船舶结构的输入流动性外文翻译资料

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船舶结构的输入流动性

Lin, Tian Ran and Mechefske, Chris K. (2008) ,船舶结构输入流动性，第五届世界薄壁会议，《ICTWS 2008薄壁结构创新1》，P237-244，布里斯班。

摘要：本文通过利用完善的有限元分析法研究复杂船结构的基本特征和动态输入迁移控制机制。它表明，该方向的力和弯矩激励在引擎的船舶结构的输入流动性安装位置是由发动机支架的弯曲刚度的控制。频率平均输入流动性可通过相应的无限光束来表示。输入的移动性，由于面内力激励是通过那些相应的有限和无限梁界。该扭矩输入迁移率可以通过由两个界定的源发动机床部的输入流动性来预测连续环形框架归因于环形框架的较大的面内刚度。它说明船结构反应平均频率在分析中几乎不受到船体和甲板板的影响。

关键词：流动性的输入，振动，船舶结构

1.引言

结构响应于外力的一个重要措施是输入迁移率（阻抗）。理解一个复杂的结构的输入迁移率的特性可导致的快速估计可以从已知的振动源的结构的注入功率。这种结构简单的输入迁移如梁，板和梁加筋板已在文献中已有记载。 Pinnington与白（1981）研究了从振动机的动力传递到支撑梁，发现支撑梁的频率平均输入迁移率可以通过与对应的近似无限长梁。格莱斯和Pinnington（2000）获得附加到一个无限的光束的输入阻抗板有限或无限扩展至适用于梁上的点力激励。他们发现，该板当板弯曲波数的两倍以上的光束表现为局部反应阻抗梁弯曲波数。人们认到，当一个光束被连接到一个有限的板，该沿着光束传输在窄的频带，其中所述板表现的是显著衰减反谐振。然而，在他们的分析中使用的光束不能进行复杂的波，其结果是在低频领域反映不准确。最近，林和潘（2006）中使用的闭合形式解来研究有限肋的输入迁移率的特性加筋板点力和力矩激励。他们发现的点力输入的流动性有限肋板是由那些相应耦合板和肋的成形肋板为界。输入迁移率主要由光束抗弯刚度所支配，当力激励被施加到光束，它是板刚度控制当光束超过板弯曲波长的远离力的四分之一位置。与此相反，一个带肋板的扭转力矩输入移动性为主的应力，可通过它的频率平均值表示相应的无限大板。肋条加强板的输入迁移的研究便于肋板结构的振动特性的理解。然而，由于不同波类型的耦合增加分析的复杂性，如船舶的结构和多波的传播路径。这种复杂的结构的详细的振动分析，如果不借助数值工具的帮助很难实现。其结果是，在井建立的有限元分析（FEA）方法被用在本研究中，调查30米船员船只的船体结构在低频的输入流动性，希望对船舶结构振动的基本特征的认识和控制。讨论这些输入的迁移率之间的相互关系。

总体上，以30m的船员容器为例，所述有限元模型的一般描述和3-维模式形状。在第2节中通过有限元分析所预测的船舶的公知的双节点垂直振动模式。在第3节中给出一般功能和船体结构的机舱部分的输入迁移率的控制机制给力和力矩激励。在第4节中从这项研究得出的结果中给出讨论。

2.30M船员船只的描述和2节点垂直振动模态

本研究中使用30米船舶的一般曲线，示于图1的船体，同样由环形框架分割为三十米部分。船体结构由铝制成并且被分隔由水密舱壁分成若干功能区域，如住宿的房间，实用面积，机房，油箱和方向舵的房间。船体的主要刚性部件包括龙骨，发动机床，甲板大梁，大梁底，柱子和环帧。这些刚性部件中的结构安排该船舶的仰视示于图2。

图3示出了中心发动机的框架的截面形状的位置，两个发生器和17和支撑结构，如发动机的床。螺旋桨功率火车和的侧视图轴系的结构布置示于图4。

船舶的几何结构和船体结构的轮廓是环形框架，1M分开和通过龙骨等主要刚性部件，如甲板桁材，底梁和发动机床互连限定。垂直支柱被用来在帧5，8，14，18和20的环形框架提供垂直支撑（垂直刚度）到船体通过在FEA模型板元件啮合并通过骑手杆被加强（通过光束啮合元素）沿其内周长。如龙骨，柱子，甲板纵桁，梁底和发动机床船体的其他主要部件的刚度都是由FEA模型中梁单元网格。30米的船包括船体和上层建筑的有限元模型，如图5所示。

