（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体结构强迫振动虚拟测试技术研究.pdf

s u p e r v is o r ：p r o f r e nh u il o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a la r c h i t e c t u r e a n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：j a n u a r y2 01 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 违，0 鼹 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、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 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扎。i 作者( 签字) ：黪 日期：为f 汐年，月，日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 劫在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编 作者( 签字) ：缘参j 导师( 签字) ： 日期：功( d 年f 月f 日 矿f 夕年r 月i ，日 i 哈尔滨t 稃大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t h u l lv i b r a t i o nw o u l dh a v ea d v e r s ee f f e c t so ns h i pe q u i p m e n t s ，a n da sw e l la s t h ec o m f o r to ft h ep a s s e n g e r s ，w h i c hm a k e st h eh u l lv i b r a t i o nb e c o m eo n eo ft h e i s s u e sb e i n gc o n c e m e d a st h et r a d i t i o n a lm e t h o do fh u l lv i b r a t i o nt a k e sal o to f t i m e ，c o s ta n de n e r g y , t h ep r e c i s i o no fw h i c hi sa l s oa f f e c t e d i nr e c e n ty e a r s ，t h e a p p e a r a n c eo fv i r t u a lt e s tt e c h n i q u eb r o k et h r o u g ht h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lt e s t ， a n dp r o v i d e da ne f f e c t i v ew a yt o t e s ta n da n a l y z et h ee q u i p m e n t so rs y s t e m s w h i c hh a v ec o m p l e xs t r u c t u r e ，h i g hd i f f i c u l t ya n dc o s ti nt e s t i n gc o u r s e i nt h e p a p e r , v i r t u a lt e s tt e c h n i q u ef o rf o r c e dv i b r a t i o no f h u l ls t r u c t u r ew a ss t u d i e d , a n d t h em a i nw o r k sw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h em a i ne x c i t a t i o ns o u r c ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ei n t r o d u c e d ，w h i c h w o u l dc a u s et h es t e a d yv i b r a t i o n , a n dc l e a r l yg a v et h ec a l c u l m i o nm e t h o do ft h e e x c i t i n gf o r c e s ，a st h ee x t e r n a