船舶双层底舱室结构的振动特性及其对主机隔振影响的研究

摘要

船舶航运经济在国民生产中具有重要的地位，保证船舶的安全等则是极富工程意义和经济效益的重要工作。工程中，船舶结构及设备的振动噪声问题一直是振动研究工作的着重点之一。目前，对船体总振动模态的研究工作已大量展开，但对某些重要局部舱室的振动分析工作还不够完善，在理论和实际工作上都存在着诸多空白。在船舶舱室结构中，主机机舱是重要的局部结构之一，其下一般都设有双层底结构，其中有燃油舱、污水舱、滑油舱等分舱室。而双层底中舱室的分舱和分舱室中液体的充装等都是影响双层底结构振动特性的关键因素，这些因素影响着主机隔振系统和其座下双层底舱室结构的耦合振动，影响着主机激励载荷在船舶结构中的传递和波及。
　　 由此，针对船舶舱室中存在的振动问题，在总结国内外研究现状的基础上，本文提出了采用静力单元模拟毗连结构的方法，从而把双层底舱室的毗连结构边界引入到系统振动分析中，同时又不导致过多的冗余模态。理论分析和舱室结构的计算求解都表明了此方法的适用性。在分析分舱、充液等舱室内部因素对系统的影响时，由于边界条件不会影响振动特性的整体趋势，因此为提高计算效率文中采用了直接切取方法而不考虑毗连结构。计算结果表明舱室整体频率随分舱数目的增多而上升，原因是小板面的引入造成了系统整体频率向高阶频率移动。在这种系统内部的分隔中，结构连续面的截断是引起结构特性改变的根本原因。
　　 在结构分析的基础上，考虑液固耦合作用详细分析了充液工况对舱室结构系统频率的影响。结果表明在舱室几何尺寸不变的情况下，多腔内的充液规律明显不同于单腔，多腔的充液频率不再随充液质量的增多而单一下降，而是主要随着各腔之间充液比落差的增大而逐渐下降。
　　 在分析主机隔振系统和充液舱室的耦合振动时，运用多体动力学ADAMS和有限元ANSYS建立了主机隔振系统和船舶双层底舱室的计算模型，其中采用弹簧振子模拟油液。此部分工作为船舶双层底舱室及其他动力系统的动态特性分析提供了新的思考路线。
　　 另外，基于相似理论构建了局部舱室的物理模型，利用专业振动测试系统LMS测试分析了舱室模型的充液本征特性及其充液前后的受激振动问题。整体上，该研究从理论分析和数值计算上揭示了船舶主机舱下双层底舱室结构中存在的分舱和液固耦合问题，这对了解并掌握船舶液舱的振动特性具有深远的促进作用，同时，研究工作也具有重要的科学意义和工程意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

创新点摘要

第1章绪论

1.1本课题的来源及研究意义

1.2相关研究现状

1.2.1船舶结构以及双层底结构的研究现状

1.2.2主机隔振系统的研究现状

1.2.3贮液类结构的研究现状

1.3本文主要研究工作

1.3.1多舱室结构的边界问题

1.3.2舱室分舱特性

1.3.3舱内充液后的振动特性

1.3.4主机—隔振系统—液舱结构的统一分析

第2章有限元理论及结构力学和液固耦合原理

2.1有限元理论

2.1.1有限元的发展历史

2.1.2有限元的基本思想

2.2结构振动分析理论及其有限元离散

2.2.1结构静力学中的基本理论

2.2.2结构动力学中的基本理论

2.3液体振动分析理论及其有限元离散

2.3.1充液系统运动的基本方程

2.3.2液固耦合中的基本方程

2.4小结

第3章ANSYS中主机滑油舱室结构的模态分析

3.1 ANSYS简介及其基本求解过程

3.1.1 ANSYS软件概述

3.1.2 ANSYS中的一般分析过程

3.1.3 ANSYS中模态分析的基本过程

3.1.4网格划分及其要求

3.2双层底舱室结构的几何模型及其物理参数

3.3主机滑油循环舱及间隔舱的模态分析

3.4整个机舱双层底结构(其余舱只有隔板)

3.4.1主机滑油循环舱边界结构的动力单元模拟

3.4.2主机滑油循环舱边界结构的静力单元模拟

3.5整个机舱双层底结构

3.5.1主机滑油循环舱边界结构的动力单元模拟

3.5.2主机滑油循环舱边界结构的静力单元模拟

3.6双层底+首尾三条纵桁延伸

3.6.1主机滑油循环舱边界结构的动力单元模拟

3.6.2主机滑油循环舱边界结构的静力单元模拟

3.7整个双层底结构

3.7.1主机滑油循环舱边界结构的动力单元模拟

3.7.2主机滑油循环舱边界结构的静力单元模拟

3.8小结

第4章舱室分舱、充液的振动特性分析

4.1主机滑油舱的振动分析

4.1.1分舱模态分析

4.1.2充液模态分析

4.2箱形舱室模型的振动分析

4.2.1分舱模态分析

4.2.2充液模态分析

4.3相似模型尺寸的确立及其误差分析

4.3.1原实际舱室结构的模态分析

4.3.2内部孔的修正

4.3.3基于相似原理的尺寸缩减

4.4相似模型的试验分析

4.4.1试验理论分析—传递函数FRF测试系统频率的原理

4.4.2 LMS模态测试基本简介

4.4.3空箱模态分析

4.4.4充液后的频率测试

4.4.5结构在定频率激励下的响应

4.5多腔舱室结构的数值分析

4.5.1箱形多腔结构的干模态分析

4.5.2箱形多腔结构的充液模态分析

4.6小结

第5章主机隔振系统和双层底舱室结构的耦合振动分析

5.1主机座下舱室结构尺寸的确定

5.2主机隔振系统参数的设定

5.3耦合系统的二维多体动力学分析

5.4小结

第6章结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

附录 某船双层底平面尺寸

攻读学位期间公开发表的论文

致谢