起较大振动，而导致桅杆上设 备不能正常工作，因此综合集成桅杆振动计算显得尤为重要。 综合集成桅杆底部不是金属材料，不能通过传统的焊接方法将桅杆连接 到舰船甲板上。所以综合集成桅杆的连接设计和分析是结构设计的重要内容 之一。连接部位的设计和强度分析具有与金属材料结构连接部位不完全相同 2 哈尔滨一l + 程火学硕_ l 学位论文 的内容和特点，有些方面与金属材料结构有着本质的差别，而且影响连接强 度的因素要复杂得多。这些特点决定了综合集成桅杆连接强度问题变得更复 杂，解决其静强度和疲劳强度更为困难，必须予以足够的重视。 12 国内外研究现状 传统的钢桁架式桅杆为开口型和外部突出型，它是舰艇自身雷达信号和 通信的干扰源，使雷达图像模糊不清。舰船桅杆采用综合集成技术始于1 9 9 0 年，c r i t c h 等的研究表明，采用1 ：2 、由s 一2 玻璃纤维和高强度碳纤维混合制 造的高l o m 综合集成桅杆，不仅比同尺度的铝合金桅杆轻2 0 一5 0 ，且具有良 好的抗疲劳、抗冲击、防腐蚀、改善探测器的性能等优点，符合美国海军对 振动、抵抗空中爆炸、抵抗导弹损伤的要求。美国海军于1 9 9 5 年着手实施先 进的综合集成桅杆探测器( a e m s ) 计划，用于装备新造的舰艇。a e m s 系统高 达2 8 m ，直径1 0 7 m ，外型采用六边形混杂复合材料。该设计使其经复合材料 通过舰自身频率损失很少，而能反射其他频率。同时，天线和其他敏感元件 的性能得到改进，并降低了桅杆雷达横剖面，保护了主天线和其他敏感电子 设备。a e m s 系统将用于装备驱逐舰( s c 一2 1 ) 、航空母舰( c v x ) 、海上救生船( l h k ) 和“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰，现役舰船也将改装此套系统。 图12 美国“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰 英国海军和美国沃斯桑尼克罗夫公司于1 9 9 6 年开始研制一种用集成技 哈尔滨工稃人学硕士学位论文 术制造的桅杆( i t m ) ，它是一种夹芯结构，装有交换天线、对空监视天线和嵌 入式探测器，其优点是：加强环境保护，提高隐身性，降低对探测器的电磁干 扰。英国海军计划将( i t m ) 安装在2 0 1 2 年后建造的水面舰艇和航空母舰上。 加拿大海军将在“哈利法克斯”级护卫舰上安装这种综合集成桅杆。 1 2 1 桅杆振动研究 国内对船舶振动的预报和计算，大致可分为三个部分：全船模态分析与 响应预报、尾部振动计算分析及上层建筑振动分析。桅杆结构振动分析是其 中一项重要内容。因为桅杆是与主船体相连的结构，在进行模态分析的时候， 边界条件的选取是很关键的。边界条件的选取的合理与否关系到所求桅杆固 有频率和振型的准确性，如果因为边界条件选择的不符合实际情况，所估算 的固有频率不准确，会导致桅杆结构振动设计的偏差，如可能使桅杆的某一 阶固有频率没避开激振力频率。所以边界条件的研究是具有重要意义的。 胡海昌等定性和定量地分析了这种因果关系，刘中生等分析了结构边界 形状的变化对特征值的影响，这不仅提供了优化设计所需的梯度信息，对于 模型校正和模型误差的预估都有实际意义。黄斌、常晓林、肖焕雄在此基础 上研究了结构边界约束刚度的修改对振动特性的影响，对带有竖向振动和转 动弹性约束的结构，将微分方程和边界条件化为不同摄动阶的微分方程和边 界条件，从而得到了特征值的灵敏度方程。这些理论的研究成果可用来指导 我们正确地建立桅杆力学模型和进行结构优化。