92500dwt散貨船甲板自由振動模態(tài)分析【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設計)</p><p>　題 目：92500dwt散貨船甲板自由振動模態(tài)分析</p><p>　學 院：</p><p>　學生姓名：</p><p>　專 業(yè)：電子信息工程</p><p>　班 級：</p><p>　指導教師：&l

2、t;/p><p>　起止日期：</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的背景與意義1</p><p

3、>　　1.2 船舶振動的危害與原因1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外船舶振動的研究概況2</p><p>　　1.4 本論文的研究思路5</p><p>　　1.5 本論文的技術(shù)路線6</p><p>　　2 薄板的自由振動計算7</p><p>　　2.1 薄板結(jié)構(gòu)橫向振動方程7</p&g

4、t;<p>　　2.2 兩對邊簡支的矩形薄板的自由振動9</p><p>　　3 基于有限元方法的甲板自由振動理論研究14</p><p>　　3.1 船舶振動的原理14</p><p>　　3.2 有限元的基本概念15</p><p>　　3.3 MSC軟件介紹17</p><p>　　4 基

5、于有限元方法的甲板自由振動分析計算20</p><p>　　4.1 散貨船的基本參數(shù)20</p><p>　　4.2 甲板的有限元計算模型25</p><p>　　4.3 有限元計算結(jié)果27</p><p>　　4.4 有限元計算結(jié)果分析32</p><p><b>　　5 總結(jié)38</b&

6、gt;</p><p>　　5.1 研究結(jié)論38</p><p>　　5.2 不足之處38</p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致　謝41</b></p><p>　　92500dwt散貨船甲板自由振動模態(tài)分析</p&g

7、t;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　船舶屬于彈性結(jié)構(gòu)物，在螺旋槳、波浪、主機系統(tǒng)等激勵力的激勵下極易產(chǎn)生振動。與此同時，由于目前船舶日益朝著快速化、大型化的方向發(fā)展，也增加了船體振動的可能性。船體局部振動過大，不但會影響人體的舒適健康、船用設備的正常運行，甚至還可能造成船體結(jié)構(gòu)的疲勞損壞。因此，增強對船舶振動性能的控制越來越成為國內(nèi)外船舶研究學者探討的熱點

8、。Patran軟件可以通過在真實環(huán)境下分析船體結(jié)構(gòu)的強度、剛度和疲勞壽命分布情況，對結(jié)構(gòu)進行分析、評價和改進，通過對已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的地方進行分析，估算剩余壽命，預告故障，避免重大事故的發(fā)生和巨大的經(jīng)濟損失。本文以海之帆造船技術(shù)有限公司的一艘92500dwt散貨船甲板為研究對象，以現(xiàn)代有限元理論為基礎(chǔ)，利用有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)軟件MSC.Patran/Nastran為工具，對散貨船的甲板結(jié)構(gòu)狀況做出評價，分析其自由振動各階模態(tài)、振動

9、頻率，能夠直觀準確地了解易損部分，有利于精確地評估和改進散貨船的設計方案，及時檢查薄弱部位，采取加強措施，有利于維修者在散貨船服役期間采取更有針對性的維修措施，保證設備正常運行，延長設備使用壽命。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 散貨船；甲板；Patran/Nastran；振動；有限元；</p><p>　　The modal analysis on deck free vibration

10、 of a 92500dwt bulk cargo ship </p><p>　　[Abstract] The ship is belong to a elastic structure, in the inspiraton of propeller, wave, and the host system, can easily cause some vibrations. With the rapid deve

11、lopment of the ship, the heritability of the ship vibration will also be added. Excessive vibrancy will effect people’s comfort, the normal operation of the shipborne equipment, and the structural fatigue failure. As a r

12、esult, enhanced the control of the vibration is becoming the focus of research scholar. Patran can analysis the st</p><p>　　[Key Words] bulk cargo ship; deck; Patran/Nastran; vibration; finite element</p&

13、gt;<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的背景與意義</p><p>　　早在19世紀后期，船體振動問題就開始引起人們的注意。隨著航運業(yè)與造船工業(yè)的高速發(fā)展，貨船逐漸向大型化發(fā)展，以適應載貨量大的市場需求，同時人們對船舶上的生活和工作環(huán)境的要求也越來越高。而船舶屬于水面的彈性結(jié)構(gòu)物，在螺旋槳、波浪和主機系統(tǒng)等激勵力的激

14、勵下極易產(chǎn)生振動，同時，由于目前船舶日益朝著快速化的方向發(fā)展，也暴露出一些問題。一方面，主機與轉(zhuǎn)速功率的提高，會直接導致船體振動的問題，而另一方面，造船商為追求短期經(jīng)濟效益，造船用板的厚度及骨架選材相對減薄減小，船舶整體結(jié)構(gòu)日益減輕，相應的結(jié)構(gòu)剛度也隨之減小，更易引起較大的船體振動。這些因素導致了船體振動的加劇，有害振動對船舶的危害極大，嚴重時將影響航行安全和船員的工作效率以及人員居住的舒適性，而且易造成船體結(jié)構(gòu)的疲勞和損壞。所以控制船

15、舶噪聲與振動十分必要[1]。</p><p>　　對船舶結(jié)構(gòu)振動進行計算對于前期船舶結(jié)構(gòu)設計具有十分重要的顯示意義。規(guī)范要求：船舶總振動固有頻率應避開主機頻率、軸頻、螺旋槳葉頻等，尾部板及板架結(jié)構(gòu)振動固有頻率要避開螺旋槳激勵頻率，機艙區(qū)板及板架要避開主機頻率[2]。倘若在設計期能夠有效預測船體各個結(jié)構(gòu)的受力情況，發(fā)現(xiàn)易損部位，從而優(yōu)化設計方案、采取加強措施，勢必能夠有效地減少不必要的材料浪費和經(jīng)濟損失，保證船舶航

16、運安全。</p><p>　　目前，國內(nèi)外已有眾多學者對船舶振動進行了相關(guān)研究和分析。因此，對船舶進行自由振動模態(tài)分析，有利于引導我國造船業(yè)健康、有序、快速地發(fā)展，并對船體設計和船舶維修提高參考依據(jù)和解決思路。</p><p>　　1.2 船舶振動的危害與原因</p><p>　　嚴重振動對船舶的危害主要有以下四點：</p><p>　?。?

