冲击环境下船舶大型设备与船体结构一体化耦合动响应研究
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摘要
本文以船舶水下爆炸研究为背景,针对船舶大型设备冲击环境的复杂性特点,结合大型设备抗冲击计算相关理论,采用数值实验对船舶大型设备冲击动响应和设备与船体一体化动响应特性进行对比分析,总结提炼船舶大型设备一体化抗冲击动响应特性及其研究方法。本文旨在通过对船舶大型设备进行一体化与非一体化动响应特性的研究,对比两者在结构抗冲击特性分析中的区别与联系,为船舶大型设备抗冲击特性研究带来新思路,并为大型设备抗冲击性能设计及评估提供工程参考。
第一、对船舶大型设备结构特点进行阐述,研究分析大型设备的复杂连接关系,采取合适建模方法,包括几何模型清理与简化、有限元单元类型选择、单元质量控制、建模和结构计算模型有效性验证及非线性因素建模等；
第二、研究船舶大型设备抗冲击薄弱环节和危险区域判定方法；通过频率计算获得截止频率以下某船舶大型设备的薄弱环节,并以该薄弱环节作为抗冲击时域分析中的重点考核对象；
第三、研究船舶大型设备抗冲击时域分析方法基本理论,及数值实验分析过程。对时域分析方法的基本原理进行分析,描述冲击环境和冲击谱时域转换方法；并以某船舶大型设备为研究对象,进行非一体化抗冲击特性研究；
第四、研究船舶大型设备与船体一体化冲击动响应分析方法。将主从系统振动因素考虑到船舶大型设备抗冲击特性研究中,对比非一体化方法分析结果,阐述二者在设备抗冲击特性研究中的区别与联系；
第五、通过一体化动响应分析方法,对船舶大型设备与船体舱段一体化进行研究,对比分析设备与舱段一体化抗冲击动响应特性,确定合理舱段长度,形成一种简化的一体化分析方法,为设备与船体一体化抗冲击研究提供借鉴参考。
Based on the research of ship underwater explosion and the anti-shock calculation theories of equipments, aiming at the complex shock environment of the large-scale ship equipments, this paper studies the response characteristics of the ship equipments in the underwater explosion environment and the incorporate anti-shock analysis of the large-scale ship equipments with ship structure.
The paper focuses on comparing the large-scale ship equipments'anti-shock response characteristics between incorporate anti-shock research method and non-incorporate anti-shock research method using the numerical experiment. This paper aims to analyze the ship equipments'anti-shock response characteristics using incorporate anti-shock research method, and provides some new methods and results for engineering reference.
Firstly, the paper describes the design features of the large-scale ship equipments and studies the appropriate modeling techniques, including simplification of the geometrical models, selection of the finite element types, quality control of the finite element, and the calculation efficiency of the finite element models. Meanwhile this paper considers the non-linear factors;
Secondly, the paper analyzes the criterions of the large-scale ship equipments' weak links and dangerous regions. According to frequency calculation method, the large-scale ship equipment's weak links whose modal frequencies are below critical frequency can be obtained. These areas will be the key targets to be checked with while analyzing the equipment's anti-shock response characteristics.
Thirdly, the paper studies the basic theories of the time-domain anti-shock analysis for large-scale ship equipments and its numerical experiment process. It analyzes the basic theories of the time-domain simulation method and describes the large-scale ship equipments' shock environment and the method for translating the shock spectrum from frequency-domain to time-domain. Particularly it analyzes the large-scale ship equipment's anti-shock response characteristics using numerical experiment.
Fourthly, the paper studies the incorporate anti-shock analysis method which coupling the large-scale ship equipments with ship structure. It considers the master-slave vibrational system in the equipments'anti-shock research, and compares the results with non-incorporate analyzing results. In this paper, it confirms the differences and summarizes the features of the incorporate method.
Fifthly, the paper studies the incorporate anti-shock response coupling the large-scale ship equipments with ship segments using the incorporate anti-shock analysis method. It compares the incorporate anti-shock results with the whole ship hull and equipments model analysis results and defines the effective ship segment length to substitute the whole ship model. It gives the simplified incorporate anti-shock analysis method, and provides reference information for the large-scale ship equipments' anti-shock research.