众所周知的30m的船舶的双节点垂直振动模式{托德（1961），范Gunsteren（1974）}是通过利用由商用有限元分析软件提供正常模式分析预测 - MSC / NASTRAN为干燥（在空气中）潮湿（在水中）的条件。三维模型的形状分布示于图6。自然的模式的固有频率比13HZ稍小用于干船模型预测和为约4赫兹当船舶在水中浸没基线2米以上。用于干船模型相对高的模态的固有频率是由于该加强组件，如龙骨，发动机床，梁，和船舶结构的重量轻的铝肋板结构的高刚度。大减少在潮湿的船模模态固有频率主要是由于“虚拟质量效应”{托德（1961），夏等人。 （2000）}当船舶在水中被淹没。周围的水的该船舶的模态振动的阻尼也有助于降低固有频率。值得注意的是，在湿船模式的固有频率是由其他研究人员预测这样两个节点垂直振动模式的固有频率的范围内。如，二湖散货船由Gunsteren（1974）预测的2节点垂直振动模式的固有频率由采用改良切片理论分别为4.1Hz和6.1Hz。

FEA的通过有限元分析全球的船舶结构的动态详细分析简单明了。然而，这样的分析通常是非常耗时和被限制在低频率分析。为了克服这种限制和提高分析的频率范围内，只有30米船员的机房节容器在随后的分析虑。龙骨的全长也包括在有限元件模型，使从发动机室部分中的能流到船结构的其他部分可以评估。

3.船体结构的振动反应

3.1 30m的船舶机舱部分的有限元模型

船舶结构的机舱部分是由两个水密舱壁的约束。--框架16和23. 二有限元模型被认为是该结构在数值模拟中，一个包括两个刚性组件和模型中（图7）的船体和甲板板，另一只考虑发动机室的主要刚性部件（图8）。来自这两个模型中获得的结果是相比让钢板性能的振动传播在船舶结构的贡献可以评估。龙骨的全长也被包括在这两个FEA模型。一个统一的内部损耗因子（eta;= 0.01）被假定为模拟中的所有结构部件。此外，没有边界约束加强的有限元分析模型。相比之下，简支被假定为有限边界条件。平均刚度和发动机床的质量特性（非均匀光束）用于分析溶液中的光束。

因为结构传播声音在低和中等频率的波长范围内是多大于机隔离和坐骑，发动机，发电机，螺旋桨的尺寸和辅助机械的船舶的支撑结构可以由点源近似。船舶结构，通过机床垫铁的激发能进能出的平面力，平面内力，扭转和弯矩激发或它们的组合。例如，已经指出了{私哈尔托赫（1947），Ward等（1982）}上船体结构的发动机激励有两种形式：（1）由发动机整体通过引擎绝缘体（点力激励）传递到基础的振动和（二）在曲轴和在驱动机械（时刻激励）的轴系扭转振荡。发动机的输入流动性支持由于每个单独的激发在研究分别调查。

3.2机房的振动响应

（a）基于一个平面点力激励对机房的部分流动性的输入

在该模拟中，一个正常的（外的平面中）点的力是在所述安装位置之一施加机床中所示发动机支持两个FEA模型的由于这个图8输入的迁移率点动力激励被计算，并在图9与相应的梁一起有限和无限扩展。假设在计算中使用的有限光束被简单地支撑在两端的长度束（L）是基于所述机床，其中所述横截面面积是相对均匀的部分（3米长，从16跨越到18，以适应主发动机的整个跨度）。平均交叉为该发动机床部的截面积被用作简支梁的横截面面积。该有限光束的输入迁移率是从{杨格和费特（1986）}计算的：

其中phi;（x）=sin（K x）为简支模态函数在源位置X0评估ntilde;0否0 Npi;是模态的波数。

B和k分别梁弯曲刚度和弯曲波数，和k=ntilde;大号b大号Lambda;=ntilde;是模态恒定。

相应的无限长梁的输入流动性{Cremer等人。 （1988）}：

其中rho;是每束的单位长度的质量。

它表明，该频率平均的发动机支承的输入流动性为FEA模型可以是

由相应的无限长梁的近似。这一发现与观察吻合Pinnington和怀特（1981）研究了谁从振动机的动力传递到支撑光束。对于这样的激励，所述环形框架的平面内刚度的幅度刻度的顺序相同机床的弯曲刚度，以使整个发动机床（跨距帧之间16〜23）振动作为非均匀的光束。环帧表现为常规刚度和质量附件抗弯机床的振动，并经由在机床的长波提供额外的阻尼联接到所述环形框架的板元件的短弯曲波。因此，频率机床的平均输入流动性接近于相应的无限长梁的。由于船体结构的频率平均输入的流动性几乎不受影响，当船体和甲板板是包括在结构模型，它意味着在船舶结构的对输入的移动性的刚度术语这种激励是由机床的弯曲刚度的控制。这一发现是类似于林和潘（2006）有限肋的振动响应特性分析提供讨论板。这也证实格莱斯和Pinnington（2000）谁表明，在短波观察板主要提供阻尼以在光束的长波传播。因此，船体和甲板板可以忽略简单分析来估算引擎支持的（正常）点力输入的流动性并从一个振动机械振动能量流运送在实际应用中的结构。