在以上层建筑为对象，研究 结构的振动时，黎胜和赵德有采用m i n d l i n 板单元和参考轴单元建立了考虑 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，得到了精度较高的计算结果。付世晓在此基础上，进一步讨论了局部结 构振动分析中的边界条件的简化和修正方法。并提出了一种能更好地描述船 舶局部结构的真实边界条件的简化和修正方法。 近年来由于计算技术的发展，用大型有限元计算软件对进行模态分析和 响应计算，在国内已经普遍使用。姚熊亮教授、郎济才高工用大型有限元分 4 哈尔滨 ：稃人学硕+ 学位论文 析软件，对某船桅杆结构进行了模态分析计算，并且在建模过程中对结构的 模型化、杆上集中质量的处理、边界条件的考虑等各方面进行了探讨，在此 基础上建模计算，并与实际模型实验结果进行对照检验，证明用有限元软件 建模进行桅杆模态分析比较符合实际情况。这些理论成果中的一些方法和观 点在综合集成桅杆振动及边界条件的研究中同样具有参考价值。 1 2 2 连接结构研究 国外许多专家学者已经对复合材料连接做了大量的试验研究和数值模 拟，近些年发表了许多关于复合材料机械连接的文章。由于复合材料本身的 复杂性，目前对复合材料机械连接特性的分析方法主要依靠试验和数值模拟。 围绕复合材料机械连接接头设计原理和可行性，k r b e r g 等专家作了大量研 究，包括确定影响连接强度和寿命的参数、连接接头的载荷分布、连接强度 和设计方法等，提出复合材料机械连接接头主要涉及问题是层间剪切强度低、 横向拉伸强度低以及因制孔造成的应力集中等。g e p a d a w e ：就加铺硼聚酞亚 胺薄膜对复合材料机械连接接头增强作用进行试验和测试工作，结果表明： 当增强膜局部加入所占体积比6 1 2 时，接头传递载荷能力成倍增加。针 对剪裁复合材料连接接头铺层改善其承载效率，j r e i s e n m a n 提出将局部挤 压能力与层压板轴向应变水平的影响分开，铺层的主要区域通常百分比相当 高，因而承受轴向载荷百分比很高。相反，挤压区域不含铺层，因而只承受 轴向载荷中的一小部分，使挤压区对接头的轴向载荷不敏感。d e f o x ， k w s w a i m 通过试验分析了螺栓连接的静强度特性，m e c a r t h y 对螺栓孔间隙 做了大量的研究工作，分析了间隙对多钉连接载荷分配、挤压强度等多项指 标的影响。a l a a t i na k t a ，h e u n g j o o np a r k 分析铺层顺序对螺栓孔强度的影响， s t a r i k o v 己及i r e m a n 研究了沉头螺栓的连接特性，s u n 等通过试验和数值模 拟分析了螺栓预紧力对螺栓孔挤压强度的影响。l i m ，k e l l e r , s t a r i k o v 和 l a n e i o t t i 则研究分析了机械连接的疲劳特性。 国内的诸多学者，也对复合材料螺栓连接做了大量的研究工作。其中， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 不乏试验和数值模拟，取得了一系列的成果。汪青对c s i c 复合材料连接接 头的应力和破坏模式进行了数值分析。顾亦磊对复合材料接头的机械强度和 影响因素进行了大量的研究工作。阎国良等对复杂连接接头载荷分布的算法 进行了研究工作，并取得了一些成果。姜云朋、岳珠锋等进行了层合板螺栓 连接失效的数值模拟。高宗占对螺栓连接复合材料板进行了有限元计算。李 跃宇开展了含脱层复合材料单钉连接件的挤压试验。研究了脱层与失效的关 系。总的来说，对复合材料连接件的分析，绝大部分的工作是在有限元基础 上展开的。 1 3 论文的主要研究内容 现有的规范对舰船桅杆自由振动分析模型的边界条件规定为：在桅杆模 型中加入舱段部分，甲板取到桅杆安装甲板的下一层，甲板板架长度取三个 舱段，除桅杆本身所在的那个舱段外，在其前后向外各延伸一个舱段，舱段 两端取为刚性固定。