17、）振動會激發(fā)噪聲，影響船舶的工作環(huán)境，甚至造成職業(yè)病的發(fā)生；（2）船員和旅客的居住舒適感降低，影響船員工作效率，造成健康傷害；（3）降低船用設備和精密儀表的精度，縮短使用壽命；（4）船體結(jié)構(gòu)及相應機械設備產(chǎn)生疲勞損壞，影響航行安全。</p><p>　　因此研究船舶振動的原因，采取合理有效措施進行減振十分必要。船體是多種復雜構(gòu)件的結(jié)合，其振動的原因也具有一定的復雜性?？傮w來說，造成船體局部振動的振源主要可以概括和

18、歸納為以下幾點：</p><p>　?。?）柴油機。柴油機屬于一種往復式機械，存在不平衡力和不平衡力矩，同時氣缸內(nèi)氣體爆炸會將對氣缸側(cè)壁產(chǎn)生側(cè)向壓力和傾覆力矩。若柴油機的選擇不當，會使上述兩種作用在船體上的周期性干擾增加；（2）螺旋槳。螺旋槳誘導的表面力和空泡是導致劇烈振動的原因。這與螺旋槳的設計，包括槳葉的厚度分布、傾斜度、盤面比、螺距等有關(guān)，故不同螺旋槳的選擇，會直接影響到振動的大??；（3）波浪。波浪沖擊引起

19、船體的擊振應力，波浪頻率與船體第1階固有頻率相吻合時產(chǎn)生的振動應力，二者合在一起，作用于船體，將導致船體振動；（4）推進系統(tǒng)。螺旋槳和軸系推進系統(tǒng)本身可能存在一些振動模式，激勵主要來自螺旋槳和主機，這種振動模式包括縱向、扭轉(zhuǎn)、回旋等形式，極易引起船體振動；（5）局部振動與船體總振動的耦合。船底板格與船體分段及全船相比，質(zhì)量微小，振動頻率高，故板格振動可以從船體分段及全船的總振動中分離出來，單獨計算。而艉分段作為立體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較大，且與船

20、體前部耦合，故艉部的振動不能與船體梁總振動分離，應視為總振動中的一部分。機艙船底板架質(zhì)量較大，且與貨艙區(qū)雙層底骨架相互交錯，連接剛度大耦合緊，其振動不能與船體總振動相分離[3]。（6</p><p>　　1.3 國內(nèi)外船舶振動的研究概況</p><p>　　近年來，船舶方面的研究受到了普遍關(guān)注，其應用也日益廣泛。目前，國內(nèi)外學者在船舶振動關(guān)于有限元模態(tài)研究、具體實例評估分析等方面做了大量的

21、理論研究。</p><p>　　趙永生[5]等對19500dwt貨船多塊折疊式艙口蓋進行虛擬樣機建模和動力學分析，重點考察了了艙口蓋開啟過程中的油缸推力、鉸鏈點受力以及舉臂受力的變化情況，并對油缸工作時的推力進行了現(xiàn)場實測.分析結(jié)果可作為新型多塊折疊式艙口蓋的設計參考。</p><p>　　郁惠民[6]以2750TEU集裝箱船為例，分析集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點，不僅通過全船有限元分析校核其扭轉(zhuǎn)強

22、度、屈曲強度、疲勞強度等，而且針對其尾部和機艙結(jié)構(gòu)，甲板室以及艙室內(nèi)板、板格、板架等通過直接計算進行較準確的振動特性預報。在局部結(jié)構(gòu)振動計算中本文采用解析法，對于甲板、舷側(cè)板架等采用局部有限元法進行計算。該船的振動評估過程與方法為同型船的設計與建造提供了良好的依據(jù)。</p><p>　　黎勝[7]基于Mindlin板單元和參考軸桿單元，建立了考慮板剪切變形、骨架剪切變形和骨架偏心影響的船舶板梁組合結(jié)構(gòu)振動分析模型

23、，并研究比較了不同船舶板梁組合結(jié)構(gòu)振動分析有限元模型的計算精度。最后通過對某艙室甲板固有頻率計算值和實測值的比較，得出甲板上下圍壁形成的真實邊界條件介于簡支和固支之間，偏于簡支，局部振動預報時可按簡支邊界條件進行計算，在局部振動預報中應考慮由于邊界條件簡化所帶來的誤差的結(jié)論。</p><p>　　王峰[8]等人選取了某型集裝箱船，通過MSC.PATRAN和MAC.NASTRAN軟件對上層建筑的羅經(jīng)甲板進行局部振動

24、分析。在計算過程中，選取NASTRAN推薦的LANCZOS方法來計算特征值得到羅經(jīng)甲板首、二階及三階垂向振動固有頻率的頻帶區(qū)均不在主機激勵頻率及螺旋槳葉頻范圍內(nèi)，不會引起船體垂向共振的結(jié)論。同時，對船舶竣工后發(fā)現(xiàn)振動可能提出了解決方法。</p><p>　　溫華兵[9]介紹了采用有限元技術(shù)來分析船舶振動的建模方法，對一維梁模型、二維平面模型、三維空間模型和混合模型這幾種常用計算模型的特點進行論述，并比較了幾者之間

25、的優(yōu)劣性，闡述了還需要研究和討論的問題。</p><p>　　黃文川[10]等人應用有限元法對交驗試航時發(fā)生嚴重船體振動的近海某小型船進行總體振動和上層建筑局部振動模態(tài)分析。振動模態(tài)分析得出近海小型船舶總體振動模態(tài)的頻率值相對較高，所以船舶總體振動高階模態(tài)頻率易與主機或螺旋槳激勵頻率相遭遇，不能滿足振動頻率儲備要求是其發(fā)生嚴重振動的主要原因。因此需通過適當結(jié)構(gòu)修改以解決這個問題。</p><p

26、>　　鄒春平[11]等闡述了對于大型船舶結(jié)構(gòu)進行較高頻率振動分析時要求結(jié)構(gòu)被劃分分成非常多的單元數(shù)以便獲得詳細的位移和應力特性，目前常用的計算機仍然無法對其進行計算這個問題。針對這個問題，本文提出了適用于具有彈性聯(lián)接部件的大型結(jié)構(gòu)振動分析模態(tài)綜合法，它能夠在有限的計算機設備資源的基礎(chǔ)上分析計算大型結(jié)構(gòu)較高頻率的振動特性。首先建立整個船舶結(jié)構(gòu)的模態(tài)綜合模型，然后運用模態(tài)綜合法分析一級子結(jié)構(gòu)和二級子結(jié)構(gòu)，接著對模態(tài)綜合法進行驗證得出模

27、態(tài)綜合法與整體有限元法相比較可得出滿意的自振頻率和振型計算結(jié)果。而且提出的模態(tài)綜合法對船舶進行模態(tài)分析及振動位移響應分析由于忽略高階模態(tài)，所耗時間比整體有限元法求解所耗時間少得多。說明在保證精度的情況下能夠大幅度縮減計算時間。這樣可以節(jié)省計算機內(nèi)存，減小計算規(guī)模，提高分析效率。</p><p>　　宋玉超[12]等采用有限元法，在ANSYS中進行雙層底結(jié)構(gòu)框架的建模及自由模態(tài)分析.在結(jié)構(gòu)框架尺寸不變的情況下，分析