ll o a do ft h ev i r t u a lt e s t 2 p r o p o s e dam e t h o db ya p p l y i n gt h ef i n i t e e l e m e n td y n a m i ca n a l y s i st o c a l c u l a t et h ef o r c e dv i b r a t i o no fh u l l ，a n du s e da ne x a m p l et om a k et h et r a n s i e n t r e s p o n s ea n a l y s i s ，w h i c hv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dt ob ea p p l y i n gt o v i r t u a lt e s t i n g 3 e x p o u n d e dt h em e a n i n ga n dk e yp o i n t so f v i r t u a lt e s tt e c h n i q u e ，a c c o r d i n gt o t h e t e s t i n g m e t h o do fr e a l s h i pv i b r a t i o n ，d i s c u s s e dt h e b a s i ci d e aa n d i m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lt e s tt e c h n i q u eo ft h ef o r c e dv i b r a t i o no fh u l ls t r u c t u r e 4 a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lb l u ep r i n t ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ev i r t u a l t e s ts y s t e mw a sd e s i g n e d ，t h ek e yt e c h n i q u e st oc a r r yo u tv i r t u a lt e s tf o rf o r c e d v i b r a t i o no fh u l ls t r u c t u r ew e r ec o n f i r m e d ，a n db yp r o g r a m m i n g 谢t i lv i s u a lc + + a n do p e n g ls u c hav i r t u a lt e s ts y s t e mw a sd e v e l o p e d 5 av i l t u a lt e s tm o d e lo fa17 0 0 0d w t m u l t i - p u r p o s ec a r g ov e s s e lw a ss e tu p ， ， 、 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 论文的目的和意义一1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文主要研究内容7 第2 章船体强迫振动与有限元动力学分析9 2 1 概述9 2 2 船体强迫振动“9 2 2 1 附连水对船体振动的影响9 2 2 2 螺旋桨激励1 4 2 2 3 主机激励18 2 2 4 波浪激励2 2 2 3 有限元动力分析方法2 8 2 3 1 瞬态响应分析”2 8 2 3 2 频率响应分析3 2 2 3 3 有限元动力学分析实例3 6 2 4 本章小结3 8 第3 章船体强迫振动虚拟测试技术3 9 3 1 概述“3 9 3 2 虚拟测试技术的概念”3 9 3 - 3 虚拟测试技术方案研究4 2 3 4 振动虚拟测试技术平台选择及设计4 3 3 4 1 振动虚拟测试平台的选择4 3 3 4 2 虚拟测试平台的响应分析功能4 4 3 4 3 船体振动虚拟测试模型的建立4 4 3 5 本章小结“4 8 第4 章船体结构振动虚拟测试系统5 0 l 哈尔滨r 下程大学硕士学位论文 4 1 虚拟测试系统总体框架设计5 0 4 2 振动虚拟测试系统设计思想51 4 3 振动虚拟测试系统的使用以及功能介绍5 1 4 3 1 概述5 1 4 3 2 测点布置模块一5 2 4 3 3 内载定义模块5 4 4 3 4 外载定义模块5 6 4 3 5 数据处理模块一5 6 4 3 6 振动衡准及报告模块“5 7 4 4 本章小结5 9 第5 章船体强迫振动虚拟测试实例6 0 5 1 样船主要参数及激励源6 0 5 2 装载工况选取6 1 5 