这种边界条件的处理方法，能较真实的反映船体对桅杆 的位移约束。但对复杂的船体结构及内部构造复杂的综合集成桅杆加大了建 模和分析的工作量，且不易找出桅杆边界中对桅杆振动特性影响较大的因素。 因此，寻求一种简化边界条件的方法是一种有实际意义的工作。用简化方法 确定出来的边界条件对桅杆的约束作用要与原结构相当，这样既能减少工作 量又能得出准确的模态。在综合集成桅杆的底部连接结构研究中，因连接结 构承载较大，可靠性要求较高，又要达到方便拆卸等目的，所以拟采用：综 合集成桅杆与甲板上的钢质围台采用螺栓连接。 本文的主要目的就是对综合集成桅杆边界条件的简化方法及底部连接结 构进行探讨： 1 ) 按规范选取边界条件得到综合集成桅杆振动分析模型，再尝试将桅杆根 部船体对桅杆的作用简化为刚性固定、简支和弹性边界，获得较简单的 振动模型。对每一种简化方法都给出了实例计算，用有限元软件建立模 型，并对其进行模态分析，获取桅杆横向振动，纵向振动的首阶频率和 6 哈尔滨j 厂程大学硕十学位论文 振型，对各种情况得出的结果进行比较，找出具有工程实用价值的边界 条件处理方法。在做弹性边界简化时，采用结构力学的知识对各种刚度 系数进行理论计算，寻求简单实用的刚度系数计算方法。 2 ) 针对综合集成桅杆结构连接设计问题，详细叙述了机械连接、胶接和胶 铆混合连接方式，比较了各种连接方式的优缺点，重点介绍了机械连接 常见的破坏模式和设计参数的选取问题。 3 ) 综合集成桅杆底部连接结构使用螺栓连接具有施工简单、耐疲劳、可拆 换、连接的整体性和刚度较好等优点。螺栓连接是连接结构中所广泛采 用的一种连接方式，但对复合材料和钢结构的连接属于特殊连接，因此 有必要对其具体受力进行分析研究。利用有限元软件模拟了单一螺栓构 件在受拉力作用之下的应力状况。 4 ) 对综合集成桅杆底部连接结构进行设计。应用有限元软件按照单一螺栓 的数值模拟方法对底部连接的单排多螺栓复杂结构进行数值计算，并对 计算结果进行校核。提出一种满足工程需要的综合集成桅杆底部连接结 构。 7 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 第2 章综合集成桅杆振动特性 综合集成桅杆固定在船主体上，船主体作为桅杆的支撑结构，是一个复 杂的系统，可采取不同的方法处理其对桅杆的约束作用：现有的钢质桅杆的 规范中可将边界近似取为刚性固定或简支；也可用弹性约束较准确地模拟船 体的实际支撑作用。这里对综合集成桅杆底部的结构进行力学分析，从而提 炼出弹性约束的有关系数是关键点。 当约束确定以后，要对模型进行模态分析，评估简化效果。目前，包括 模态分析在内的结构动态分析多是通过大型有限元软件实现的，常用的有限 元分析软件有m s c n a s t r a n ，a n s y s ，a b a q u s ，m a r c ，a d i n a ，这些软 件的工程实用性已为许多工程实践所证实，用这些软件分析出来的模态结果 是可信的。 2 1 有限元分析的前处理 前处理模块是指通过定义单元类型、定义实常数、定义材料参数、绘制 实体模型、划分网格，最终建立成所需的有限元模型。生成有限元模型是前 处理的主要目的，它是整个有限元分析中很重要的一个环节，所有的后处理 到要基于建立好的有限元模型，建立模型的好坏对有限元分析会产生重大影 响。生成有限元模型有两种方法：直接法和实体建模法。直接法是根据结构 的外形直接建成节点和单元，不须进行网格划分；而实体建模法是应用软件 系统提供的绘图功能绘出结构实体图，然后通过定义单元类型划分网格生成 有限单元。对于简单的形状比较规则的结构体可采用直接法，但实际工程中 的结构基本都是复杂而形状多种多样，采用直接法显然是不现实的，所以往 往用实体建模法。 