28、板厚對于結(jié)構(gòu)固有頻率的影響得出結(jié)論：雙層底結(jié)構(gòu)主框架板厚的增加使結(jié)構(gòu)剛度增大的同時，也會使固有頻率增加。同樣加肋板后，在結(jié)構(gòu)剛度增大的同時，各階固有頻率也比加肋板前增大。并且肋板的增加降低了雙層結(jié)構(gòu)的局部振動。但是肋板厚度的變化對于整體振動模態(tài)的影響比較復雜，結(jié)構(gòu)固有頻率并不隨著板厚增加呈現(xiàn)經(jīng)驗規(guī)律。該文為實際工程合理選擇加肋和板材厚度提供了依據(jù)。</p><p>　　林哲[13]等通過引進雙梁模型和推導出的三梁

29、模型對大型油船的總體振動特性進行了分析研究。同時將多梁模型與常用的單梁模型、經(jīng)驗公式進行了比較。 結(jié)果顯示，多梁模型在分析大型或超大型油船總體振動方面較單梁模型有較好的實用價值，特別是在高階振動時有更好的逼近。這為大型船舶總體振動預報提供了一個實用的方法。</p><p>　　張匯平[14]等對某28000dwt多用途船No.2艙二層甲板及其艙口蓋進行有限元分析。分析是基于美國船級社與挪威船級社計算作用在艙口蓋上

30、的垂向載荷進行比較，獲得兩種規(guī)范下的艙口蓋許用載荷值。</p><p>　　李兵[15]等人應用細網(wǎng)格真實建立全船有限元模型，并在此模型基礎(chǔ)上計算了船體低階整體自由振動和局部振動。系統(tǒng)地分析了船體各個構(gòu)件的振動特性，總結(jié)了它們自由振動的先后次序，為同型船的設計和建造提供了依據(jù)。</p><p>　　丁志龍[16]通過ANSYS軟件對一艦船模型進行50階模態(tài)分析，提取得到艦船模型的典型振型和

31、固有頻率，建立了從三維模型到二維平面圖像的艦船模型庫，為進一步改進艦船結(jié)構(gòu)設計提供指導。</p><p>　　李彤[17]等針對船舶艙室甲板的結(jié)構(gòu)振動特點結(jié)合有關(guān)船舶艙室的甲板結(jié)構(gòu)振動標準文件，運用于虛擬儀器環(huán)境軟件LabVIEW系統(tǒng)，開發(fā)針對船舶艙室的甲板結(jié)構(gòu)振動虛擬測量分析及評價系統(tǒng)。通過對實船艙室甲板的振動測試，對比分析該系統(tǒng)結(jié)果與傳統(tǒng)模擬振動測試分析儀VA-10的測試結(jié)果，認為該虛擬測試系統(tǒng)具有較好的可靠

32、性和較高的精度，能較好滿足工程測試的需要。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上可以擴展進行船舶結(jié)構(gòu)的運行模態(tài)分析功能的搭建，成為航行振動評價及有害振動診斷的工具。</p><p>　　李衛(wèi)華[18]等針對3000t散貨船在試航是發(fā)生的上層建筑振動問題，通過一系列有限元計算和分析，結(jié)合實船考察以及對振動測試結(jié)果的分析，找出了主要的激振源是螺旋槳，倍葉頻引起甲板板架的振動是該船上層建筑發(fā)生振動的原因，最終通過結(jié)構(gòu)加強的措施使振動問題得以解

33、決。同時，對螺旋槳脈動壓力較大的原因進行分析。并對今后船舶設計過程中如何避免由螺旋槳激振力引起的振動提出了解決方法和措施。</p><p>　　張恒[19]等根據(jù)RINA船級社規(guī)范中關(guān)于艙口蓋強度的要求對某54500DWT多用途船的貨艙艙口蓋進行了強度校核。使用有限元軟件MSC/Patran建立艙口蓋結(jié)構(gòu)有限元模型，計算迎浪和橫浪狀態(tài)下的集裝箱慣性載荷以及風雨載荷，得到在這些載荷作用下的艙口蓋應力分布情況，并利用

34、CCS_tools工具對屈曲強度進行校核得到所有構(gòu)件屈曲強度均滿足規(guī)范要求。最后提出了結(jié)構(gòu)改進方案，討論慣性載荷對艙口蓋強度的影響。</p><p>　　魏斌[20]等通過對某散貨船艙口蓋進行有限元振動計算分析，得出在同一模型中前幾階大多是整體模態(tài), 后面逐漸轉(zhuǎn)為局部模態(tài)。由于頂板之下各個骨材之間存在距離，因此，后面產(chǎn)生的振動主要體現(xiàn)在各個骨架之間。在振動劇烈部分，由于約束力不夠，導致自由因素太多，容易產(chǎn)生振動。

35、因此在振動越劇烈處就越容易變形或損壞。討論了在實際建模過程中對于網(wǎng)格密度和邊界模型的劃分情況。</p><p>　　李志建[21]為合理設計裝船機金屬結(jié)構(gòu)，利用MSC Nastran /Patran對其進行有限元分析。探討對包含軸承、滑輪等部件的復雜金屬結(jié)構(gòu)模型的簡化技巧，在MSC Patran平臺上建立裝船機整體模型。利用MSC Nastran進行強度和剛度分析計算，并利用其結(jié)果調(diào)整設計方案。通過裝船機結(jié)構(gòu)計算

36、結(jié)果與設計方案的互動, 在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上, 合理布局并選擇型材，減輕整機重量，提升總體設計水平。</p><p>　　Meiwen Guo [22]基于一階剪切變形理論有限元法分析加筋復合材料層合板的自由振動。數(shù)值計算結(jié)果提出了加強筋強合板、筋對稱角層合板等，纖維方向（層角度）的影響，層數(shù)，加筋深度和程度都得到檢驗。</p><p>　　李彤[23]基于虛擬儀器軟件LabVIEW，對

37、比分析了該系統(tǒng)中FFT頻譜分析子模塊與傳統(tǒng)振動測試分析儀VA-10的測試結(jié)果，通過比較認為該虛擬測試系統(tǒng)具有較好的可靠性和較高精度，并能較好的滿足一般的工程測試需要。同時在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可以較方便的進行船舶甲板結(jié)構(gòu)運行模態(tài)分析功能的擴展開發(fā)，使其成為船舶航行振動測試評價以及有害振動診斷的完整系統(tǒng)。</p><p>　　1.4 本論文的研究思路</p><p>　　本研究圍繞散貨船甲板自由振

38、動的研究展開，依次從“問題提出、理論研究、模擬分析”三個步驟進行闡述。</p><p>　　1.4.1 問題提出</p><p>　　在前期大量的文獻檢索與調(diào)查研究的過程中，發(fā)現(xiàn)目前還存在以下幾個問題：（1）船體作為自由漂浮在水上的空心彈性梁，在營運過程中必然會受到各種激勵的作用，激起船體總振動和局部振動；（2）船體結(jié)構(gòu)或機械設備在應力過大時產(chǎn)生疲勞破壞，影響船上設備、儀表的正常工作，降低

