船体板梁组合结构频率禁区动力优化研究

【摘要】：船体振动(无论是船体总振动还是局部振动)会引起乘员不适,影响设备仪表正常工作,并引起结构构件的交变应力,加速结构的疲劳损伤。船舶机舱和上层建筑是船员的工作区和生活区,因此,设计人员需要在船舶设计阶段预先计算各甲板的固有特性,以判别振动固有频率是否满足频率储备要求(局部结构的固有频率与激励频率之比小于0.7或大于1.3)。如果局部结构振动的固有频率满足频率储备要求,则认为可避免共振现象的发生,不至于发生有害振动。可见,准确预报各甲板的局部振动固有特性具有重要意义。在准确预报各甲板的局部振动固有特性的基础上,如何合理的设计各部分结构,以错开频率禁区、避免共振发生,又是一个至关重要的问题。以往对结构的动力设计都是凭经验,采用试凑的方法进行的,这种方法费时、费力,还不一定能找到最佳方案。本文提出船体板梁组合结构频率禁区动力优化设计的方法,从动力学的角度找到了结构避开频率禁区的最优解,节省了设计时间、节约了造船成本。 在攻读硕士学位期间主要研究工作如下: 首先,应用Mindlin假设条件下构造的四节点任意四边形板 (壳) 单元,和二节点十二个自由度的空间梁单元,构造了板梁组合结构计算模型。将各甲板结构离散成板梁组合结构模型能真实的反映实际结构的特点,固有特性的计算结果更准确。本文重点研究了板梁组合结构中梁的惯性矩的取法问题,提出了一种新的、更实用的梁单元。编制该梁元剖面几何特性计算及板梁组合结构模型的固有特性计算的Fortran语言程序。 其次,对板梁组合结构震动特性进行敏感性分析。结构的动力敏感性分析是结构动力学的重要研究内容,它对结构的动力优化、结构修改和参数识别都有重要的应用。本文应用差分敏感性分析的方法对结构物理参数进行分析,通过前面对梁单元的讨论,将计算模型中敏感性分析的参数缩小为仅讨论板单元的厚度t_p和梁单元的惯性矩I_y。本文通过对结构物理参数的敏感性分析,得出各参数中敏感性比较高的单元,为结构动力优化修改提供依据。 最后,对板梁组合结构进行动力优化。板梁组合结构模型敏感性分析为结构动力优化修改提供了依据。按照敏感性分析结果,对板单元、梁单元的物理参数进行修改,再结合静力、工艺等多方面的要求确定出避开频率禁区的合理的结构物理参数;同时也可以考虑可行的边界条件或集中、分布质量情况来使结构避开频率禁区,完成动力优化的过程。