全垫升式气垫船总振动计算方法研究

摘要

全垫升式气垫船具有两栖性，已广泛应用于军事目的。正由于气垫船受到越来越多的关注与重视，保证可靠情与安全性来确保作战能力显得格外重要。全垫升式气垫船不同于常规的排水量型船舶，具有气囊围裙和气垫等特殊结构，传统的船体振动计算方法已不能很好得适用于全垫升式气垫船。因此，准确地评估全垫升式气垫船的固有频率具有十分重大意义。本论文的主要目的是研究大型全垫升式气垫船所特有的气囊弯曲刚度算法及等效建模方法、气垫垂向刚度算法，以及气垫船在着陆航行和水面垫升装态两种工况下气囊与气垫刚度及附加质量对总体振动的影响。本文主要包括五部分，各部分主要内容如下： 1）介绍了本文的研究背景及意义，然后依次分析了国内外对气垫船振动问题、气囊围裙材料、气囊在充气状态下的力学性能以及结构振动引起附加质量算法研究的现状。 2）介绍了在计算气囊刚度和气垫船总振动过程中所用到的一系列理论，包括直梁的复杂弯曲理论、考虑轴向力的直梁振动理论、考虑中面力的薄板振动理论以及船体总振动固有频率及振型计算理论。 3）分析了气囊刚度数值模拟过程中一些非线性问题在软件中的处理方式，包括气囊复合材料本构模型的确定、帘线层与高压气体的模拟。然后建立出气囊模型，分析了气囊内压力、气体压缩性、气囊受力层参数（帘线角度、帘线层数、帘线间距及帘线层间距）对弯曲刚度的影响。最后对气囊弯曲刚度等效建模进行了研究，分析了压力方向对充气气囊弯曲刚度的影响，推导了气囊模型等效弹性模量的理论计算公式，同时采用数值方法计算了四种不同模型的弯曲刚度，并与理论结果做了比较。 4）介绍了气垫船的垫升原理，然后对气垫的垂向刚度算法进行了研究，基于静力平衡方程、风机特性方程，利用流量连续性的特点，推导出了气垫的垂向刚度的理论计算公式。最后在MATLAB中编程分析了气垫船排水量与气垫垂向刚度的关系。 5）建立出简易大型气垫船模型，对气囊和气垫做了刚度等效建模，分析了该简易模型在着陆航行时和水面垫升时的船体固有频率，并对湿模态做了频率储备评估工作。

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