3 外界激励的确定6 2 5 3 1 螺旋桨激振力与测点布置6 2 5 3 2 主机激振力和力矩”6 4 5 4 虚拟测试结果6 5 5 4 1 螺旋桨激振力强迫振动结果6 5 5 4 2 主机不平衡力矩强迫振动结果6 8 5 5 结果分析7 0 5 5 1 结果误差分析7 0 5 5 2 振动评估报告7 l 5 6 本章小结7 1 结论“7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 9 致谢8 0 附录a 垂向振动附连水质量计算表8 l 附录b 水平振动附连水质量计算表8 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 论文的目的和意义 第1 章绪论 随着生产的现代化程度越来越高，精度的要求也就随之提高。虚拟测试 技术是应现代化生产的需要而生成的技术，其优点就是能弥补传统测试技术 的缺陷。而传统的测试技术需要专用仪器，其制作和维护的成本都很高，而 可测试的范围又往往很狭窄；此外，传统的测试仪器必须在产品的生产过程 结束之后才能开始测试，如果发现产品不合格，那么意味着因产品报费而带 来的损失已无法挽回。虚拟测试技术是当今计算机技术与测试技术相结合、 相渗透的产物【1 1 。在计算机及相应硬件环境中，引入虚拟仪器的开发平台， 可以用最快的速度设计、调试和开发实际用于传统制造或虚拟制造技术中的 测试系统，使工业制造过程中的测试、控制系统更加灵活，使制造过程更经 济、更高效。 船舶是一种漂浮在水面的大型结构物。船体是一种复杂的弹性结构物， 在船舶的营运过程中总会受到主机、螺旋桨、波浪等外界激振力的作用而产 生不同程度的振动甚至有害振动，从而对船舶结构强度产生破坏，对船舶的 正常运营、船员及乘客的舒适性等带来严重影响。因此，船体振动测试显得 尤其重要，通过振动测试可以确定船体和局部结构的振动特性和不良影响， 还可以确定船体振动的原因，以采取必要的改进措施和检验已有减振措施的 效果。 传统的船体振动测试技术需要借助精密复杂的仪器和严格的测试方法来 实现，测试过程还需要花费大量的时间、费用和精力，其制作和维护的成本 很高，精度也受到影响。此外，传统的测试技术必需在产品的生产过程结束 之后才能开始测试。计算机技术快速、密集的渗透和扩展以及各学科发展速 度的加快、相互交融，使“测试”技术快速的发展。虚拟测试技术是当今计 哈尔滨下程大学硕十学位论文 算机技术与测试技术相结合、相渗透的产物，应现代化生产的需要而生成的 技术，它的出现与发展为解决传统的船体振动测试技术所存在的困难提供了 一个契机。 在船舶的设计阶段和营运过程中，如果可以通过船体振动虚拟测试技术 较准确地测试船体结构振动的固有频率及响应，就可以指导生产，以便合适 地选择主机型号和螺旋桨叶数等，还可以提供相应的减振措施从而避免共振， 降低振动响应。因此，研究与开发船体振动虚拟测试技术具有非常大的经济 与社会意义。 1 2 国内外研究现状 目前，国内虚拟测试技术的发展主要集中在通用汽车以及军工产品领域。 同国外相比，虽然我国虚拟试验技术起步晚，但这些年有着很好的发展势头， 尤其是在汽车领域。随着计算机技术的迅速发展，虚拟样机技术在我国已经 成功地运用于汽车零部件优化、整车性能分析与评价、新技术开发、汽车制 造模拟及质量管理等领域。但国内外在振动虚拟测试技术研究方面的文献较 少，在船舶领域较为鲜见，且主要是进行实船振动试验或是船模振动试验阶 段的研究。 根据“虚拟测试的内涵、特点、应用和研究现状，将其分为三类： 1 、基于虚拟仪器的虚拟测试技术( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ； 2 、基于虚拟现实的虚拟测试技术( v l r t u a lr e a l i t y ) ； 3 、基于软件仿真的虚拟测试技术( v i r t u a lt e s t i n g ) 。 在基于虚拟仪器的虚拟测试技术方面。现在国内绝大部分文献资料上所 说的“虚拟测试技术”是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作，而国外文献 中此类测试一般直接称为“虚拟仪器”( 简称v i ) 。虚拟仪器是具有虚拟仪器 面板的个人计算机测量仪器。v i 是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成 的一种新型的、富有生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬 件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。v i 通 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，处理模块间通讯、定时、触 发等功能，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家 定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用 仪器。