基于三维有限元模型的甲板大开口结构优化_李秀研.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言近几年，船舶行业持续处于寒潮期，船厂订单大量减少，船东对于船舶的使用要求越来越高，大功率、大装载能力的需求不断增加，但在高性能设备的更新下，振动问题越来越凸显，尤其局部大开口位置设计要求也越来越严格。针对局部结构优化，于纪军1采用尾部结构改造的方法对柴油机船舶的尾部结构进行优化，并降低了船舶尾部的结构振动；付世晓2对船舶局部结构振动分析中边界条件的简化问题做了系统的分析研究；刘西安3针对直叶浆推进器的船舶，利用 ANSYS 软件对尾部振动特性进行分析，并对尾部振动固有特性进行计算，对比流固耦合法和刘易斯法 2种附连水施加方法计算结果差异较大，推荐使用流固耦合法，都意从降低局部结构有害振动的方向提高船舶的抗振能力。由于振动强度是船舶设计阶段的核心问题之一，作为一种复杂的弹性结构物，其振动十分复杂，而船舶振动又分为总体振动和局部振动。由于船舶使用功能的不同，为满足后期设备维护和更换、货物的装卸、人员通行等实际情况，大部分船舶在甲板中存在不同程度的开口位置，本文以 33 m 金枪鱼延绳钓船作为目标船舶进行模型的建立。研究对象为开口大小为 3 m 4 m 的开口结构，以船舶的原始结构作为基础，运用船舶建造过程中的方式，更改三维模型结构，并对其进行模态运算，最后对比出最优结果，为后续船舶大开口位置结构优化基于三维有限元模型的甲板大开口结构优化李秀研，王志宇（海装沈阳局，辽宁 葫芦岛 125003）摘 要：部分船舶由于使用的特殊性，均有不同程度的大开口结构，结合针对大开口位置三维模型的模态分析发现，大开口位置存在不同局部振动过大的情况。本文根据此情况对大开口位置进行结构优化，经对比分析发现，其排序顺序依次为在主甲板与驾驶甲板中添加立柱、增加舱室隔板、局部结构加强，意在为类似开口结构局部减振提供借鉴的方法。关键词：船舶振动；结构优化；大开口结构中图分类号：U661.4 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.010引用格式李秀研,王志宇.基于三维有限元模型的甲板大开口结构优化 J.船舶物资与市场,2023,31(1):29-31.收稿日期：2022-09-15作者简介：李秀研（1993-），男，硕士，助理工程师，研究方向为船舶与海洋工程。提供建议。目标船舶为单甲板、长尾楼、短首楼、柴油主机,单速比齿轮箱驱动,定螺距螺旋桨推进的单桨、单舵尾机型金枪鱼延绳钓船。本船设有冷海水保鲜鱼舱，饵料舱和干鱼舱。主甲板以下设有燃油舱、舵机舱、机舱、燃油舱、海水鱼舱、首淡水舱、空舱及前部设备舱，艏尖舱。其开口位置在主甲板以下海水鱼舱上方，开口位置大约为 3 m 4 m（见图 1），大开口位置的作用主要用于货物的装卸。图 1 局部结构1 局部结构优化局部结构优化的优点在于仅通过增加或改变桁材对局部结构进行加强，以至于其工程消耗材料最少、占用空间面积最小、方式最为简单。如图 2 所示，目标船舶原来舱室中结构相对简单仅使用 T 型材作为结构支撑，仅通过甲板本身结构抵抗有害振动，对此本文采取 T 型材局部结构进行加强的方式，在每个肋骨之间分别增加 1根 T 型材，并在开口位置周围增加角钢，在角钢与大开船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 30 口位置之间再次增加 T 型材的结构方式，如图 3 所示，对局部进行结构加强。图 2 原开口甲板结构图 3 优化后开口甲板结构经采用局部结构加强的方式，对目标船大开口位置重新建立模型，通过对优化后的目标船舶固有频率和固有振型计算（见图 4 和图 5），相比于原始结构，发现通过结构加强的目标船舶，固有频率在 5 16 Hz 之间降低了有害振动，但固有频率在 16 18 Hz，局部有害振动仍然明显。