39、使用精度, 縮短使用壽命；（3）散貨船主甲板上容易多處橫向裂紋，若不及時修理這些裂紋在航行時很容易延伸至舷側(cè)外板，嚴重時會發(fā)生外板撕裂，造成船舶折斷的海難事故。</p><p>　　1.4.2 理論研究</p><p>　　本文將根據(jù)有限元、彈性力學等知識，對船舶振動模態(tài)分析作必要的理論準備，并通過相關(guān)理論，掌握MSC.Patran/Nastran軟件的應用。</p><

40、;p>　　有限元分析是工程計算領(lǐng)域的一種主要的數(shù)值計算方法，其基本思想就是將連續(xù)區(qū)域上的物理力學關(guān)系近似地轉(zhuǎn)化為離散規(guī)則區(qū)域上的物理力學方程。在有限元分析中，使用到的是幾何模型經(jīng)過離散化以后得到的抽象化的有限元模型,需要的無一例外都是有限元網(wǎng)格的數(shù)據(jù)（如節(jié)點的坐標和單元的節(jié)點構(gòu)成），所有的邊界條件(如載荷和位移約束)最終也都必須反映到節(jié)點上來。利用有限元模型轉(zhuǎn)換的方法，可以使模型轉(zhuǎn)換前后不存在信息的丟失，能達到100%的模型拷貝,

41、做到真正意義上的“零失真”轉(zhuǎn)換。</p><p>　　Patran由node和element兩種結(jié)構(gòu)來表示有限元模型。Node包含NID（Node ID）和xyz（Position xyz）兩個要素，而Element里包含EID（Element ID），GID（Element Group ID），PID（Physical Property ID），MID（Material Property ID），TID（Ele

42、ment Type ID），arElNode（Element與Node的關(guān)系表）以及NSI（Element Node Start Index in array arElNode）等多個要素。MSC.Nastran的主要動力學分析功能如：特征模態(tài)分析、直接復特征值分析、直接瞬態(tài)響應分析、模態(tài)瞬態(tài)響應分析、響應譜分析、模態(tài)復特征值分析、直接頻率響應分析、模態(tài)頻率響應分析、非線性瞬態(tài)分析、模態(tài)綜合、動力靈敏度分析等。</p>&

43、lt;p>　　1.4.3 模擬分析</p><p>　　本文的研究對象是海之帆造船技術(shù)有限公司的一艘92500dwt散貨船甲板，在MSC.Patran上建立模型，并進行網(wǎng)格劃分，使用MSC.Nastran進行求解，船體主要參數(shù)如表1所示。</p><p><b>　　表1 船體基本參數(shù)</b></p><p>　　1.5 本論文的技術(shù)路線

44、</p><p>　　為探討船體甲板的自由振動，根據(jù)彈性力學知識推導薄板自由振動公式，以此為基礎(chǔ)，對有限元理論進行研究，從而利用MSC.Patran/Nastran軟件進行具體計算分析。本文研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。</p><p><b>　　圖1-1 技術(shù)路線</b></p><p>　　2 薄板的自由振動計算</p>&

45、lt;p>　　2.1 薄板結(jié)構(gòu)橫向振動方程</p><p>　　邊界元法（BEM）具有其半解析、半數(shù)值的特點，它的計算量小、速度快，在邊界上劃分少量的單元就能獲得較高的計算精度，因此在實際工程的許多方面得到了廣泛的應用。薄板的動態(tài)特性一直是學者普遍關(guān)注的基礎(chǔ)課題，1978年，Benzine提出了使用靜態(tài)基本解來求解薄板的動態(tài)特性，這種方法在計算過程中使用的近似基本解雖然簡單，但是對計算精度有比較大的影響，同

46、時由于邊界積分方程式中含有域內(nèi)項，因此需要花費大量時間處理域內(nèi)項問題,這給程序設計帶來了一定的困難，不便于應用。本文直接采用橫向振動問題的基本解，依據(jù)彈性薄板理論和振動理論，建立均勻、各向同性薄板的邊界特性方程。</p><p>　　在一定的橫向荷載作用下處于平衡位置的薄板，當受到的干擾力被除去以后，在這個平衡位置附近作一個微小幅度的振動。若求得薄板在任一瞬時的撓度，則易求得薄板在這個瞬時的內(nèi)力。</p&g

47、t;<p>　　假設薄板在平衡位置的撓度為：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　則此時薄板的橫向靜荷載為： </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　按照薄板的彈性曲面微分方程，有：</p><p>

48、<b>　?。?-3）</b></p><p>　　式（2-1）表示：薄板每單位面積上所受到的彈性力 和它所受到的橫向載荷q成正比。</p><p>　　假設薄板在振動過程中的任一個瞬時t的撓度為 ，則薄板每單位面積上在這個瞬時所受到的彈性力 將與橫向載荷q及慣性力所平衡，即：</p><p><b>　?。?-4）</b

49、></p><p>　　注意薄板的加速度是，因此每單位面積上的慣性力是：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　其中是薄板每單位面積內(nèi)的質(zhì)量，那么式（2-3）就可以改寫為：</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>&

50、lt;b>　　可以得到：</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由于不隨時間而改變，又，所以上式又可以改寫成為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　在下面的計算分析中，為了簡便，薄板的撓度不是從平面位置量起，而

51、是從平衡位置量起。所以，薄板在任一瞬時的撓度為可以表示為： ，而式（2-4）則又可以轉(zhuǎn)化為：</p><p>　　或 （2-9）</p><p>　　這就是薄板自由振動的微分方程。</p><p>　　接下來試求微分方程（2-5）的如下形式的解答：</p><p><b>　?。?/p>

52、2-10）</b></p><p>　　薄板上每一點（x,y）的撓度，被表示成為無數(shù)多個簡諧振動下的撓度所相疊加，而每一個簡諧振動的頻率則是 。同時，薄板在每一個瞬時t的撓度，又被表示成為無數(shù)多個多種振形下的撓度所相疊加，而每一種振形下的撓度又是由振形函數(shù)所表示的。</p><p>　　因此，為了求出各種振形下的振形函數(shù)以及與它相對應的頻率，這里?。?lt;/p>&l

53、t;p>　　可以得出振形微分方程：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　如果可以由這個微分方程求得W的滿足邊界條件的非零解，也就可以由關(guān)系式：</p><p><b>　　（2-12）</b></p><p>　　求得相對應的自由振動的頻率，這也被稱作為自然頻