v i 的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式， v i 技术给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 v i 技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵 活，因此在科研开发、计检、测控等领域得到了广泛的应用，国内外都有大 量的v i 应用于各种场合的成功例子。但总的来说，我国在v i 的理论研究、 产品开发和实际应用方面，与国外先进水平还有一定的差距。 基于v i 的虚拟测试技术在国内外研究的很多，在航空、航天、车辆、机 械制造等领域应用很广泛。唐进元，吕文利，周长江，刘艳萍为改善机械传动性 能实验台的测试功能，基于l a b v i e w 软件平台和n i 公司的相应硬件，构建了 一种基于虚拟仪器的自动测试系统和测试方法，用来测试减速器在不同工况 下的传动效率及振动、噪声等，实测证明构建的系统正确、使用的技术方法可 行【2 】。刘玉梅、王庆年、魏传峰、翟乃斌、千承辉针对传统仪器在车辆性能 测试中存在的不足，将虚拟仪器技术引入到车辆性能测试中，开发了基于虚 拟仪器的车辆性能测试系统。通过采用p c - d a q 方案以及多传感器采集和数 据融，并配以p c 机平台和虚拟仪器软件，构建了可以对汽车排放、噪声、前 大灯、制动、悬架特性、底盘测功、转向操纵以及侧滑等性能进行测试的控 制仪器和系统。实车测试证明，该系统的测试结果准确、可靠 3 1 。童皖、张 金忠、胡易平、赵富全针对火炮结构复杂、待测参数较多的情况，研制一种 基于虚拟仪器的测试系统，突破了传统检测手段在数据测量、处理方面的限 制，使检测设备可以方便地通过软件升级实现功能扩展，有效地提高检测设 备的检测技术水准。实弹测试实验表明，系统软硬件能够满足火炮动态参数 测试要求【4 】。王春生、高振国将虚拟仪器技术、数据采集和角度测量显示等 技术相结合，通过数据采集和处理、圈形显示、数据保存等模块的软件设计， 开发了船拍横摇角自动测量和显示系统【引。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 在基于虚拟现实的虚拟测试技术方面。国内外部分文献资料上所说的“虚 拟测试技术”则是指借助于虚拟现实( 简称v r ) 技术来进行工程测试。虚拟现 实系统具有沉浸交互构想三个基本特征。以v r 技术创建的虚拟环 境，特别强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以 进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以 获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识，从而深化概念和建造新的 构想和创意。 基于v r 的虚拟测试技术具有很大的灵活性，因为它仅需通过修改软件 中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样， 随着任务的变化，己有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵 活、方便。在一些特殊的、环境受到限制的场合，通过虚拟的景象和声响就 可以模拟或复现测试现场和过程，据此展开的相应试验研究可以节省大量研 究经费，具有应用潜力和实际意义。 目前在国内主要是浙江大学在基于v r 的虚拟测试技术上开展探索性的 研究工作。岳瑞华、许化龙提出可以在测试系统研制之前对其进行仿真研究， 为测试系统的性能指标和研制方案的可行性论证提供依据，但对于如何实现 这一想法未作深入探讨。曲云霞、魏智、徐安平等对虚拟测试的理论体系与 系统技术、虚拟测试中的关键问题等做了一些探讨。韦素媛、宁超、刘春桐 等应用w w w 上的虚拟现实建模语言v r m l ，制作了可在i n t e m e t 上应用m 和n e t s c a p e 等普通浏览器进行交互操作的火工品感度虚拟仿真测试系统。该 虚拟仿真测试系统具有高度的真实效果，使操作人员如同在实地进行真正测 试一样，是v r 技术在万维网上的具体应用。黄庆成、车仁生等将v r 技术 应用于三坐标测量机，提出了三坐标测量机的一个新的发展方向一虚拟坐标 测量机( v i r t u a lc m m ，v c m m ) ，同时阐述了虚拟坐标测量机的概念、组成和 实现方法。虽然国内外己经有一些将v r 应用于测试领域的例子，如航天模 拟器、机器人遥操作、远程故障诊断等的开发研究工作中，都从特定的问题 出发，包含了测试分析的因素在内，但缺乏针对一般测试问题的虚拟测试技 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 术及其体系结构的研究。