一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，涉及船舶与海洋工程技术领域，该方法包括：将船舶结构简化为变截面的等值梁模型，并分段处理；构建考虑附连水质量的各分段梁的等效梁单元；基于各等效梁单元的弯曲波、纵波和扭转波振动控制方程推导得到各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵；将各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵投影到全局坐标系下，根据有限元刚度拼装思想对全局坐标系下的动刚度矩阵进行组装，形成船舶结构的整体动刚度矩阵；根据整体动刚度矩阵获取船舶结构总振动的固有频率及相应振型。本方法不仅能够实现大型船舶早期设计阶段振动情况的快速预报，还缩短了船体总振动设计周期。期。期。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程
，尤其是一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法。

技术介绍

[0002]大型船舶的低频振动不仅关系到乘员舒适性，还会引起船体结构疲劳和破坏，甚至引发安全性问题；研究表明：当船体发生共振时，产生的振动应力和最大振幅能超出振动规范要求的10倍以上，不仅会对船体结构和机器设备造成损坏，还会严重危害人的身体健康，而且总体共振一旦出现，补救和加强措施成本非常高。因此，在早期设计阶段就需要对船舶结构进行振动特性预报，准确掌握结构总振动的固有频率和振型，以避免全船整体性的低阶共振。
[0003]一方面，现有的总振动计算方法一般都没有考虑船体弯曲和扭转的耦合；另一方面船体总振动的三维有限元方法，需要耗费设计人员大量的精力进行繁琐的船体结构三维建模，复杂的船体三维有限元建模数量巨大，导致动力学计算也需要占用大量的内存进行数据处理，对计算机硬件要求较高，从而对船体总振动的估算需要花费较长的工时，常常不能满足时下紧迫有限的工程设计周期需求。随着船舶与海洋工程设计要求越来越高，在方案设计初期阶段船体参数信息并不完善的情况下，快速便捷、操作简单的船体总振动分析方法迫切的受到工程设计的需要。
[0004]关于梁结构的动刚度法，早在上世纪六七十年代就已经有学者开始了相关的研究工作，并逐渐形成计算程序，然而很少研究组合梁系结构或者是带集中质量的梁系结构。因此，本专利技术提出了一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，不仅考虑了船体梁振动的弯曲波、纵波、扭转波的影响，也考虑了附连水质量的影响，而且操作流程简单清晰，计算高效快捷，有很高的工程实用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，用于在早期设计阶段快速准确的预报船舶结构的总振情况。本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，包括如下步骤：
[0007]根据船舶结构质量分布、横剖面尺寸的变化情况将船舶结构简化为变截面的等值梁模型，并将梁模型分成若干段；
[0008]构建考虑附连水质量的各分段梁的等效梁单元；
[0009]构建各等效梁单元的弯曲波、纵波和扭转波振动控制方程，求解方程得到等效梁单元两端点处的广义力和广义位移的表达式，并推导得到各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵；
[0010]将各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵投影到全局坐标系下，根据有限元
刚度拼装思想对全局坐标系下的动刚度矩阵进行组装，形成船舶结构的整体动刚度矩阵；
[0011]根据船舶结构的整体动刚度矩阵，对船舶结构进行自由振动分析，获取船舶结构总振动的固有频率及相应振型。
[0012]其进一步的技术方案为，若等值梁模型存在超过设定阈值的集中质量，则在集中质量所在位置进行分段，并将集中质量视为加在此分段梁的端点节点位置；根据动刚度理论，建立局部坐标系下的集中质量单元，并推导得到附加有集中质量单元的各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵。
[0013]本专利技术的有益技术效果是：
[0014]1)本方法创新性的提出了在方案设计阶段船舶结构没有设计定型的情况下，仅仅根据船舶结构初步方案设计的尺寸、湿表面信息等参数，结合动刚度法和有限元刚度拼装思想就可以定量快速估算总振动固有频率及相应振型，为船舶结构的详细设计提供设计依据，为振动噪声指标分配提供数据支撑；
[0015]2)本方法综合考虑了船体梁振动的弯曲波、纵波、扭转波、附连水质量以及存在集中质量的影响，与传统的有限元建模方法相比，省去了有限元方法中的结构建模和仿真分析流程，省时省力，不仅缩短了船舶结构总振动设计周期，而且设计初期就可以定量设计从而摒弃了设计的盲目性，指导结构设计更具科学性和严谨性；
[0016]3)本方法还可以灵活选择不同振动阶数以及不同振动方向，从而形成不同振动阶数、不同振动方向的船舶结构的整体动刚度矩阵，并计算输出相应振动阶数下的计算结果，设计流程清晰、操作明确，具有很大的实用价值，可以大幅提高整个结构和声学设计的效率。
附图说明
[0017]图1是本申请提供的基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法流程图。
[0018]图2是本申请提供的船体分段梁示意图。
[0019]图3是本申请提供的梁
‑
集中质量示意图。
[0020]图4是本申请提供的等效梁单元端点位移和力的示意图。
[0021]图5是本申请提供的集中质量单元的力(力矩)和位移(转角)示意图。
[0022]图6是本申请提供的各等效梁单元在全局坐标系下的动刚度矩阵拼装示意图。