j 2 1 1 建立实体 建立实体也可分为自顶向下和自底向上两种方法。把有限元软件里的图 哈尔滨r 丁程人学硕十学位论文 元分成高低级别的话，顾名思义，自顶向下法是指，先绘出体这一高一级别 的图元，然后通过布尔运算对体进行划分，切割等操作，生成低级图元面， 进而生成线，再后来生成点。能采用这种方法得益于有限元软件向用户提供 的较全面的常用的几何原型，如矩形、圆、圆环、多边形等二维图形、和长 方体、柱体、球体、球壳等三维图形。而先建立点，后由点连成线，再由线 生成面，最后根据面围成体的建立实体的方法则叫做自底向上法。在实际建 立实体操作的过程中，不会只采用一种方法，往往是两者交叉使用，一切以 快捷准确地建立模型为宗旨。 尘血 图2 1 综合集成桅杆的结构图 建立实体主要运行p r e p r o c e s s o r 模块中m o d e l i n g 菜单下的命令。绘制综 合集成桅杆实体，先通过c r e a t 中的k e y p o i n t s ，l i n e s ，a r e a 命令，绘制出某些点、 线、面、形成桅杆模型的一个大体轮廓。 然后通过添加线，切割面等操作，进一步充实完善每个局部，这一步常 用的是o p e r a t e 菜单下的命令，如布尔运算中的d i v i d e 。绘制桅杆结构上骨材 对应的线时要保证，线与骨材所在的面是连接在一起的，j 即面要被这些线切 割，不是简单的两点连成一条线后就行的，否则在对生成的有限元模型进行 模态分析时，骨材会脱离所在的板材，相当于实际中桅杆的骨材和板材没有 9 哈尔滨 二程人学硕+ 学位论文 连接在一起。完成这些线的绘制，可先由点生成线，然后用d i v i d e 下的a l e a b y l i n e 的命令切割已绘制好的面；也可以用d i v i d e 下的a r e ab yw o r k i n g p l a n e 命 令对面进行切割直接生成线，但须注意，切割平面默认的是坐标平面的x o y 平面，在坐标位置不当时，需用w o r k p l a n e 菜单下的o f f s e t w p b y i n c r e m e n t s 命令，将工作平面坐标系移动或旋转到适当位置，然后再进行切割操作。反 复运用以上的这些操作就可建成综合集成桅杆的实体模型，如图2 2 。 n 捌2 2 绿台果成桅杆及栀杆厩部甲积的实伴模型 212 定义单元类型 有限元软件数据库中提供了工程实践中可能用到的几乎所有的单元类 型，包括l i n k 杆单元；b e a m 粱单元：s o l i d 实体单元；c o m b i n 弹簧单 元；p i p e 管单元；m a s s 质量单元；s h e l l 板壳单元。 对结构模型化，须仔细分析结构的受载荷，应力即变形特点，从力学的 角度加以抽象化，得出计算模型，选择确定各个构件应采用的单元类型，只 有采用了正确的力学模型，分析的结果才有意义。本文中的研究对象是某复 合材料筒型桅杆，左右对称，前后不对称。截面为矩形，且自下至上逐渐减 小。桅杆自下至上分布有横隔板。在四面围板上，自下至上还有横向的强构 哈尔滨工稃人学硕十学位论文 件作为围板加强材，同时分布有纵向的强弱构件，作为围板的纵向加强材。 在接近桅杆顶部，向后侧有突出结构。主船体部分，垂直方向，取到桅杆固 定甲板的下一层，对于水平方向，截取到桅杆根部外的前后各1 个舱段处。 在进行了桅杆结构分析之后，接下来要将结构模型化。桅杆围板和横隔板上 纵、横构件及甲板、舱壁和舷侧上的肋骨框架、纵向构件框架的抗弯能力较 强，在载荷的作用下会产生弯曲变形，同时产生轴向变形和扭转变形，但弯 曲变形是主要的，可以处理为空间梁单元。