图 4 16.552 Hz 固有振型图图 5 18.512 Hz 固有振型图经过尝试调整开口位置大小，局部结构优化在固有频率的振型图中影响效果不一样，开口大小与局部结构优化效果呈明显的抛物线形势，开口位置越大，局部结构优化效果越不明显，但经过一个峰值后，开口位置越大，局部结构优化效果越明显。由于开口大小、使用材料不同，均会对峰值产生影响，后续可针对峰值开展专项研究。2 增加支撑结构经过对大开口位置进行局部结构优化分析可以看出，仅仅通过局部结构优化的方式降低有害振动效果不够理想，针对该情况分别采用增加舱室隔板、增加支撑立柱的方式进行优化研究。2.1 增加舱室隔板目标船舶大开口位置在中层甲板，由于在船舶结构中，舱底主要布置主机、柴油发电机组等振动源设备，为避免振动耦合带来的伤害，经考虑仅对大开口位置至上层甲板之间添加舱室隔板（见图 6）。在舱室隔板的模型建立中主要采用角钢作为结构加强材料。图 6 增加舱室隔板在大开口位置处增加舱室隔板后，对目标船舶大开口所在位置进行固有频率和固有振型的计算，经过对目标位置进行计算（见图 7 和图 8），减振效果明显。图 7 16.507 Hz 固有振型图图 8 18.512 Hz 固有振型图第 1 期 31 对比原局部结构优化的方式，增加舱室结构的模型已无有害振动，但相比于局部结构，该方式减少了空间，增加了船舶建造阶段的成本。2.2 增加立柱针对增加舱室结构，虽降低了目标船舶有害振动，但增加了船舶建造成本，缩小了空间。故采用由工型钢作为立柱替代舱室隔板，并安置在大开口结构 4 个角，如图 9 所示。图 9 结构加强立柱布置图在大开口位置处增加立柱后，对目标船舶大开口所在位置进行固有频率和固有振型的计算，经过对目标位置进行计算（见图 10 和图 11），减振效果明显。图 10 16.487 Hz 固有振型图图 11 19.311 Hz 固有振型图通过对在主甲板及大开口位置添加立柱的方式，对目标船舶进行模态分析可以看出，在临近的固有频率中，局部振动情况有极大的改善，且减振效果几乎等同于增加舱室隔板。3 结语通过局部结构加强、增加支撑结构的方式对目标船舶振动过大的大开口位置进行研究发现，经过局部结构加强的方式对目标船舶大开口位置进行结构优化，对有害振动产生了一定的抑制作用，但由于甲板开口大小与局部结构优化效果呈抛物线形式，建议后续可对峰值进行研究，提出不同材料结构优化的最佳方案。通过对主甲板及上层甲板增加舱室隔板的方式，降低大开口位置的有害振动，但占用了空间。针对该情况提出由立柱替换隔板的方式，经分析该方式同样降低了有害振动，且保留了部分空间，同时也降低了建造成本。针对大开口位置振动过大的问题，结合设计阶段或现场实际施工过程中的经验，可以考虑大开口结构的位置，将大开口位置放在原存在结构加强的位置旁边，如：舱室隔板旁或加强立柱旁等，通过原有的支撑结构，为大开口位置提供支撑，其目的与增加舱室隔板或者立柱的方式一致，理论上能够降低有害振动，但在设计过程中，应考虑好舱室的排布情况，尽可能做到在大开口位置四周进行结构加强，否则仅靠单方向支撑，对大开口位置的抗扭转强度增强效果不明显，不利于目标船舶应对复杂海况，依托周边加强结构的优点在于：从船舶建造成本的角度考虑，通过依托原固有结构进行加强的方式可以较好地降低建造成本，存在更好的经济收益效果。在对大开口位置进行局部结构优化的过程中，为了降低大开口位置的有害振动，在设计条件允许的情况下可以优先考虑在大开口位置合理增加立柱。参考文献：1 于纪军.某型船船体尾部振动设计考虑 J.船舶,2002(6):26-28+33.2 付世晓,赵德有,黎胜.船舶局部结构振动分析中边界条件的简化和修正方法研究 J.船舶力学,2004(1):92-98.3 刘西安,吴广明,李伟杰.直叶桨型科考船艉部振动 J.船海工程,2017,46(6):32-37.李秀研,等：基于三维有限元模型的甲板大开口结构优化