有限波分析法及其在船舶推進(jìn)軸系與船體結(jié)構(gòu)振動分析中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著造船技術(shù)的發(fā)展，為改善并提高船員在船上的舒適度和適居性，國際海事組織(IMO)對船舶及各艙室內(nèi)振動和噪聲控制的要求日趨嚴(yán)格。減振降噪作為綠色造船技術(shù)的重要組成部分越發(fā)引起人們的重視。因此，研究結(jié)構(gòu)聲在船舶結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律，以便在船舶或海洋平臺設(shè)計、建造初期就選取適當(dāng)措施阻抑結(jié)構(gòu)聲的傳遞具有重要的理論價值和工程應(yīng)用前景。
　　本文在動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法思想的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元法和波分析法各自的特點(diǎn)，提出“有限波”分析法，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)動力

2、學(xué)分析方法。該方法根據(jù)介質(zhì)連續(xù)性對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限模塊離散計算處理，并通過坐標(biāo)變換，結(jié)合各有限模塊邊界條件將各離散計算單元局部坐標(biāo)系下結(jié)構(gòu)聲振動波位移響應(yīng)方程進(jìn)行擴(kuò)階，得到該船舶結(jié)構(gòu)在總坐標(biāo)系下結(jié)構(gòu)聲振動位移響應(yīng)的總波動方程。通過方程解耦和矩陣變換，求解出結(jié)構(gòu)聲波動位移響應(yīng)，進(jìn)而獲得該系統(tǒng)中的能量分布。該方法在結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題求解中既克服了有限元法高頻計算不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，也解決了傳統(tǒng)波分析法難以分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局限性。
　　全文圍繞著基

3、于有限波分析法研究結(jié)構(gòu)聲在船舶結(jié)構(gòu)中傳遞規(guī)律這根主線，采取從有限波解析公式到常見船舶結(jié)構(gòu)離散數(shù)值建模、再到艙室模型試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)船中有限波分析法應(yīng)用的研究路線。首先系統(tǒng)地闡述了有限波分析法的基本原理;然后利用該方法對結(jié)構(gòu)聲在船舶或海洋平臺上常見的桿梁、板梁、推進(jìn)軸系及加筋板結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律進(jìn)行研究;并在此基礎(chǔ)上通過船舶機(jī)艙段艙室模型數(shù)值計算和試驗(yàn)測量進(jìn)行比對，驗(yàn)證了有限波分析法研究結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律的正確性和可行性。最后，應(yīng)用有限波分析法解決

4、了某科考船艉部振動、某大型LNG船多推進(jìn)系統(tǒng)軸系校中計算等實(shí)際問題。本文的研究工作有如下幾個方面:
　　(1)從結(jié)構(gòu)離散、波動表達(dá)、邊界條件及本構(gòu)關(guān)系、有限波方程求解等四個方面系統(tǒng)地介紹了有限波分析法基本原理及操作步驟，明確了該方法特點(diǎn)及適用范圍。通過與有限元法詳細(xì)比較發(fā)現(xiàn):根據(jù)有限波分析法介質(zhì)連續(xù)性離散原則對分析對象進(jìn)行離散處理，不但可以極大減少計算單元數(shù)，提高運(yùn)算速度，而且可以避免有限元法在分析高頻域結(jié)構(gòu)聲傳遞過程中，因邊界條

5、件變化而導(dǎo)致誤差增大的局限性。通過定義廣義坐標(biāo)系下有限波分析法位移表達(dá)式，引入波動基函數(shù)，有效解決了波動位移解高頻振蕩問題。同時，引入輸入點(diǎn)阻抗分析對外部激勵力處理，建立了多種結(jié)構(gòu)外部激勵力作用下強(qiáng)迫振動分析計算的新方法。
　　(2)采用有限波分析法分別對桿、梁、板及其組合等船舶常見結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律進(jìn)行理論推導(dǎo)及數(shù)值分析。根據(jù)有限波分析法介質(zhì)連續(xù)性離散原則及各類簡單結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將其離散成各類子結(jié)構(gòu)，并在其上建立局部坐標(biāo)系。利用