对于甲板、围板和横隔板等，受 到内外载荷的作用，主要承受弯曲应力，可以采用壳单元。除了上述的2 种 单元外，还必须考虑桅杆的另外一种受力状况，即桅杆上的各种设备。这些 设备的特点是质量比较集中并固定在桅杆的某一位置上，根据计算对比可看 出，它们对计算结果的影响还是比较大的，故处理为质量单元。 综上，模型需采用的单元类型有b e a m 梁单元；m a s s 质量单元；s h e l l 板壳单元。具体的操作是：在p r e p r o c e s s o r 模块中e l e m e n tt y p e 菜单下，添加 ( a d d ) b e a m l8 8 、s h e l l l 8 1 、s h e l l 9 9 、m a s s 2 1 四个单元。 2 1 3 定义实常数和材料参数 单元的实常数包括横截面积，板厚等。选择p r e p r o c e s s o r - r e a l c o n s t a n t s a d d 命令，就可以设置s h e l l 9 9 的复合材料板厚、s h e l l l 8 1 的钢 板厚和m a s s 2 1 的质量大小。有的单元却并不存在实常数，如这里用到的 b e n 18 8 单元，但需要定义横截面形状，选择p r e p r o c e s s o r - s e c t i o n s b e a m 命 令，可定义图纸中标注的t 型材、角钢，如有球扁钢，则按等刚度原则换算 成角钢，因为有限元软件中没有球扁钢的横截面形状。 材料参数是描述材料特性的量，如杨氏模量e ，泊松比p ，密度等。该 综合集成桅杆的底部和甲板部分是钢质材料，杨氏模量为2 e l l ，泊松比为0 3 ， 密度为7 8 0 0 。选用的命令是p r e p r o c e s s o r - m a t e r i a lp r o p s ，出现的对话框中，在 e x 栏填上2 e 1 1 ，在n u x y 栏填上o 3 ，d e n s 栏填上7 8 0 0 。而综合集成桅 杆上部的外板、骨材、内隔板是复合材料。复合材料的结构形式及材料参数 为图2 3 所示。 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 表2 1 泡沫芯材材料参数 密度 9c k g m 3 6 6 ( y c bm p ao 7 平压 e cm p a1 6 0 fb纵向o 2 8 0 c m 口a 横向 o 1 7 剪切 g 。纵向 2 4 5 m p a 横向 1 6 2 表2 2 玻璃钢蒙皮材料参数 数据 单位 经向纬向 拉伸强度 m p a1 8 01 6 0 拉伸模量 g p a121 0 洎松比 o 1 5o 1 3 压缩强度 m p a1 7 01 4 0 压缩模量 g p a1 21 0、 弯曲强度 、m p a 2 4 02 2 0 、 弯曲模量 m p a 1 1 9 平面剪切强度 m p a 5 5 平面剪切模亮 g p a 2 5 密度 k g m 3 1 7 5 0 图2 3 复合材料结构形式 玻璃钢蒙皮泡沫芯材 ， 、-y -， ， ， ，1， 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位沦文 2 2 几种边界条件处理方法 桅杆振动分析主要是指计算桅杆结构无阻尼自由振动的模态，即求出各 谐调振动的固有频率和固有振型。模态分析是对结构进行动力分析的起点， 是进行其他设计的重要依据。采用有限元法对结构进行模态计算，就是要解 无阻尼系统经典的广义特征值方程： k p ) = x m ( p 】 ( 2 1 ) 其中 k 为刚度矩阵，( 妒j 为固有振型的特征向量， m 为质量矩阵， = 出2 为固有频率。 