近年来国内外开始有这方面研究工作的报道，但多 针对具体对象展开，未发现针对一般测试问题的v r 专题研究工作报道。例 如，美国r o c k w e l l 科学中心( r s c ) 将计算机产生的三维物体、动画和文本叠 加到真实的物体上面用于对日常维护和错误检查提供指导。s o u t h w e s t e r n l o u i s i a n a 大学从1 9 9 5 年开始建造了一个虚拟环境测试台，可以借助于v r 技术对自治潜水器( a u v ) 进行实时测试和评估。m i t c h e l lm t s e n g 等人通过 v r 人机接口使用户或设计人员与虚拟原型发生交互，对其性能进行评估。 j u - y e o nj o 等利用v r 图形仿真环境，进行了面向机器人应用的敏捷制造软件 的虚拟测试。yd g o n g 将v r 技术应用于砂轮的磨削过程仿真和磨削表面粗 糙度的仿真研究。英国皇家空军为了培训f 3 型“狂风”双座双发超音速变后掠 翼战斗机学员，构建了基于w i n d o w sn t 操作系统的三个屏幕的仿真器，在 虚拟的非沉浸式“狂风”战斗机里面学员可以探索、体验并测试各航空舱。美 国联邦航空管理局与c l e m s o n 大学v r 实验室合作开发了一个用于飞机货舱 视觉检查的沉浸式v r 系统。 在基于软件仿真的虚拟测试技术方面。国外文献上所说的“虚拟测试”( 简 称v n 一般都指的是通过软件仿真的方法来对电子元器件尤其是集成电路 ( i c ) 芯片在早期开发阶段就进行测试。借助于虚拟测试技术，甚至在第一块 i c 芯片被生产出来之前，即可根据产品的规格和要求对其进行虚拟测试。其 目的是尽早发现产品电路设计中的错误，减少产品的开发周期，降低开发成 本。 目前，国内外在振动虚拟测试技术研究方面的文献较少。国内在车辆领 域研究应用较多，在船舶领域基本上还处于空白。 吴生玉、赵又群在虚拟样机环境下，通过建立车辆整车模型和输入输出 通道，完成车辆的振动模态测试，得到车辆模型的模态分布及频率响应函数 并分析了车辆的结构动态性能。同时证明利用虚拟样机技术进行模态测试的 可行性，为车辆设计研究提供有效的参考i l 引。 迟军结合基于v r 的车辆平顺性测试仿真项目的研制，以基于v r 的虚 哈尔滨二r 程大学硕十学位论文 拟测试系统为内容，以测试虚拟环境中车辆的车厢的振动为目标，比较深入 地研究了虚拟测试系统在该项目中的应用。 周占怀，茹秋牛在建立检测砌块成型机振动动力学模型和运动方程的基 础上，提出了砌块成型机振动的检测方法。采用虚拟仪器技术开发了砌块成 型机振动测试系统。该测试系统采用p c d a q 方案，在振动台上安置传感器， 配以p c 机平台和虚拟仪器软件，构建了可以测得振动加速度、振动位移、 上模压力及相应的振动波形的性能测试系统，为砌块成型机的综台评价及故 障诊断提供了依据。通过振动实测，证明测试系统准确、可靠【1 7 1 。 张玉华、蒋书波、程明霄、杨霞介绍了振动测试系统的结构、硬件平台， 以及软件设计中的关键技术。利用l a b v i e w 和硬件设各生成激励信号，采 集信号并进行处理分析。最后生成测试报告，完成测试仟务【埔】。 吴国新，许宝杰，朱春梅介绍了l a b v i e w 软件环境的原理方法和编程 特点，分析了振动测试系统的使用特征、各个功能模块的编程方法和实现技 术【1 9 】。 张志平构建了基于虚拟仪器的虚拟测试系统完成了汽车后桥振动和噪声 信号的采集、分析处n t 2 们。 曾立雄，叶家玮利用v b 编程语言和a c c e s s 数据库开发了船体振动评 价系统。该系统可直接输出三轴诺模图和振动评价报告，各测点振动评价的 表格、诺模图的查询具有可靠性和效率均较高的特点【4 9 】。这一成果可以为船 体振动虚拟测试技术的后期数据处理系统提供一个有价值的参考。 船体振动虚拟测试改变了传统测试方式，具有的优越性： l 、经济性 船体振动虚拟测试系统开放，并且价格低等，因而降低了成本，对船舶 的优化设计也具有现实意义，也为现役船舶的维修和管理提供了技术支持。 2 、高效性 船体振动虚拟测试是在计算机技术的基础上发展起来的，所以完全可以 调用功能超卓的分析软件( 如m s c p a t r a n 有限元软件进行结响应计算) ， 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 不断发展的i t 技术和越来越快的计算机运算速度使这一优势体现的更加明 显。 3 、扩展性 用v c + + 开发用户界面保证了软件的二次开发的特性，v c + + 可视为系统 的a p i ( 应用程序接口) ，可以在原来系统的基础上修改代码，实现新的功能。 