6、有限波位移表達(dá)原理寫出各局部坐標(biāo)系下各子結(jié)構(gòu)中波動位移的表達(dá)式。采取坐標(biāo)變換建立各局部坐標(biāo)系下各子結(jié)構(gòu)間波動位移的相互關(guān)系，并通過結(jié)構(gòu)邊界的連續(xù)性及平衡條件求得該系統(tǒng)在整體坐標(biāo)系下全局有限波總方程，進(jìn)而求解獲得該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)位移場及能量場的分布。
　　通過對桁架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)等典型船舶結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)波傳遞隨不同參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計算，研究發(fā)現(xiàn):雖然阻波元件對結(jié)構(gòu)波能量在理想半無限結(jié)構(gòu)中的傳遞有很好的抑制作用，但是在有限尺度及確定邊界約束

7、的結(jié)構(gòu)中，由于邊界反射的影響和阻波元件的“雙向阻抑”作用，其造成的插入損失并不會隨頻率增大而增大，而只是在高頻區(qū)域趨于一個穩(wěn)定值。也就是說，阻波元件對結(jié)構(gòu)波能量傳遞的抑制在有限結(jié)構(gòu)中受到駐波的限制不能達(dá)到其在理想半無限結(jié)構(gòu)中的效果，其主要作用還是表現(xiàn)在使得共振頻率發(fā)生偏移上。有限波分析法分析結(jié)構(gòu)聲在有限長結(jié)構(gòu)中傳遞規(guī)律是適用的，駐波對結(jié)構(gòu)聲的影響比阻振質(zhì)量的影響要大。阻振質(zhì)量的存在僅改變結(jié)構(gòu)振動模式和能量分布，避免其發(fā)生共振。
　

8、　(3)根據(jù)船舶推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)，將其分解為軸段連續(xù)子系統(tǒng)和主機(jī)離散子系統(tǒng)兩部分。分別采用有限波分析法和多體動力學(xué)法對其建模，獲得連續(xù)子方程和離散子方程。并通過兩子系統(tǒng)連接處的邊界條件求得推進(jìn)軸系振動位移的全局方程，從而計算獲得整個軸系的位移及應(yīng)力分布。在理論推導(dǎo)研究過程中，不但考慮了軸系橫向振動、縱向振動及扭轉(zhuǎn)振動相互耦合的關(guān)系，而且對結(jié)構(gòu)聲在Z型推進(jìn)系統(tǒng)中的傳遞規(guī)律進(jìn)行深入的研究。同時，考慮嚙合齒面油膜剛度等因素影響改進(jìn)了推進(jìn)軸系振動數(shù)

9、值計算模型?；谟邢薏ǚ治龇▽鹘y(tǒng)軸系數(shù)值計算模型和理論方法進(jìn)行改進(jìn)，并通過數(shù)艘實(shí)船推進(jìn)軸系數(shù)值計算驗(yàn)證該新理論方法及改進(jìn)模型的優(yōu)勢。
　　通過理論推導(dǎo)研究及數(shù)值計算發(fā)現(xiàn):采用有限波分析法避免了傳統(tǒng)遷移矩陣法在分析復(fù)雜分支軸系振動過程中，因分支結(jié)點(diǎn)位移為零而導(dǎo)致的“丟根”現(xiàn)象。并以某挖泥船帶復(fù)雜分支推進(jìn)軸系為例，對其挖泥工況下推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行數(shù)值分析和計算。另外，通過考慮減速齒輪箱嚙合齒面間油膜剛度，改進(jìn)了軸系振動模型。并對某