在用有限元法进行分析计算的过程中，必须根据结构实际的边界位移约 束条件，对基本方程进行处理，然后方能求解。 2 2 1 模态分析 按规范g j b 4 0 0 0 - 2 0 0 0 对桅杆自由振动分析模型的边界条件规定为：在 桅杆模型中加入舱段部分，甲板取到桅杆安装甲板的下一层，甲板板架长度 取三个舱段，除桅杆本身所在的那个舱段外，在其前后向外各延伸一个舱段， 舱段两端取为刚性固定。参照此规范，综合集成桅杆将这种边界条件取法定 为边界，边界条件一下的模型如图2 4 。 n 图2 4 边界条件一下的模型 哈尔滨工程火学硕士学位论文 边界条件二：模型中，将船舶主体对桅杆的作用简化为刚性固定，适当 考虑上层建筑的约束，将上层建筑处的水平约束设为刚性，垂直方向不加约 束。此时的模型见图2 5 。 a l t 图2 5 边界条件二下的模型 边界条件三：模型中，将船舶主体部分对桅杆的作用简化为简支，上层 建筑对桅杆的约束同边界条件二此时的模型见图2 6 。 回匝 图2 6 边界条件三下的模型 边界条件四：模型中，将船主体部分对桅杆的作用视为刚性固定，忽略 罐鼹属 1 崩鲎 哈尔滨_ j 程大学硕士学值论文 上层建筑对桅杆的约束，此时的模型见图27 。 盆匝 图2 7 边界条件四下的模型 用有限元软件对以上四种边界条件下的模型进行模态分析，此时提取频 率和振型的数目应适当的设置的多一些，因提取的频率和振型里包含许多局 部振动，取的数目太少可能无法找到总振动的模态。在后处理模块中可容易 的查取桅杆横向和纵向总体振动的固有频率和振型。所有相关的频率值见表 2 3 ，其中误差是相对边界条件一下的模型的值。 表2 3 固有频率值 边界条件一边界条件二模边界条件三模边界条件四模 模型型 型刑 频率值( t z )频率值误差频率值误差频率值误差 ( h z )( )( i z )( )( h z )( ) 横向一阶 90 2 294 4 546 99 329 78 5 9 9 46 9 纵向一阶 1 3 1 2 81 3 6 3 23 8 41 2 8 6 120 3 1 25 8 54 1 2 1露强蛆飘甄瓣 哈尔滨工程大学硕士学位论文 边界条件一下的模型的振型见图2 8 ，2 9 。 图28 横向一阶振动罔29 纵向一阶振动 边界条件二下的模型的振型见圈21 0 图2 1 0 横向一阶振动图2 1 1 纵向一阶振动 ：_屋曩焉 ；一 一 l取理撬嚣霜匝盛埋爨疆匝盛骷畦靛_髅f妊瞄雹端毋瞰群瞄眺瞄匿 堕垒鎏；! 堡奎兰堡圭兰堡垒圣 边界条件三下的模型的振型见图2 1 2 ，21 3 。 图2 1 2 横向一阶振动图2 1 3 纵向阶振动 边界条件网下的模型的振型见图21 4 ，21 5 。 蹦2 1 4 横唰一阶振明酗2 1 5 纵h 一阶振砌 ；一罐睦雕鼍厝敷雕舰群暇懿黪 ，c 淼 鞋p甏鞋睡隧髓璧r鬣 哈尔滨：j ：程大学硕卜学位论文 2 2 1 结果分析 ( 1 ) 经过比较，边界条件二中将综合集成桅杆底部约束简化为刚性固定， 并将上层建筑处的水平约束设为刚性固定，和边界条件三中将综合集成桅杆 底部边界简化为简支，并将上层建筑处的水平约束设为刚性固定，有限元模 型的横向一阶频率值和纵向一阶频率值的误差都超出2 ，故将综合集成桅 杆下甲板及其结构的约束作用简化为刚性固定或者简支，振动分析的结果误 差较大，不能满足工程精度需求。经分析原因为，船体不可能是绝对刚性的， 而是具有一定刚度的结构，它对桅杆的作用相当于弹性支持。尽管如此，边 界条件二和三的模型比按规范取边界的模型简单了许多，频率值的误差都在 5 以内，如果在设计初期，了解了这些约束的影响规律，可用这些边界条件 处理方法近似估算桅杆的固有频率，作为设计初期的参考值。 ， ( 2 ) 边界条件二和边界条件四的区别在于是否考虑上层建筑对综合集成 桅杆的约束，比较边界条件二和边界条件四的频率值，前者更接近于标准值， 后者误差值比前者大的较多，由此可知，在进行边界条件简化时上层建筑的 影响还是不可忽略的，要根据实际加适当的约束。 2 3 边界条件简化的进一步探讨 因为桅杆具有细长的特点，所以可将其视为梁，桅杆的底部固定在甲板 上，可认为是一根梁固定在弹性边界上，桅杆振动的力学模型可用图2 1 6 来 描述。 图2 1 6 桅杆振动的力学模型 t k 。为水平刚度系数，乞为垂向刚度系数，k 。为旋转刚度系数。当k 。、k ：、 k 。为无穷大时，即为刚性固定端，上节已对这种边界的模型进行了振动计算， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 因其不能准确的模拟船体对桅杆的作用效果，所得的结果误差偏大，没有工 程实用性。若采用合适的力学理论将桅下船体的各方向的刚度系数确定下来， 用具有这些刚度系数的弹性约束来模拟实际边界，则可大大简化建模工作量， 节省分析时间。 仍以上文综合集成桅杆桅杆为研究对象，该桅杆固定在甲板板架的横梁 与纵桁交点处，水平方向的约束假设为刚性是可行的，需要求取的是垂向刚 度系数和旋转刚度系数。 2 ，3 1 垂向刚度系数的计算 取出桅杆所在舱段的甲板板架，桅杆对甲板的作用化为一个垂直作用在 取出桅杆所在舱段的甲板板架，桅杆对甲板的作用化为一个垂直作用在桅杆 固定处的集中力p ，主向梁端部加简支，交叉梁端部加刚性固定。 用结构力学的知识，解交叉梁系，如图2 1 7 ，求得集中力作用点处的挠 度w p ，该挠度一定是p 的表达式：w p2 a ：p ，a ：就是桅杆下端的垂向柔度 系数，它的倒数就是刚度系数k ：，具体求解过程如下： 兀0 8 m 一 产叫 p 1 2 “ 图2 17 一 ，r 图2 1 8 横梁和纵桁都是t 型材，如图2 1 8 ，尺寸为淼，e = 2 l 0 1 1 p a 。 1 9 哈尔滨- n t 大学硕十学何论文 由t 型材的尺寸可求得横梁的剖面要素为： z 。= 0 1 7 4 5 8 2 m ， a = 0 0 1 1 9 5m 2 ，i o = 0 4 5 7 1 0 3m 4 。 对纵桁，带板宽度按下式来取：b 。= m i n ( b ，) = 2 3 3 3 m ，所以包括带板在 o 内的纵桁剖面如图2 1 9 ，带板厚度t = 0 0 1 2 m ，材料弹性模量e = 2 x 1 0 1 1p a 形心z 向坐标为 z c =q ：旦! 1 2 1 兰q ：! z 兰! ! 兰兰：! ! ! 兰q ：q ! 兰兰竺：! 竺鱼：o 4 7 m 2 3 3 3 0 0 1 2 + 0 0 l1 9 5 惯性矩为i = 1 9 4 4 1 0 。3m 4 设主向梁的挠曲譬方程为w ( y ) = 彳s i nn z y ，所以c - ：c ：c ，2 s i n 孚： s i n z y _ 塑，l ：s i nr t y - - - ，- 3 - 3 ，y 1 ，) ，2 ，y 3 是节点位置的坐标，如图2 2 0 。将 y 1 = 2 9 2 m ，y 2 = 7 m ，y 3 = 1 1 0 8 m 代入比例式中得c 1 ：c 2 ：c 3 = o 6 1 ：1 ：0 6 1 。 2 3 3 3 图2 1 9 y y 1 y 2 y 3 图2 2 0 y y ：，c ， y ；2 压2 百2 赢埚”y 2 2 c 2 7 2 3 c 3 1 3 ) 其中，i ，j 为交叉梁即纵桁的编号。桅杆坐落在第二根纵桁上，所以此 处j = 2 。