[0023]图7是本申请提供的某船舶结构总振动的前两阶弯曲振型曲线，其中：(a)为1阶垂向弯曲振动振型曲线，(b)为2阶垂向弯曲振动振型曲线。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。
[0025]如图1所示，本申请公开了一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，具体包括如下步骤：
[0026]步骤1：根据船舶结构(即设计的实船)质量分布、横剖面尺寸的变化情况将船舶结构简化为变截面的等值梁模型，并将梁模型分成若干段。
[0027]在该步骤中，每段梁的长度可以互不相同，但是每段梁均视为均匀截面、均匀密度、均匀刚度，如图2所示。根据分段的结果，获取各分段梁的几何和材料参数，主要包括：沿
船舶船长方向即x方向的各分段梁的长度、船舶横剖面即yz平面的尺寸、各分段梁的质量分布等信息；还需获取各分段梁的湿表面信息，主要包括：水线处半宽、水线处吃水、水线下剖面面积等。
[0028]可选的，若等值梁模型在某处存在超过设定阈值的集中质量或者质量分布有较为明显的变化，则根据动刚度法计算要求，在集中质量所在位置对等值梁模型进行分段，并将较大的集中质量视为加在此分段梁的端点节点位置，下面的计算流程还包括步骤4，若不存在集中质量则跳过步骤4。如图3所示，本实施例将集中质量1附加在此分段梁2的右端点节点位置，等效为圆球。
[0029]步骤2：构建考虑附连水质量的各分段梁的等效梁单元，具体包括：
[0030]步骤2
‑
1：获取各分段梁的湿表面信息代入流体附连水质量公式，计算得到船体各分段梁的附连水质量。其中附连水质量采用如下公式进行计算：
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037][0038]式中：ρ0为水的密度，t/m3；
[0039]q
V
(x
i
)、q
H
(x
i
)分别为第i段船体梁的垂向和水平向的附连水质量分布，t/m；
[0040]b(x
i
)、d(x
i<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，其特征在于，所述方法包括：根据船舶结构质量分布、横剖面尺寸的变化情况将所述船舶结构简化为变截面的等值梁模型，并将梁模型分成若干段；构建考虑附连水质量的各分段梁的等效梁单元；构建各等效梁单元的弯曲波、纵波和扭转波振动控制方程，求解方程得到等效梁单元两端点处的广义力和广义位移的表达式，并推导得到各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵；将所述各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵投影到全局坐标系下，根据有限元刚度拼装思想对全局坐标系下的动刚度矩阵进行组装，形成船舶结构的整体动刚度矩阵；根据所述船舶结构的整体动刚度矩阵，对所述船舶结构进行自由振动分析，获取船舶结构总振动的固有频率及相应振型。2.根据权利要求1所述的基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，其特征在于，所述构建考虑附连水质量的各分段梁的等效梁单元，包括：获取各分段梁的湿表面信息，并根据流体附连水质量公式计算得到船体各分段梁的附连水质量；将各分段梁的原有质量与相应的附连水质量进行叠加，各分段梁的几何尺寸保持不变，形成各分段梁的等效梁单元；其中，所述湿表面信息包括水线处半宽、水线处吃水、水线下剖面面积。3.根据权利要求2所述的基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，其特征在于，所述方法还包括：根据不同振动阶数以及不同振动方向获取到的船体各分段梁的附连水质量，构建不同的等效梁单元，从而形成不同振动阶数、不同振动方向的船舶结构的整体动刚度矩阵，并计算输出相应振动阶数下的船舶结构总振动的固有频率及相应振型。4.根据权利要求1所述的基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，其特征在于，推导得到各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵，包括：分别求解每个所述振动控制方程对应的等效梁单元两端点处的广义位移解析解，分别计算弯曲波、纵波、扭转波振动下等效梁单元两端的广义力表达式，并与相应的广义位移解析解建立矩阵关系，通过矩阵运算消去其中的待定系数，得到弯曲振动动刚度矩阵、纵振动刚度矩阵和扭转振动动刚度矩阵；组装这三种动刚度矩阵得到所述等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵K为：P＝K
·
q；其中，P＝[F
x1 F
y1 F
z1 M
x1 M
y1 M
z1 F
x2 F
y2 F
z2 M
x2 M
y2 M
z2
]
T
为等效梁单元端点1、端点2处的广义力矩阵，F
x
、F
y
、F
z
分别表示沿xyz方向的剪力，M
x
、M
y
、M
z
分别表示绕xyz方向的弯矩；q＝[u
1 v
1 w
1 θ
x1 θ
y1 θ
z1 u
2 v
2 w
2 θ
x2 θ
y2 θ
z2
]
T
为等效梁单元端点1、端点2处的广义位移矩阵，u为沿x方向的振动位移，v为沿y方向的振动位移，w为沿z方向的振动位移，θ
x
、θ
y
、θ
z
分别表示绕xyz方向的扭转角度；K表示为：
其中，k1～k6为沿z方向的弯曲振动动刚度矩阵元素，g1～g6为沿y方向的弯曲振动动刚度矩阵元素，k7和k8为纵振动刚度矩阵元素，k9和k
10
为扭转振动动刚度矩阵元素，每个矩阵元素都和圆频率ω有关。5.根据权利要求1所述的基于变截面梁动刚度法的船舶结构总振动计算方法，其特征在于，将所述各等效梁单元在局部坐标系下的动刚度矩阵投影到全局坐标系下，包括：设计坐标转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧，魏子天，钟奎奎，殷学文，吴文伟，
申请(专利权)人：深海技术科学太湖实验室，
类型：发明
国别省市：