4 、集成性 虚拟测试技术从本质上说是一个集成的软件，+ 随着产品在功能上不断地 趋于复杂，通常需要集成多个软件来完成测试需求，而连接和集成总是需要 耗费大量的时间，初步构想虚拟测试系统可以提供了标准的接口，可以实现 与其他软件的集成，降低了任务的复杂性。 1 3 本文主要研究内容 为提高船舶结构设计效率和缩短研制周期，在国家大力发展虚拟试验验 证技术的背景下，针对振动试验技术的研究现状，本文借鉴其它领域虚拟振 动试验的组织形式和实现方案，结合船舶工业的特点，进行了船体结构强迫 振动虚拟测试技术的研究，并在m f c 框架下开发了船体结构强迫振动虚拟 测试系统。 全文共分为五章，具体章节安排如下： 第一章绪论，介绍了课题的目的和意义，以及虚拟振动试验技术的国内 外研究现状； 第二章船体强迫振动与有限元动力分析，介绍了船体强迫振动的主要激 励源和影响因素，同时提出了运用有限元动力学分析来计算船体强迫振动的 方法，并用实船试验结果来验证了其可行性，为后续的强迫振动虚拟测试技 术的研究提供了理论依据； 第三章船体结构强迫振动虚拟测试技术，介绍了虚拟试验技术，在此基 础上，提出了船体强迫振动虚拟测试技术方案，并研究了实现虚拟测试需要 解决的关键技术； 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ：l l l l m 暑m 昌 第四章船体结构强迫振动虚拟测试系统，在前几章的研究基础上，设计、 开发了一个船体结构强迫振动虚拟测试系统，并介绍了该系统的功能及测试 方法； 第五章强迫振动虚拟测试实例，以某多用途货船为例，选取一定的载况， 利用测试系统对其进行强迫振动虚拟测试，并对测试结果进行对比和误差分 析。 最后，对全文进行了总结，并对下一步工作提出了展望。 8 哈尔滨t 程大学硕十学1 1 7 ：论文 第2 章船体强迫振动与有限元动力学分析 2 1 概述 船体振动研究的内容之一是计算引起船体振动的外界激振力，以及在已 知外界激振力作用下船体的响应，以掌握整个船体的振动特性。 引起船体产生稳态强迫振动的主要原因是螺旋桨和主机运转时所引起的 周期性的激振力，也是船体振动的主要振源。其他如汽轮机、发电机、电动 机、空气压缩机和各种泵等，也会产生一些激振力，但一般情况下，其数值 不大，只会引起局部结构的振动。此外波浪冲击、水下爆炸冲击波、火炮发 射时的后坐力和抛锚等引起的激振力是非周期性的，他们对船体的作用时间 短，只引起船体的衰减振动。 船体振动的分析方法很多，如能量法、迭代法、差分法、积分方程法、 迁移矩阵法和有限元方法等。从上个世纪六七十年代发展起来的有限元计算 方法与计算机技术，目前已经成为结构动力特性分析最有力的工具，该方法 同样广泛应用于船体总振动的模态和响应的计算方面。 鉴于本文的研究目的，本章介绍了船体强迫振动理论以及船体振动的有 限元动力分析方法。最后，以四角支撑平板为例，应用有限元软件 m s c p a t r a n n a s t r a n 进行了瞬态响应分析。 2 2 船体强迫振动 2 2 1 附连水对船体振动的影响 船舶在运动时，环绕在船体周围的水也处于运动状态，因而舷外水对船 体的振动产生很大的影响，能否准确的考虑这种附连水效应对总振动的计算 结果影响很大，它的影响可以分为以下三方面：重力影响、阻尼影响和惯性 影响。 9 哈尔滨丁程大学硕+ 学何论文 重力的影响可归结为漂浮于水中的船舶所受浮力的变化，这种浮力的变 化给船体以分布的反作用力，使船体就像置于连续弹性基础上的梁一样，可 简化为弹性支座，计入刚度阵中。在垂向振动时，这种影响较小一般可以不 计，而在水平振动和扭转振动时，这种影响是不存在的。 阻尼的影响可以分为两类：船体和流体摩擦所引起的阻尼，即摩擦阻尼； 构成表面波和流体内部压力波的能量损耗的阻尼，即兴波阻尼。一般来说， 由于阻尼对自由振动的影响很小，故可忽略不计：一但在计算共振区域内强迫 振动的振幅时，就必须要考虑阻尼的影响。但是这些阻尼力不易求得，而且 也难以与船体结构内阻尼分开，因此，常用方法是不单独考虑舷外水的阻尼 而将其与船体结构内阻尼一并考虑。 惯性的影响反映在参与船体振动的等效质量的改变。相当于有一部分舷 外水与船体一起振动，这部分舷外水的质量称为附连水质量，它具有与船体 的质量同阶甚至更大的量值，考虑了这些附连水的影响之后，船体总振动的 固有频率会有明显的降低。 如果从理论上深入分析舷外水的影响，需将船体周围水看作理想流体， 由船体振动而引起的流体运动通过速度势所满足的拉普拉斯方程、船体与 水的接触面与自由表面的条件求解和分析，由于求解的复杂性，虽然目前己 发展了相应的理论和方法，但是在船舶振动预报的实际处理中，大多数仍然 采用下面将要介绍的刘易斯方法。 1 船体在水中作垂向振动时，各计算剖面处单位长度上的附连水质量 1 m 口，( x ) = 口，k ，f c ，p r c b ： ( 2 1 ) 二 式中：p 水的密度； 口。浅水修正系数。浅水效应使垂向振动的附连水质量增大， 故该系数大于1 。系数与水深和水线半宽之比有关。