7 j i 为主向梁上节点反力r 在第j 个节点处的节点挠度影响系数，它 2 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 可通过查弯曲要素表获得： 矿丢降小学- 萼 + i l 乃( 罕 3 将参数值代入上式可得： 厂2 12 0 0 1 2 3 ；厂2 2 2 0 0 2 0 8 ；儿3 2 0 0 1 2 3 将以上系数和式子c l ：c 2 ：c 3 = o 6 1 ：1 ：0 6 1 及，1 = ，2 = ，3 代入以，得： 龙= 0 0 3 5 8 暇舭茜吐6 5 2 舢w m ；孰专厮- o i 眇 则板架可简化为一根坐落在弹性基础上的纵桁，弹性基础的刚度系数为 k = 4 6 5 2 1 05 n m ，如图2 2 1 。 k x 图2 2 1 查弹性基础梁的弯曲要素表得w ( o ) = 考嘉刁。 ) 所以要求的垂向冈躲数为k 2 _ 石12 器- 4 6 3 3 1 0 7n m 2 3 2 旋转刚度系数的计算 综合集成桅杆的固定位置如图2 2 2 所示，桅杆处于横梁和纵桁之上，将 桅杆从底端截开，并在断开处加上弯矩m ，简化出计算旋转刚度系数的力学 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 模型，如图22 3 ，两端自由支持，受一弯矩作用的横梁( 纵桁) 。 工 图2 2 2 综合集成桅杆处于横梁和纵桁之上 卜二一 f 盐 卜+ _ 图2 2 3 由材料力学的知识可知，m 作用点处的转角是 口= 盖( 肌3 6 2 刚性系数为k 2 石12 五6 j e 驴l = f ， 横向刚度系数：l w = 1 4 m ，a - b l = 7 m ，e = 2 x 1 0 “p a ，i = 0 4 5 7 1 0 。3 m 4 = 7 8 3 4 x 1 0 7 n m r a d 纵向刚度系数：l a = 1 6 m ，a 2 - - b2 = s i n ，e = 2 x 1 0 ”p a ，i = 0 4 5 7 x 1 0 。聃4 ， l 弁尔滨工程人学硕k 学位论文 所以女m = 9 1 4 x 1 0 7 n m r a d 233 模态计算及结果分析 计算h 了所需的刚度系数后，边界条件就可确定了，设为边界五，具体 是：综合集成桅杆底部水平方向约束设为刚性，垂直方向为剐度系数是 k2 _ 2 1 5 2 1 07 n m 的弹性支座，横向和纵向分别有刚度为t 横2 7 8 3 4 x 1 07 n m r a d 和t 搠= 91 4 i 0 7 n m r a d 的旋转约束，适当考虑上层建筑的 约束，将上层建筑处的水平约束设为刚性是可行的，垂直方向不加约束。由 此得到的有限元模型如图22 4 。 图22 4 边界条件五的模型 用有限元软件对模型进行模态分析，结果见表2 4 表2 4 固有频率值 边界条件一下的模型边界五下的模型 频率值( l z )频率值( h z )误差( ) 横向一阶振动 9 0 2 29 1 61 5 2 纵向一阶振动 1 3 1 2 81 2 9 1 81 6 囊目羼藤麟黪麟鳍 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 边界条件五下的模型的振型如图22 5 、2 2 6 。 结果分析：按上文的简化方法，将边界条件简化为弹性约束，计算得到 的综合集成桅杆频率值与按规范的边界条件计算的桅杆频率值相比，横向和 纵向一阶振动频率的结果误差较小，均在2 以内，可以满足工程实际的需 要。 图2 2 5 横向一阶振动图2 2 6 纵向一阶振动 24 不同根部支持下的边界简化 2 4 1 理论计算 综合集成桅杆固定在甲板上，底端的支持形式归纳起来有四种：一是由 横舱壁和纵舱壁荚同支持，如图2 2 7 所示；二是横( 纵) 舱壁和纵桁( 横