某舰艉基于振级落差约束的动力学优化设计.pdf

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1、第39卷第1期2010年2月船海工程SHIP＆()CEANENGINEERINGVoL39No．1Feb．2010DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2010．01．001某舰艉基于振级落差约束的动力学优化设计刘文斐，张裕芳(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030)摘要：运用振级落差减振效果评价方法研究某舰艉部分基于金属材料结构动力学的优化设计问题。建立相应结构动力学优化数学模型，并采用遗传算法进行求解，结果表明，改变船体板厚能够有效改善舰艉减振特性。关键词：动力学优化；振级落差；设计中图分类号：U661．44；THl32．41文献标志码：A文章

2、编号：1671—7953(2010)01—0001—04舰船艉部振动是长期存在且亟须解决的问题。以往大多在船舶海洋工程结构设计完毕后采用特殊器材进行减振降噪。这样的解决方法所需费用较大。经验表明，如果在一开始就结合动力学要求进行舰船艉部结构设计，则不仅节省开支，而且可以获得更好的减振效果。因此在设计阶段就进行结构的振动分析很有意义[1唱]。在前期试验研究基础上，使用Engineious公司出品的ISGHT软件，建立基于金属材料的舰艉结构，以加速度振级落差为约束进行舰艉结构动力学优化设计。采用基于重量目标下的金属材料结构优化模型，能得到实际合理的工程优化没计f41。1结构有限元模型计

3、算1．1振动评价方法定义系统的振级落差定义如下：TLf=20logl。亏粤dB(1)1down式中：L、Td一——振动系统上、下振动评价点在计算频段内振动指标的最大幅值，可以分为位移振级落差、速度振级落差和加速度振级落差等描述指标。1．2舰船的主要激振来源船舶运行时的主要激励是螺旋桨、主机、辅收稿日期：2009—02—13修回日期：2009—09—27作者简介：刘文斐(1980一)，男，硕士生。研究方向：船舶力学、新船型设计。E-mail：iehenry80@hotmail．tom助设备和海浪。其中以螺旋桨和主机最为明显。振动源主要来自螺旋桨诱导的表面力，即脉动压力沿船体湿表面的积

4、分。当螺旋桨在非均匀伴流场中运转时，桨叶进入高伴流区，空泡又消失，这种时生时灭的非定常空泡在船体表面形成极大的脉动压力，以致产生较大的表面力，但空泡对螺旋桨轴承力影响不大。船体动力结构完全浸没于水中，螺旋桨的激励主要来源于Z方向的表面力。主机激励主要考虑由气缸内压交变应力引起的激振力矩。主机各阶激振力矩由水平激振力矩、垂向激振力矩、H形激振力矩、X形激振力矩等组成。模拟时主要考虑前几阶低频振动对船体的影响。根据同类型激振资料，非最高转速的螺旋桨激振力按转速的3次方减d,c5

5、：，八r、3F—Fm。(。子)(2)、』YP，非最高转速下主机激振力矩按转速的平方减小：，八，、2M—M二(

6、等)(3)、』VP，1．3有限元模型模型为某双体船艉部结构，有着超常规外形设计，外形结构都是由平面构成。其动力和操纵主要应靠该船艉部提供，因此必须对结构进行划分。参考点对应的节点编号分别为A(Node6942)、B(Node10764)、C(Node10889)、D(Node10973)、E(Node5547)、F(Node5934)，评价动力舱部分振动状态。艉部有限元模型见图1。1．4模态和频晌计算艉部外部板壳结构与海水接触，研究结构振动时必须考虑流体的影响，表现为附连水质量的】第1期船海工程第39卷图1艉部有限元模型效应。在有限元计算中通过定义有限元模型湿表面单元来自动实现耦合

7、振动汁算过程。低频振动蕴含能量H大，rtl激励引起的共振将造成船体结构破坏，影响船用设备的正常使用。避免由于船体水下部分的振动过大，将成为减振设计中的重点。因此计算隐身船体水下部分的振动模态，得到低阶频率内第5阶、第8阶、第9阶局部模态造成的船体振动，见图2、3、4。2图2第5阶振型f=24．650Hz图3第8阶振型f-=27．314Hz图4第9阶振型f=32．602Hz隐身船体水下部分的振动前lO阶模态见表l。表1舰艉前10阶模态阶次振甓鬈率阶次振动／H频z卒116．608625．134219．122725．199321．166827．314421．213932．602524．6

8、501032．694衡量船体振动的性能指标为振级落差，通过计算船体参考点加速度振级落差对其振动特性进行评估。考虑螺旋桨Z向激励和主机的水平激振、垂向激振、H形激振、X形激振同时发生的极端情况下，在0--一50Hz频段内艉部参考点A、上；、C、D、E、F的频响和加速度振级落差见图5、6，表2。r，E窗兽越制星f-、。∞●E≤均置赵矧口杂图5A、E、F点下强迫振动加速度响应图6B、C、D点下强迫振动加速度响应表2初始设计下参考点振级落差某舰艉基‘丁振级落差约束的动力学优化