54、率或者是固有頻率，它們完全決定于薄板的固有特性，與外界因素無關(guān)。</p><p>　　實際上，通常只有當薄板每單位面積內(nèi)的振動質(zhì)量是一個常量的時候，才有可能求得函數(shù)形式的結(jié)果。這時可以令： </p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　則振形微分方程(2-11)就可以簡化成一個常系數(shù)的微分方程，如下：</p>

55、;<p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　這樣就可以比較簡單方便地求出W的滿足邊界條件的函數(shù)形式的非零解，并求得相對應的值，然后求出相對應的頻率。將求出來的那些振形函數(shù)和相對應的頻率分別取為和，就可以利用初始條件來求得這個表達式中的系數(shù)和 。</p><p>　　如果假設初始條件為：</p><p><

56、b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　（2-16）</b></p><p><b>　　得到如下的式子：</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　（2-18）</b><

57、;/p><p>　　根據(jù)上面的過程，我們可以得到：為了求出和，必須將已知的初撓度和初速度分別展開為的級數(shù)，但是該過程在數(shù)學處理上，相對來說比較困難。因此，只有在特殊的簡單的情況下，我們才有可能求出薄板自由振動的完整解答，也就是任一瞬時的撓度。在絕大多數(shù)的情況下，都很難求出上述解答，而是只可能求得各種振形的振形函數(shù)以及相應的頻率，但已可基本解決工程上的主要問題。</p><p>　　2.2 兩對

58、邊簡支的矩形薄板的自由振動</p><p>　　當矩形薄板只有兩對邊為簡支邊的時候，這種情況下，雖然不可能完整地求出自由振動的解答，但是可以求出振形微分方程的函數(shù)形式的非零解，從而就可以求出薄板自然頻率的精確解答。</p><p>　　假設薄板中x=0和x=a的這兩個邊是簡支邊，那么就可以取振形函數(shù)如下：</p><p><b>　?。?-19）</

59、b></p><p>　　上式中 只是y的函數(shù)，這樣可以滿足這兩個簡支邊的邊界條件，只是與振形的振幅所有關(guān)。</p><p>　　如果假設的振幅等于1，那么對于不同m值時的振形就如下幾種情況所表示：</p><p>　?。?）當m=1時，振型可以用圖2-1所示圖形來表示：</p><p>　　圖2-1 兩對邊簡支板一階振型</p&

60、gt;<p>　　（2）當m=2時，振型可以用圖2-2的圖形來所示：</p><p>　　圖2-2 兩對邊簡支板二階振型</p><p>　　（3）當m=3時，振型可以用圖2-3的圖形來所示：</p><p>　　圖2-3 兩對邊簡支板三階振型</p><p>　　由上面的分析可以得到，半弦波的數(shù)量和m的取值有關(guān)，以此類推。&

61、lt;/p><p><b>　　另外計算過程如下：</b></p><p>　　如果將式（2-17）代入振形微分方程式（2-10），就可以得出微分方程如下：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　而上述方程的解為如下：</p><p>　　，

62、 （2-21）</p><p>　　在大多數(shù)的情況下，通常是，這樣，我就又可以將上式表示為：</p><p>　　， （2-22）</p><p>　　特別要注意的是 ，我們?nèi)∷恼龑崝?shù)根，也就是：</p><p><b>　　（2-23）</b></p><p

63、>　　那么上述的四個根分別可以表示為，而微分方程（2-18）的解可則以寫成：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　從而可以推出振形函數(shù)的表達式，如下：</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　在少數(shù)情況下，有，此時式（2-19）所

64、示的四個根就都是實根。此時，我就可以取正實數(shù)根為：</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　那么振形函數(shù)的表達式就可以表示如下：</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　不論是在哪一種情況下，都可以由y=0和y=b處的四個邊界條件得出的一組

65、四個齊次方程。對應于薄板的任何振動，振形函數(shù)W必須是某一個非零解才可以，因這個系數(shù)就不能全部等于零。于是就可以假設上述的齊次線性方程組的系數(shù)行列式等于零，從而得出一個計算自然頻率的方程。</p><p>　　假設y=0的一邊是簡支邊，而y=b的一邊則是夾支邊，那么就會有以下的四個邊界條件：</p><p><b>　?。?-28）</b></p><

66、;p>　　可以得出的齊次線性方程組如下：</p><p><b>　　， </b></p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　令這個方程組的系數(shù)行列式等于零，也就是如下所示：</p><p><b>　?。?-30）</b></p>

67、;<p>　　通過行列式化簡方式展開以后，再進行一些簡單的化簡，最后就可以得出如下額結(jié)果：</p><p>　　，或者 （2-31）</p><p>　　再利用（d），上列方程就又可以改寫為如下所示：</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　　對于一定的邊長a

68、和b，我們可取m=1，2，3，…. ，用試算法可以求出的實根，也就是說可以求得自然頻率 。</p><p>　　用以上所述的方法所求得的最低自然頻率，就可以用下式表示：</p><p><b>　　（2-33）</b></p><p>　　其中k是無因次的系數(shù)，它是與邊長比值a/b有關(guān)的。通過計算就可得出k的值可以用表2-1所示。</p&

69、gt;<p>　　表2.1 k與a/b的比值關(guān)系表</p><p>　　經(jīng)過這樣的計算，雖然可以求解得出自然頻率的精確值，但是數(shù)值計算和代數(shù)運算都是一個比較繁瑣的過程。因此，在工程實踐中計算矩形的自然頻率的時候，特別是在計算最低自然頻率的時候，不論邊界條件怎么樣，通常都是用差分法或者是能量法，分別可以用（2-10）和（2-14）來進行計算就可得到。</p><p>　　3

70、基于有限元方法的甲板自由振動理論研究</p><p>　　3.1 船舶振動的原理</p><p>　　3.1.1 相關(guān)原理簡述</p><p>　　船體是一種復雜的彈性結(jié)構(gòu)，船舶在航行過程中總會受到主機、螺旋槳及波浪等外界激振力的作用而產(chǎn)生不同程度的振動甚至有害振動。船體振動可以看作是無限自由度系統(tǒng)的振動，它的自由振動是由無限個主振動疊加而成，只要外界存在著由于某種

71、激振力，都可能會引起船體某一個或幾個諧波的共振。共振會對船體結(jié)構(gòu)強度，船舶的正常運營，船員及乘客的舒適性等帶來嚴重影響。因此，在對船舶整體結(jié)構(gòu)振動測試以及船舶局部結(jié)構(gòu)振動測試的相關(guān)專業(yè)人員來說，在了解船舶振動的基本原理以及相關(guān)特點基礎(chǔ)之上，才能夠為更好的設計、修改以及評價船體結(jié)構(gòu)振動特征給出實驗依據(jù)。</p><p>　　在船體設計階段，一定要計算總振動固有頻率及振型，來正確選擇主機型號和螺旋槳葉數(shù)，從而避免共振