（b）基于面内动力激励的发动机室部的输入迁移率

发动机室部的平面内的力激励是通过计算由于输入移动通过在面内的力代替正常点力和重复所述有限元仿真。其结果是在图10中与这些有限和无限盘区的相应波束一起示出，该输入其中的迁移率分别鉴于：

其中Gamma;= EA和KL分别是纵向刚度和波数。 rho;纵波速度。 E和rho;是杨氏模量和质量密度，

A是截光束的面积。由公式给定了输入的移动性。 （4）仅是由Cremer等人给出的一半。 （1988）谁认为作用在半无限束的一端的面内的力。

人们发现，在发动机支承件的平面内的力输入的移动性是通过对输入的移动性有界相应的无限梁和相应的有限3米光束在非共振响应的，除了在低频几个大的峰值响应感兴趣的频率范围。这些大峰响应归因于机床的刚体运动对弯曲共振反应所述环形框架（其具有小得多的值的刚度相比的大的面内刚度机床）。每个峰值响应对应于一个等效弹簧质量系统的谐振响应由发动机床的刚性体和一个附环形框架的弯曲刚度而形成。这些当船船体和甲板板包括在FEA模型峰值响应在很大程度上衰减所得到由板弯曲振动增加的阻尼弹簧质量系统。整体输入的移动性也向上移动并接近时对应的无限束的输入流动性船体和甲板板安装于模型通过短归因于增加阻尼效果在所述板弯曲波（也参见在上一节的讨论）。

（c）基于扭转力矩激励发动机室部的输入流动性

图11示出发动机室部的输入迁移率由于扭矩激励施加于发动机与这些对应的有限和无限梁一起装入位置。该有限与无限的梁扭转输入迁移率计算公式如下：

其中T和KT都梁的扭转刚度和波。 R是翘曲的扭转刚度比率和I是光束的极惯性矩。

据发现，该频率平均船舶结构的输入迁移率由于扭矩激励可以从相应的有限1米光束的非谐振响应来估计。这是归因于该环的较大的面内刚度帧边界发动机床部下直接激发，相比于发动机床的小得多的扭转刚度。因此，该两个连续的帧（帧17和18）边界源机床段（长1m）表现为结束弹性边界部分的扭转振动。然而，扭转的峰响应简支梁的振动不会被形成，并在船舶响应呈现由于耦合到其他波类型的子结构。而环的板弯曲振动的本地谐振响应帧和船体和甲板板通过之间的接头示出在输入移动子结构。

（d）基于弯矩激励的发动机室部的输入迁移率

它已经被林和潘（2006）证实，相似点的力输入的流动性特征，肋的输入流动的刚度术语加筋板由于弯矩激发在肋是还由肋的弯曲刚度支配。这也是船舶结构的情况下，如图12其中频率平均船舶结构的输入迁移率由于弯矩激励施加于发动机床可以通过在整个相应无限长梁的近似感兴趣的频率范围。

4 结论

本文利用有限元模型，分析30米船 的机房部分和特点，研究其输入迁移率的控制机制容器中的点力，施加到安装位置。它显示的船体结构，由于受力点的输入迁移和时刻激励在发动机架主要由发动机床的刚性控制。该列入船舶结构模型船船体和甲板板不仅增加了阻尼长在主要加劲梁波传播（即发动机床，龙骨），并对影响不大频率平均船舶结构的振动响应，其可以通过这些的预测相应的有限或无限范围的光束。因此，这些盘面板可以在被忽略船振动响应于机械激励的分析，其中从振动的能量流机械到船结构以及在船舶的动能的传播可以从估计简单的结构部件，如发动机的床和龙骨。

致谢

对于由澳大利亚研究理事会和海洋战略Pty.Ltd.公司西澳大利亚州提供的财政支持，作者不胜感激。

参考文献：

1 Pinnington，R. J.和白色，R. G.（1981）。通过机隔离电源流向共振和非共振横梁。声音与振动杂志75（2），179-197的。

2 格莱斯，R.M。和Pinnington，R.J。（2000）。一种组装结构的振动分析方法，第一部分：介绍和板的解析分析加劲梁。声音与振动杂志230（4），825-849的。

3 林，T. R.和潘，J.（2006）。对于有限肋板的动态响应一个封闭的形式解决方案。杂志美国119声学学会（2），917 -925。

4 托德，F. H.（1961）。船体振动。伦敦：爱德华·阿诺德有限公司

凡Gunsteren，F. F.（1974）。波浪引起的船体振动的一些进一步的计算。海洋车辆动力学和结构波，278 - 290。

5 夏，L. J.，吴W. G.，翁C. J.，金，十D.（2000）。流体结构分析加上高速船舶垂直振动。船舶力学4（3），43 - 50。

6 书斋哈尔托赫，J. P.（1947）。机械振动。第三版，麦格劳 - 希尔出版公司，公司，纽约和伦敦。

7 沃德，F.，诺里斯，C.，Catl

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