10、LNG船推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行分析，由數(shù)值計算結(jié)果得出隨著齒輪箱齒面間油膜剛度的增加，推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力峰值向低轉(zhuǎn)速區(qū)域偏移的重要結(jié)論，并為船舶軸系轉(zhuǎn)速禁區(qū)劃分提供了重要參考價值。通過對推進(jìn)軸系進(jìn)行耦合振動分析發(fā)現(xiàn):與縱—彎耦合振動相比，彎—扭耦合振動引起的軸截面的合成應(yīng)力值遠(yuǎn)大于軸系材料許用應(yīng)力值，從而導(dǎo)致軸系該部位斷裂。同時，耦合振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力會引起推進(jìn)軸系相應(yīng)截面產(chǎn)生應(yīng)力疲勞而導(dǎo)致斷軸事故。
　　(4)通過將加筋板上每塊離散

11、計算板在單元局部坐標(biāo)系下結(jié)構(gòu)聲振動位移響應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到整塊加筋板結(jié)構(gòu)計算單元局部整體坐標(biāo)系下結(jié)構(gòu)聲振動位移響應(yīng)。再進(jìn)一步通過坐標(biāo)變換，獲得整個加筋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在總坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)聲位移響應(yīng)，從而得到整個加筋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的能量分布。同時，通過在艉軸前軸承處隔艙艙壁及中間軸軸承支撐處建立的結(jié)構(gòu)聲在推進(jìn)軸系與船體底板間的傳遞模型，改進(jìn)了全船強(qiáng)迫振動計算模型。在此基礎(chǔ)上，針對某科學(xué)考察船艉部振動事故，采用有限波分析法對該船船體艉部進(jìn)行數(shù)值計算

12、，得到該船船體艉部固有頻率與螺旋槳激振頻率過于接近，兩者產(chǎn)生共振的結(jié)論。并且通過實(shí)船測量結(jié)果驗(yàn)證了基于有限波分析法對結(jié)構(gòu)聲在該船加筋板結(jié)構(gòu)中傳遞規(guī)律理論計算的正確性。同時，對該船艉部部分板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的振動響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報計算。
　　(5)通過艙室模型相似試驗(yàn)，分別對船舶機(jī)艙段板梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行沖擊試驗(yàn)和掃頻強(qiáng)迫振動試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)聲基于有限波分析法在板梁結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律研究的正確性。通過數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)測量結(jié)果

13、很好驗(yàn)證了有限波分析法理論數(shù)值計算結(jié)果，證明了有限波分析法研究結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律的正確性和可行性;在低頻域范圍內(nèi)，有限波分析法及有限元法數(shù)值計算結(jié)果在低頻域范圍內(nèi)與艙室模型結(jié)構(gòu)聲測量結(jié)果較為接近;在中高頻域內(nèi)，有限波分析法數(shù)值計算結(jié)果更接近試驗(yàn)測試結(jié)果，從而體現(xiàn)出有限波分析法在中高頻域結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律研究及應(yīng)用的優(yōu)越性。同時，通過分析各頻域內(nèi)結(jié)構(gòu)聲傳遞過程中誤差產(chǎn)生原因，為將來改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證手段指明了方向。
　　(6)將有限波分析法與遷移

14、矩陣法相結(jié)合，建立了有限波位移響應(yīng)下的遷移矩陣方程。在考慮船舶艉部復(fù)雜流場水動力、船體變形等動態(tài)因素對船舶軸系校中的影響的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了軸系校中數(shù)值計算模型。考慮螺旋槳水動力影響下，對某采用雙推進(jìn)系統(tǒng)大型LNG船進(jìn)行動態(tài)軸系校中計算。數(shù)值計算結(jié)果表明:受螺旋槳水動力的影響，僅對船舶推進(jìn)軸系進(jìn)行傳統(tǒng)的垂直方向軸系校中計算是不合理的，必須同時對船舶推進(jìn)軸系進(jìn)行水平方向軸系校中計算，以避免螺旋槳軸艉軸承處因不良的軸系校中計算產(chǎn)生軸承磨損或燒瓦