72、，降低振動響應。船體總振動是全船性的振動，影響面較廣，另外，對于船體來說，外界的激勵是不可避免的。首先，由于葉片數(shù)目有限的螺旋槳在船尾附近的流場內(nèi)工作總會產(chǎn)生脈動壓力作用在船體表面上，產(chǎn)生的軸承力將通過軸系，推力軸承傳遞給船體梁;其次，由于船舶主機、輔機在運轉(zhuǎn)過程中總會產(chǎn)生激振力和力矩，將通過機座傳給船體梁;此外，還由于船體受到波浪力的沖擊、船上設備工作時產(chǎn)生的沖擊等等，都將不可避免地成為船體梁的外界激力。而這些激勵的存在總會引起船體的

73、總振動，也就是說，船體總振動是不可避免的。因此船舶總體振動的振動模態(tài)和響應，對于絕大多數(shù)類型的船舶，通常是必須計算的。此外，受到船舶總振動、海況及船體局部結(jié)構(gòu)的影響，船舶各個部分的局部振動情況也不相同，因此標準文件針對船體不同的區(qū)域的振動要求是不同的。對于人員休息或者工作的區(qū)域，相關(guān)標準文件往往要求較嚴格，這是保障人們在船上正常工作和休息的重要途徑。</p><p>　　3.1.2 船舶振動的主要激勵</p

74、><p>　　船上主要激勵來自于螺旋槳、主機和波浪，如圖3-1所示。正常運行中的船舶，不考慮在惡劣海況下工作，一般將海浪對船舶的振動影響當作各態(tài)歷經(jīng)的隨機噪聲處理。</p><p>　　圖3-1 船舶振動主要激勵</p><p>　　3.1.2 螺旋槳產(chǎn)生激勵的計算方法</p><p>　　考慮到對船體甲板引起振動的主要激勵是螺旋槳產(chǎn)生的水動力激

75、勵，根據(jù)螺旋槳理論包含葉頻激勵和倍葉頻激勵，具體相應頻率分別為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中：fe為螺旋槳葉頻激勵頻率值，Hz；</p><p>　　f2e為螺旋槳倍葉頻激勵頻率值，Hz；</p>

76、<p>　　N為主機轉(zhuǎn)速，rpm；</p><p>　　n為主機與螺旋槳之間減速比；</p><p><b>　　Z為螺旋槳葉數(shù)。</b></p><p>　　螺旋槳直接作用區(qū)內(nèi)的振動劇烈部位，如螺旋槳上方殼板、舵尖艙壁板及機艙底板，相應板格中心的振動幅值，作為衡量板格局部振動程度的參考測點，板格中心的振動限值為：</p&g

77、t;<p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　式中：A為位移峰值，mm；</p><p>　　S為板格短邊長度，mm；</p><p>　　t為平均厚度，mm。</p><p>　　3.2 有限元的基本概念</p><p>　　在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于力學問題或者是其

78、他場的問題，己經(jīng)得出了基本微分方程和相對應的邊界條件。但是能用解析方法求出精確解的卻只是方程性質(zhì)比較簡單而且?guī)缀芜吔缦喈斠?guī)則的極少數(shù)的問題。因此，人們多年來一直都在尋求另一種方法，也就是數(shù)值解法。</p><p>　　有限元法是一種最新的現(xiàn)代數(shù)值方法，它是將連續(xù)的求解域離散成為由有限個單元組成的組合體。這樣的組合體就能用來模擬和逼近求解域。因為單元本身可以有不同的幾何形狀，而且單元之間又能夠按各種不同的聯(lián)結(jié)方式組

79、合在一起，所以這個組合體就可以用來模型化幾何形狀非常復雜的求解域。有限元法的另一個重要步驟是利用在每個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來表示全部解域上的未知場函數(shù)。單元的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)在各個單元節(jié)點上的函數(shù)值以及單元插值函數(shù)表達，因此，在一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)的節(jié)點值就成為新的未知量，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題。一旦求出這些節(jié)點的未知量，就可以利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場函數(shù)。顯然，隨著單元數(shù)

80、目的增加，即單元尺寸的縮小，解答的近似程度將不斷改進。如果單元滿足收斂條件，得到的近似解最后將收斂于精確解。</p><p>　　3.2.1 有限元分析步驟</p><p>　　有限元法分析過程，大致可以分為以下三個階段：</p><p><b>　　（1）前處理階段</b></p><p>　　前處理階段是對實際的連續(xù)

81、體經(jīng)過離散化之后建立有限元模型，在這個階段，要構(gòu)造出計算對象的幾何模型，劃分有限元網(wǎng)格大小，從而生成有限元計算的輸入數(shù)據(jù)。這一步是有限元分析的關(guān)鍵步驟。</p><p>　?。?）有限元計算階段</p><p>　　計算階段主要包括：單元分析、整體分析、載荷移置、引入約束、求解約束方程等過程。這個階段是有限元分析的核心部分，有限元理論主要體現(xiàn)在這個過程中。有限元法主要包括了三類，即有限元力

82、法、有限元位移法和有限元混合法。在有限元力法中，選節(jié)點力作為基本未知量；在有限元位移法中，選節(jié)點位移作為基本未知量；在有限元混合法中，選一部分基本未知量為節(jié)點位移，而另一部分基本未知量為節(jié)點力。有限元位移法計算過程的系統(tǒng)性和規(guī)律性強，特別適宜于編程求解，故在有限元法中被廣泛運用。由于這一階段運算量非常大，所以這部分工作由有限元分析軟件在計算機上自動完成。</p><p><b>　?。?）后處理階段&l

83、t;/b></p><p>　　后處理階段主要包括對計算結(jié)果的加工處理、編輯組織和圖形表示三個方面。它可以把有限元分析得到的數(shù)據(jù)，進一步轉(zhuǎn)換為設計人員直接需要的信息，并且繪成直觀的圖形，從而幫助設計人員迅速地評價和校核設計方案。</p><p>　　3.2.2 建模準則</p><p>　　建模是根據(jù)工程分析的精度要求，進行建立合適的、能模擬實際結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)

84、構(gòu)的模型。在連續(xù)體離散化及用有限個參數(shù)表征無限個形態(tài)自由度過程中，常常會進行近似處理，這是不可避免的，對計算分析的結(jié)果影響也并不是很大。為了使分析的結(jié)果有足夠的精度，我們所建立的有限元模型必須在能量上與原來連續(xù)系統(tǒng)應該等價。具體地應滿足下述的準則：</p><p>　?。?）有限元模型應該滿足平衡條件。也就是說，結(jié)構(gòu)的整體和單元在節(jié)點上都要保持靜力的平衡；</p><p>　　（2）變形協(xié)

