船体振动固有特性及螺旋桨脉动压力预报方法

摘要

船舶是进行水上运输和海洋开发的重要工具，船舶在航行过程中总会受到主机、螺旋桨和波浪等外界激励的作用。船体结构在这些激励的作用下，会发生不同程度的振动甚至有害振动。过大的振动可导致结构发生疲劳破坏，影响人员的身体健康和仪表设备的正常使用。为了避免船舶发生有害振动，需要在设计阶段较准确地预报船体结构的固有频率及螺旋桨脉动压力。
　　本文主要针对船体振动固有特性预报及螺旋桨脉动压力预报进行研究，论文主要完成以下几部分工作:
　　1)对船舶结构上的设备建模方法进行研究，分别采用集中质量模型、杆模型和空间结构模型来模拟船舶结构上的设备，通过对几种常用模型的分析，在杆模型的基础上利用刚度等效法提出了一种较为实用的等效模型。参照上层建筑对船舶总体振动固有频率影响系数计算公式的形式，给出设备对船体局部振动固有频率影响系数的计算公式。数值算例结果表明，采用本文给出的等效模型和设备对局部振动固有频率影响系数计算公式可以较准确地计算船体局部振动固有频率。
　　2)对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报进行了系统地研究。首先对船舶上层建筑整体振动有限元建模方法进行研究，讨论了不同计算模型、边界条件、附加水质量以及装载情况对上层建筑整体纵向振动固有频率的影响，对于上层建筑整体振动有限元分析得到了一些有益的结论，并给出了较为实用的计算模型。考虑更多的影响因素，提出了一种新的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报公式，重点研究了上层建筑刚体回转振动固有频率计算公式中等效刚性系数的取法，给出了等效刚性系数曲线;并对剪切振动固有频率计算公式进行了修正，得到考虑弯曲振动影响的修正系数计算公式。智能方法具有很强的辨识能力，能够很好的处理不确定性和非线性问题，可以应用智能方法预测船体振动固有频率。支持向量机(Support Vector Machine，SVM)与其它智能方法相比具有小样本学习、全局寻优和泛化能力强等特点，能较好的解决小样本和非线性等实际问题。本文应用SVM对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率进行预测，取得了比较好的预测效果，为船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报提供了一种新思路。
　　3)对于船舶总体垂向振动固有频率预报，提出了一种新的船舶总体垂向振动固有频率预报公式。以Timoshenko梁理论为基础，引入剪切系数来修正剪力均匀分布假设，得到两端自由等直梁固有频率计算公式;根据大量船舶总体垂向振动固有频率实测数据，按照两端自由等直梁固有频率计算公式的形式，采用统计分析方法，得到船舶总体垂向振动固有频率计算公式，为船舶总体垂向振动固有频率预报提供了一种新方法。应用SVM对船舶总体垂向振动固有频率进行预测，考虑到影响船舶总体垂向振动固有频率的参数较多，利用灰关联分析理论建立船舶主要参数和垂向振动固有频率之间的灰关联模型，通过计算各参数的灰关联度，来确定各参数对船舶总体垂向振动固有频率的影响大小;将关联度大的参数作为SVM的输入数据，取得了比较好的预测效果，为船舶总体垂向振动固有频率预报提供了一种新思路。
　　4)采用CFD方法对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力进行预报。对船体和螺旋桨进行整体建模，基于Workbench平台进行双向流固耦合分析，计算得到船体表面脉动压力幅值。将CFD方法计算得到的螺旋桨诱导的船尾脉动压力幅值与试验值进行比较，两者结果较为接近，采用CFD方法可以较准确地预报螺旋桨诱导的船体表面脉动压力。
　　船体振动预报涉及到结构动力学、弹性力学和流体力学等多个学科领域的交叉，本文对船体振动预报进行了较系统地研究，为船体振动固有频率预报提供了一些新方法和新思路。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 论文研究工作的背景和意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 船体局部振动研究概况

1．2．2 船舶总体垂向振动研究概况

1．2．3 螺旋桨诱导的船体表面脉动压力研究概况

1．3 本文主要研究内容与章节安排

2 相关理论基础

2．1 船体振动有限元分析基本理论

2．1．1 结构振动方槿

2．1．2 单元刚度阵

2．1．3 单元质量阵

2．1．4 板梁组合结构

2．2 流固耦合分析基本理论

2．2．1 流固耦合分析

2．2．2 固体域控制方程

2．2．3 流体动力学控制方程

2．2．4 湍流模型

2．2．5 空化模型

2．3 支持向量机基本理论

2．3．1 支持向量机分类原理

2．3．2 支持向量机回归原理

2．4 灰关联理论

2．4．1 灰关联算子集

2．4．2 灰关联公理及灰关联度

2．5 本章小结

3 船体局部振动固有频率预报

3．1 引言

3．2 船体局部振动分析中对设备的处理方法

3．2．1 几种常用的计算模型

3．2．2 等效模型

3．2．3 设备对船体局部振动固有频率影响系数

3．2．4 算例分析

3．2．5 小结

3．3 船舶上层建筑整体振动分析三维有限元模型

3．3．1 常用的有限元计算模型

3．3．2 船舶装载状态和附加水质量对纵向振动固有频率的影响

3．3．3 不同模型的修正公式

3．3．4 小结

3．4 船舶上层建筑纵向振动固有频率计算公式

3．4．1 常用的经验公式

3．4．2 船舶上层建筑纵向振动固有频率计算公式推导

3．4．3 算例分析

3．4．4 小结

3．5 基于SVM的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报

3．5．1 基于SVM的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率回归模型

3．5．2 船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预测

3．5．3 小结

3．6 本章小结

4 船舶总体垂向振动固有频率预报

4．1 引言

4．2 影响船舶总体振动固有频率的参数

4．2．1 船舶总体振动的质量

4．2．2 船体梁的弯曲刚度

4．3 船舶总体垂向振动固有频率计算公式

4．3．1 常用的经验公式

4．3．2 等直梁弯曲振动固有频率计算公式推导

4．3．3 船舶总体垂向振动固有频率计算公式

4．3．4 算例分析

4．3．5 小结

4．4 基于灰关联分析和SVM的船舶总体垂向振动固有频率预报

4．4．1 船舶参数的灰关联分析

4．4．2 基于SVM的船舶总体垂向振动固有频率预测

4．4．3 小结

4．5 本章小结

5 螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报

5．1 引言

5．2 螺旋桨诱导的脉动压力计算方法

5．2．1 经验公式

5．2．2 势流理论方法

5．2．3 试验方法

5．3 CFD方法

5．4 基于双向流固耦合螺旋桨诱导的船体表面脉动压力计算

5．4．1 计算模型

5．4．2 CFD方法计算结果

5．4．3 螺旋桨脉动压力试验

5．4．4 各种方法计算结果比较

5．5 螺旋桨叶频激励引起的船体振动响应计算

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介