其取 法见表2 1 所示。本文中取为1 ，认为不存在浅水效应。 k ，三维流动的无因次修正系数。该系数取决于船的长宽比 l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 l b 及振动的阶数f ，取值见表2 3 。 c ，取决于计算剖面形状及宽度与吃水比的垂向振动附连水 质量系数，见表2 2 。 f = 卫b ( 2 2 ) w d w r 。7 上式中：计算剖面的面积系数； 九各站的实际水线处半宽，m ； 屯各站的吃水，m ； e 各站的水线半个横剖面积，m 2 ，可由邦戎曲线查出。 表2 1 浅水修正系数q 和狭航道修正系数 h d b 。或 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 3 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 0 5 5 0 0 h ，d 。 风 1 5 3 01 3 6 01 2 5 01 1 4 01 0 7 01 0 1 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0 1 3 8 01 2 8 01 2 0 0 1 1 4 01 0 9 01 0 6 01 0 3 01 0 1 01 0 0 0 表2 2 垂向振动附连水质量系数e 、d 。 o 2o 40 6o 81 o1 21 41 61 82 o o 0 1 5 1 01 1 0 00 9 3 50 8 6 00 8 1 50 7 8 50 7 6 00 7 5 50 7 5 00 7 5 0 0 1 1 2 5 0 0 9 7 5 0 8 6 00 8 0 00 7 7 50 7 6 50 7 5 50 7 5 20 7 5 30 7 5 3 0 21 0 6 00 8 8 0 0 8 0 50 7 6 4 0 7 5 0 0 7 5 00 7 5 00 7 5 00 7 5 00 7 5 2 0 3 o 8 1 5o 8 1 50 7 6 00 7 5 00 7 5 00 7 5 50 7 6 00 7 7 00 7 7 50 7 9 0 0 4 0 8 0 00 7 4 00 7 5 00 7 5 00 7 6 50 7 7 00 7 7 50 7 8 00 8 0 00 8 0 1 o 50 7 4 0 0 7 6 0 0 7 6 5 0 7 7 40 7 8 50 7 9 00 8 0 00 8 1 60 8 2 50 8 3 l 0 60 7 0 0 0 7 8 80 8 0 20 8 1 50 8 3 00 8 4 20 8 5 20 8 6 50 8 7 50 8 8 0 0 70 8 6 0 0 8 8 00 8 9 50 9 0 50 9 1 50 9 2 00 9 2 50 9 3 30 9 4 00 9 4 2 0 81 0 3 5 1 0 3 51 0 3 21 0 3 01 0 2 51 0 2 01 0 2 01 0 1 81 0 1 51 0 1 0 0 91 3 2 0 1 2 7 01 2 4 01 2 0 01 1 8 51 1 6 21 1 5 01 1 3 01 1 2 0i 1 1 5 1 01 9 8 0 1 7 6 01 6 4 01 5 7 01 5 1 81 4 7 21 4 3 41 4 0 01 3 7 51 3 5 5 哈尔滨工程大学硕+ 学佗论文 2 船体梁水平振动时，各计算剖面处单位长度上的附连水质量 朋口 ( x ) = 虿1a h k c ，户万d ： ( 2 3 ) 式中：狭窄航道修正系数，取法见表2 1 ，本文中取为l ，认为不 。，存在狭窄航道效应。 瓦，三维流动无因次修正系数。该系数取决于船长与吃水比 l d 及振动的阶数f ，取值见表2 3 。 g 取决于计算剖面形状及宽度与吃水比的水平振动附连水 质量系数，见表2 4 。 定义同上。 表2 3 附连水质量三维修正系数厨 u b u d 一阶二阶 三阶四阶 50 7 0 00 6 2 4 0 5 5 l0 4 9 4 60 7 4 80 6 7 80 6 1 40 5 6 0 70 7 8 6o 7 1 9 o 6 6 10 6 1 1 8 o 8 1 50 7 5 60 6 9 80 6 5 3 90 8 3 90 7 8 40 7 3 30 6 8 7 1 00 8 5 80 8 0 80 7 5 9 o 7 1 6 1 10 8 7 40 8 2 80 7 8 20 7 4 2 1 20 8 8 80 8 4 50 8 0 20 7 6 3 1 3 0 8 9 90 8 5 90 8 2 00 7 8 3 1 40 9 0 90 8 7 00 8 3 50 8 0 3 1 50 9 1 70 8 8 30 8 4 8 0 8 1 8 2 0 0 9 4 7 0 9 2 00 8 9 50 8 7 6 2 50 