85、調(diào)條件。交于一點上的各元素在外力作用下，引起元素變形后必須仍然保持交于同一個節(jié)點；整個結(jié)構(gòu)上的各個節(jié)點，也都應該同時滿足變形協(xié)調(diào)條件；如果是用協(xié)調(diào)元，元素邊界上則應該滿足相應的位移協(xié)調(diào)條件；</p><p>　?。?）必須滿足邊界條件（包括結(jié)構(gòu)的邊界條件及單元的邊界條件）和材料的本構(gòu)關(guān)系；</p><p>　?。?）剛度等價原則。有限元模型的抗扭、抗拉、抗彎以及抗剪剛度應該盡可能得等價；&

86、lt;/p><p>　　（5）單元能夠比較好地反映出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點，特別是針對主要的受力構(gòu)件，盡可能地不要失真。單元內(nèi)部所采用的應力和位移函數(shù)必須是當單元大小遞減時有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解；避免使用非收斂元，對于波動收斂元應該謹慎使用；</p><p>　　（6）根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點、應力的分布、單元性質(zhì)、精度要求以及計算量大小等仔細劃分網(wǎng)格大?。?lt;/p><p>　

87、　（7）在幾何上要盡可能地體現(xiàn)出真實的結(jié)構(gòu)體，特別是要注意曲線與曲面與真實結(jié)構(gòu)體的相似問題；</p><p>　?。?）載荷模型要處理得當，生成節(jié)點力時要非常小心，載荷的簡化也應該小心，不要跨越主要的受力構(gòu)件；</p><p>　?。?）質(zhì)量的堆聚應滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩等效要求；</p><p>　　（10）當量阻尼折算應符合能量等價要求；</p>

88、;<p>　?。?1）超單元的劃分盡可能單級化并使剩余結(jié)構(gòu)最小。</p><p>　　3.3.3 有限元模型性能指標</p><p>　　有限元模型是借助于計算機進行分析的離散近似的一個模型。對于線性靜力問題，它包括有限元網(wǎng)格的離散點所組成的近似幾何模型，由材料力學特性數(shù)據(jù)和單元剛度矩陣表達的變形應力所平衡近似，以及外載荷近似和邊界條件近似的總體。因此，雖然理論上模型是正確的

89、，但計算的模型不可避免地會存在一定的誤差。要控制和減小這些誤差，有限元模型就應該滿足下述性能指標：</p><p>　?。?）可靠性：簡化模型的變形和受力及力的傳遞等應該與實際的結(jié)構(gòu)相一致。例如，有限元模型中的梁、桿、板（殼）、平面應變、平面應力以及邊界條件和連接條件等，都應該和實際的結(jié)構(gòu)相符合。如何確定模型的可靠性，可以用下列準則判斷：物理力學特性保持；相應的數(shù)學特性保持；</p><p&g

90、t;　?。?）精確性：有限元解的近似誤差和分片差值函數(shù)的逼近誤差成正比。因此，在建立有限元模型時，應改根據(jù)問題的性質(zhì)和精度的要求，選用一階精度元，二階精度元和高階精度元等不同類型的單元；</p><p>　?。?）魯棒性：其確切含義是指有限元方法對有限元模型的幾何形狀變化，對于材料參數(shù)的變化（例如泊松比從接近不可壓縮變成不可壓縮）以及對于從中厚度板模型變成薄板的板厚變化的依賴性：也是有限元法的可靠性對上述變化的敏

91、感程度；</p><p>　?。?）計算成本的經(jīng)濟性：計算經(jīng)濟性問題不僅與算法的復雜性、算法結(jié)構(gòu)、程序的優(yōu)化程序以及總的算術(shù)運算次數(shù)相關(guān)，而且在精度確定的條件下，與有限元建模的質(zhì)量有著很大的關(guān)系。選用單元時，應盡量選取在頂點設置節(jié)點的單元。</p><p>　　除了節(jié)點自由度相對布置對計算效率的影響外，單元劃分全局性的疏密配置更加重要。如在應力集中的部位，為達到好的計算效果，應該布置比較密

92、的網(wǎng)格，以刻畫位移變化梯度較大的實際情況。自適應網(wǎng)格技術(shù)的應用可以很好地解決全局疏密合理配置問題。</p><p>　　3.3 MSC軟件介紹</p><p>　　3.3.1 前后處理器MSC.Patran</p><p>　　The Macneal-Schwendler Corporation(簡稱MSC)創(chuàng)建于1963年，是世界最大的工程校驗、有限元分析和計算機

93、仿真應用軟件供應商。MSC.Patran軟件誕生于1980年前后，是在美國國家宇航局NASA的資助下，隨著計算機及其交互技術(shù)的發(fā)展，孕育而生并日益完善的新一代計算機輔助工程分析前后處理系統(tǒng)，它不僅率先把工程分析人員從繁重的數(shù)據(jù)準備工作中擺脫出來，并且提供與世界上大部分的有限元軟件的無縫連接，還可以提供形象的計算結(jié)果仿真圖形，因此受到世界各大公司的喜愛。目前已廣泛應用于航空航天，汽車，造船，國防等各大領(lǐng)域。作為著名的前、后處理系統(tǒng)，Pat

94、ran主要具有以下特點：</p><p>　　（1）開放式幾何訪問及模型構(gòu)造</p><p>　　●方便的圖形用戶界面。MSC.Patran采用符合Open Software Foundation（OSF）Motif標準全新的圖形用戶界面,直觀的鼠標驅(qū)動菜單和表格系統(tǒng)可用于輸入命令。友好的用戶界面條理清晰,最多不超過三級的菜單按"事件"激發(fā),使用戶可隨意接通任何分析任務

95、，整個界面系統(tǒng)始終給人一種直觀的感覺。</p><p>　　●CAD幾何模型的直接訪問。MSC.Patran是世界著名的有限元分析前后置處理器，其并行CAE工程的設計思想使MSC.Patran從另一個角度上打破了傳統(tǒng)有限元分析的前后置處理模式，其獨有的幾何模型直接訪問技術(shù)（Direct GeometryAccess，簡稱DGA）為各種CAD/CAM軟件系統(tǒng)間的幾何模型溝通，及各類分析模型無縫連接提供了完美的集成環(huán)

96、境。通過DGA技術(shù)，MSC.Patran可以直接從各個CAD軟件（如Pro-engineering、CATIA、Unigraphics、Solid Works、Euclid）中讀取幾何模型文件，這樣省去了在分析軟件系統(tǒng)中重新構(gòu)造幾何模型的傳統(tǒng)過程。</p><p>　　●強大的幾何造型功能。MSC.Patran提供了一系列的幾何造型和編輯功能。不但可以編輯讀入的CAD幾何模型，對其劃分有限元網(wǎng)格，而且可以獨立創(chuàng)建

