船体结构总体振动特性预测技术研究

    0 引 言

    船体振动会引起结构的交变应力，加速其疲劳损伤，并引起工作人员的不适。为此设计人员在船舶设计阶段对可能发生的振动现象的严重程度作出评估时，就要采取适当的设计措施，使船体振动降至标准规定的限度以内。若在建造后期及试航过程中才发现振动超标问题，其修改难度及成本将是更大的，甚至会影响船的交付。

    总体振动分析是评价船体振动性能的有效方法，可分为模态分析(即自由振动)和响应分析两类可。对于船体总振动的预报, 采用变断面梁模型并计入附连水质量, 估算主船体低阶固有频率和在一定激励下的响应；有限元解则能获得工程应用上足够准确的结果。

    本文应用国际通用的ABAQUS有限元软件对某铺石船在考虑流-固耦合影响下,对船体进行总体模态分析以及动力响应分析。应用ISO6954规范[1]对分析结果进行评估，还与该船海试数据作了对比。

    1 总体振动计算方法

    1.1 总体自由振动计算

    当弹性结构置于流体介质中时，流体与结构之间通过它们的交界面存在着相互作用。当用有限元方法计算结构振动与声耦合问题时,需要对结构和流体都进行有限元网格离散,建立有限元方程进行分析。弹性结构与声介质耦合振动的矩阵方程为[2]：

    在进行自由振动计算时忽略了阻尼和外力的影响,方程(1) 变为：

    式中，K 为结构总刚度矩阵，M为结构总质量（包括附连水质量矩阵）。

    解方程(2) ,即可求得结构与水相互作用振动的各谐调固有频率和相应模态。

    1.2 总体动力响应计算

    对方程(1)两边进行拉氏变换并利用模态转换，可得：

    为模态质量矩阵；

    为模态阻尼矩阵；

    为模态刚度矩阵；

    为模态力向量；

    Q ()为模态列阵。

    由系统微分方程解耦, 变换为N个独立的在模态坐标中的微分方程.由这些解耦的微分方程,可以解得系统各点在频域中的振动响应。

    2 有限元计算

    2.1 有限元模型

    有限元模型的品质是决定振动计算准确与否的关键因素之一。不同的计算要求，对模型品质的要求也是有很大差异的[3]。本文中的有限元模型在ABAQUS软件中建立，主船体板（如甲板、舱壁、肋板、外板等）采用3节点或4节点板单元模拟；型材以及加强筋采用梁单元模拟。部分较小的线性构件则用杆单元，对流体应用声学四面体单元[4]。