9 6 80 9 4 40 9 2 50 9 0 9 3 00 9 8 0 0 9 5 8 0 9 4 0 0 9 2 4 3 50 9 8 70 9 6 70 9 5 00 9 3 4 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 表2 4 水平振动附连水质量系数g d w 0 2o 40 60 81 o1 21 41 61 82 0 j 卢 o 01 1 0 81 2 7 11 4 0 61 5 5 4 1 7 0 7 1 8 6 32 0 1 1 2 1 5 2 2 2 9 52 4 3 0 o i1 0 8 3 1 1 9 7 1 3 2 71 4 4 0 1 5 5 4 1 6 7 81 7 9 l1 9 1 22 0 3 62 1 3 4 0 21 0 6 l1 1 6 01 2 7 01 3 5 21 4 3 11 5 3 01 6 0 61 6 8 31 7 6 41 8 5 l 0 30 0 4 91 1 2 31 1 8 41 2 6 31 3 0 81 3 8 71 4 3 61 5 0 51 5 5 41 6 1 6 0 41 0 2 41 0 7 31 1 2 31 1 7 21 2 0 91 2 6 31 2 9 51 3 3 21 3 8 21 4 1 9 o 51 0 1 71 0 4 91 0 6 11 0 9 11 1 2 31 1 4 71 1 7 21 1 9 11 2 2 1 1 2 4 6 o 61 0 1 21 0 2 41 0 3 61 0 6 11 0 6 11 0 7 31 0 8 61 0 8 61 0 9 81 1 1 0 0 7 1 0 0 71 0 1 21 0 1 21 0 3 61 0 3 61 0 3 61 0 3 61 0 3 6 1 0 3 61 0 3 6 0 8 0 9 9 70 9 9 71 0 0 41 0 0 91 0 0 9 1 0 1 2 1 0 1 21 0 1 21 0 2 4 1 0 2 6 0 91 0 0 21 0 0 21 0 1 21 0 3 6 1 0 4 9 1 0 4 91 0 4 91 0 6 11 0 6 11 0 6 1 1 01 0 4 91 0 7 31 0 9 8 1 1 1 01 1 2 3 1 1 4 0 1 1 6 0 1 1 6 51 1 8 41 1 9 7 求得各剖面的附加水质量后，将沿船长各剖面上的附加水质量值用梯形 法或矩形法求积便可得出全船的附加水总质量。相对其它的一些方法，刘易 斯方法比较简单，只需要船体剖面的宽、吃水、水下面积等条件就可以通过 表格、图谱求得附连水质量。 垂向振动附连水质量计算表见附录a 。 水平振动附连水质量计算见附录b 。 附连水质量以集中质量点的形式按各站施加在水线以下船体外板上，如 图2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 z 、p 图2 1 附连水质量示意图 附连本质量点 2 2 2 螺旋桨激励 引起船体振动的振源是多种多样的，图2 2 表示出了船体的主要振源。 图2 2 船体主要振源不慈图 螺旋桨激振力可分成两类。第一类是螺旋桨回转时作用在它附近的船体 表面上的变动水压力，称为脉动压力，沿船体表面进行积分所得到的，称之 为表面力。第二类是作用于桨叶上的变动流体力所引起的激振力，它通过轴 系、轴承传给船体，所以称之为轴承力。 1 螺旋桨表面力的计算 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 对渔船、集装箱船和驱逐舰等尾部比较平坦、伴流比较均匀的平底型船 的研究表明，船底脉动压力和平板模型的试验结果一致。脉动压力的瞬时值 是在桨盘面上方前面o 0 5 0 1 d 处最大，前后左右相应减小，如图2 3 所示， 沿桨旋转方向各点脉动压力也存在相位差，脉动压力直接作用区面积约为螺 旋桨直径d 的平方。 一掬骧 图2 3 螺旋桨的表面力 脉动压力的大4 , n 与滑脱比、梢隙、转速、螺旋桨负荷、船底线型、桨 叶形状和桨叶数等许多因素有关，计及这些因素，高桥肇建议用下列近似公 式估算垂向表面力的单幅值 乓= 4 7 7 k k p o 詈虿b ( 2 - 4 ) 式中，s h p ：螺旋桨轴功率，k w 。 刀：轴转速，r m i r a d ：螺旋桨直径，m ； k ：与叶数和梢隙比c d 有关的系数： 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 k = 0 k = 0 k = 0 旦+ o 0 8 d c 二+ 0 0 3 2 d c 二0 0 0 3 d ( 三叶) ( 四叶) ( 五叶) k ：无因次系数，为梢隙比c d 、叶数z 与滑脱比s 的函数， 见图2 4 ，由图可知，滑脱比影响不大； b ：与螺旋桨上方船底形状有关的系数，称为固壁系数，取自图 2