97、各種復雜的幾何模型。</p><p>　　（2）各種分析的集成</p><p>　　MSC.Patran提供了按“事件分類”的分析解算器選擇功能，根據(jù)不同分析軟件設置不同的工作環(huán)境，滿足用戶對使用效益和集成的需要。無需再像以前那樣，當一個模型要進行不同的分析時，必須針對不同的分析軟件的特點重復建模。MSC.Patran可直接選擇如MSC.Nastran、MSC.DYTRAN、MSC.MAR

98、C、MSC.FATIGUE、Fluent等多種求解器表。</p><p>　?。?）強有力的有限元建模功能</p><p>　　MSC.Patran提供了功能全面、方便靈活的可滿足各種分析精度要求的復雜有限元的建模功能。其綜合、全面、先進的網(wǎng)格劃分技術(shù)，為用戶根據(jù)不同的幾何模型提供了多種不同的生成和定義有限元模型工具，包括多種網(wǎng)格生成器、有限元模型的編輯處理、單元設定、任意梁截面建模、邊界

99、和載荷定義以及交互式計算結(jié)果后處理。</p><p>　　在一項工程分析中，人們常需要花費很多時間劃分有限元網(wǎng)格。MSC.Patran提供了針對不同分析目的的多種網(wǎng)格生成器，包括：快速曲面網(wǎng)格生成器、自動實體單元網(wǎng)格生成器、映射網(wǎng)格生成器和掃成網(wǎng)格生成器。除優(yōu)異的網(wǎng)格劃分技術(shù)外,MSC.Patran還擁有一些獨特的網(wǎng)格處理功能,將進一步大大方便用戶的使用,如網(wǎng)格的優(yōu)化處理、單元驗證試驗、節(jié)點和單元編輯等。<

100、/p><p>　?。?）用戶可自主開發(fā)的功能</p><p>　　MSC.Patran命令語言（PCL，Patran Command Language）是一個高級、模塊化結(jié)構(gòu)的編程語言和用戶自定義工具。PCL語言類似C和FORTRAN語言，又具有一些C++語言的特性，可用于生成應用程序。不僅能自如的進行字符串處理、動態(tài)內(nèi)存分配，還可以方便的編制MSC.Patran風格特色的界面，允許用戶讀寫M

101、SC.Patran數(shù)據(jù)庫中的全部信息。因此，MSC.Patran是結(jié)合不同領(lǐng)域用戶的特點，進行專用軟件二次開發(fā)的強有力的軟件環(huán)境。幾乎所有的分析仿真軟件均利用被業(yè)界公認為標準的PCL工具，建立了與MSC.Patran的直接集成關(guān)系，甚至通過OEM將MSC.Patran作為其分析的前后處理器。</p><p>　　使用MSC.Patran進行工程分析，一般流程為：建立/獲取幾何模型→選擇分析程序→建立分析模型→遞交

102、分析→評價分析結(jié)果。</p><p>　　建立分析模型時分四步進行：網(wǎng)格劃分→創(chuàng)建材料→指定單元特性→施加載荷及約束條件。在遞交分析階段，可以根據(jù)實際情況確定分析類型是靜力、動力、非線性、疲勞、熱分析等，再生成與對應分析程序相應的數(shù)據(jù)文件，以便分析時使用。最后，評價分析結(jié)果。通過Result、Insight兩套后處理工具，MSC.Patran為用戶提供了實時動畫、等值線、X-Y曲線圖、云紋圖等強大的后處理功能。&

103、lt;/p><p>　　3.3.2 有限元分析軟件MSC.Nastran</p><p>　　MSC.Nastran是美國MSC公司開發(fā)的一個開放式的綜合有限元分析軟件系統(tǒng)，是世界各工業(yè)領(lǐng)域應用最廣泛的大型通用有限元分析程序系統(tǒng)，對大型結(jié)構(gòu)進行有限元分析尤為適合。</p><p>　　通過幾十年不斷的研發(fā)，MSC.Nastran以其全面的結(jié)構(gòu)分析能力、優(yōu)化的數(shù)值計算方法

104、、完備的前后處理技術(shù)已成為有限元軟件中的典范，具有如下主要特點：</p><p>　?。?）具有標準的輸入和輸出格式；</p><p>　?。?）支持全范圍的材料模式、載荷和邊界條件；</p><p>　　（3）求解精度和運算效率高、計算時間短；</p><p>　?。?）軟件可靠性好、分析的范圍廣；</p><p>

105、　?。?）提供獨特的DMAP用戶開發(fā)工具；</p><p>　?。?）可以與一些前后處理軟件進行鏈接。</p><p>　　4 基于有限元方法的甲板自由振動分析計算</p><p>　　4.1 散貨船的基本參數(shù)</p><p>　　本文以海之帆造船技術(shù)有限公司的一艘92500dwt散貨船甲板為研究對象，以現(xiàn)代有限元理論為基礎(chǔ)，利用有限元前后處

106、理及分析仿真系統(tǒng)軟件MSC.Patran/Nastran為工具，對散貨船的甲板結(jié)構(gòu)狀況做出評價。以下是該散貨船的一些具體基本參數(shù)和CAD圖紙。</p><p><b>　?。?）船體主要參數(shù)</b></p><p>　　總 長： 230.00 m 型 寬： 38.00 m</p><p>

107、;　　垂線間長： 222.00 m 型 深： 20.70 m</p><p>　　結(jié)構(gòu)吃水： 14.90 m 設計吃水： 12.50 m</p><p>　　該船為一艘92500dwt散貨船，船上一共設有7個貨艙。</p><p><b>　?。?）模型坐標

108、系</b></p><p>　　X軸指向船首，Y軸指向右舷，Z軸向上。</p><p><b>　?。?）邊界條件設置</b></p><p><b>　　模型舷側(cè)兩邊固定。</b></p><p>　　（4）甲板CAD圖紙</p><p>　　圖4-1 為925

109、00dwt散貨船分段劃分甲板CAD圖紙；圖4-2 為92500dwt散貨船甲板前部CAD圖紙；圖4-3 為92500dwt散貨船甲板中部CAD圖紙；圖4-4 為92500dwt散貨船甲板后部CAD圖紙。</p><p>　　圖4-1 92500dwt散貨船分段劃分甲板CAD圖紙</p><p>　　圖4-2 主甲板前部CAD圖紙</p><p>　　圖4-3 主甲

110、板中部CAD圖紙</p><p>　　圖4-4 主甲板后部CAD圖紙</p><p>　　4.2 甲板的有限元計算模型</p><p>　　在MSC.Patran中建立該船甲板三維模型步驟如下：</p><p>　?。?）建立該甲板前部的甲板板</p><p><b>　　圖4-5前部甲板板</b>

111、;</p><p>　?。?）建立該甲板前部縱骨</p><p>　　圖4-6前部甲板縱骨</p><p>　?。?）建立該甲板中部甲板板</p><p><b>　　圖4-7中部甲板板</b></p><p>　?。?）建立該甲板中部甲板縱骨</p><p>　　圖4-8