第一、对船舶大型设备结构特点进行阐述,研究分析大型设备的复杂连接关系,采取合适建模方法,包括几何模型清理与简化、有限元单元类型选择、单元质量控制、建模和结构计算模型有效性验证及非线性因素建模等；
第二、研究船舶大型设备抗冲击薄弱环节和危险区域判定方法；通过频率计算获得截止频率以下某船舶大型设备的薄弱环节,并以该薄弱环节作为抗冲击时域分析中的重点考核对象；
第三、研究船舶大型设备抗冲击时域分析方法基本理论,及数值实验分析过程。对时域分析方法的基本原理进行分析,描述冲击环境和冲击谱时域转换方法；并以某船舶大型设备为研究对象,进行非一体化抗冲击特性研究；
第四、研究船舶大型设备与船体一体化冲击动响应分析方法。将主从系统振动因素考虑到船舶大型设备抗冲击特性研究中,对比非一体化方法分析结果,阐述二者在设备抗冲击特性研究中的区别与联系；
第五、通过一体化动响应分析方法,对船舶大型设备与船体舱段一体化进行研究,对比分析设备与舱段一体化抗冲击动响应特性,确定合理舱段长度,形成一种简化的一体化分析方法,为设备与船体一体化抗冲击研究提供借鉴参考。
Based on the research of ship underwater explosion and the anti-shock calculation theories of equipments, aiming at the complex shock environment of the large-scale ship equipments, this paper studies the response characteristics of the ship equipments in the underwater explosion environment and the incorporate anti-shock analysis of the large-scale ship equipments with ship structure.
The paper focuses on comparing the large-scale ship equipments'anti-shock response characteristics between incorporate anti-shock research method and non-incorporate anti-shock research method using the numerical experiment. This paper aims to analyze the ship equipments'anti-shock response characteristics using incorporate anti-shock research method, and provides some new methods and results for engineering reference.
Firstly, the paper describes the design features of the large-scale ship equipments and studies the appropriate modeling techniques, including simplification of the geometrical models, selection of the finite element types, quality control of the finite element, and the calculation efficiency of the finite element models. Meanwhile this paper considers the non-linear factors;
Secondly, the paper analyzes the criterions of the large-scale ship equipments' weak links and dangerous regions. According to frequency calculation method, the large-scale ship equipment's weak links whose modal frequencies are below critical frequency can be obtained. These areas will be the key targets to be checked with while analyzing the equipment's anti-shock response characteristics.
Thirdly, the paper studies the basic theories of the time-domain anti-shock analysis for large-scale ship equipments and its numerical experiment process. It analyzes the basic theories of the time-domain simulation method and describes the large-scale ship equipments' shock environment and the method for translating the shock spectrum from frequency-domain to time-domain. Particularly it analyzes the large-scale ship equipment's anti-shock response characteristics using numerical experiment.
Fourthly, the paper studies the incorporate anti-shock analysis method which coupling the large-scale ship equipments with ship structure. It considers the master-slave vibrational system in the equipments'anti-shock research, and compares the results with non-incorporate analyzing results. In this paper, it confirms the differences and summarizes the features of the incorporate method.
Fifthly, the paper studies the incorporate anti-shock response coupling the large-scale ship equipments with ship segments using the incorporate anti-shock analysis method. It compares the incorporate anti-shock results with the whole ship hull and equipments model analysis results and defines the effective ship segment length to substitute the whole ship model. It gives the simplified incorporate anti-shock analysis method, and provides reference information for the large-scale ship equipments' anti-shock research.
引文
[1]汪玉,华宏星.舰船现代冲击理论及应用.北京：科学出版社,2005：1-16页
[2]姚熊亮,陈建平.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究.中国造船.2001,42(2)：48-55页
[3]D.V.Balandin, N.N.Bolotnik, W.D.Pilkey. Review:Optimal Shock and Vibration Isolation. Shock and Vibration,1998:73-87P
[4]Keil A H. The Response of Ships to Underwater Explosions. SNAME, 1961:366-410P
[5]R.Rajendren, K.Narasimhan. Deformation and Fracture Behaviour of Plate Specimens Subjected to Underwater Explosion-a Review. International Journal of Impact Engineering,2006(32):1945-1963P
[6]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用.无锡：中国船舶科学研究中心博士学位论文.2002：1-22页,90页,101-103页,99页,72-74页,100页
[7]罗松林.水下爆炸研究现状.工程爆破.1999,3：84-87页
[8]翁长俭.我国船舶振动冲击与噪声研究近年进展.中国造船.2001,40(9)：68-83页
[9]吴有生.世纪之交船舶结构力学研究展望.力学-现代工程技术的支柱.南京：河海大学出版社,2001：5-66页
[10]尹群.水面舰船设备冲击环境与结构抗冲击性能研究.南京：南京航空航天大学博士学位论文.2006：1-16页
[11]Didoszak J M. Parametric Studies of DDG-81 Ship Shock Trial Simulations, Monterey:Naval Postgraduate School,2004:1-3P
[12]马纶宇,王成刚,沈荣瀛.舰船机械设备冲击标准浅谈.噪声与振动控制.1997：41-45页
[13]姚熊亮.船体振动.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2004：230页
[14]姚熊亮等.大型复杂舰船设备抗冲击动态特性研究.哈尔滨：哈尔滨工程大学学报,2008,29(10)：1023-1029页,1039页
[15]冯麟涵等.船用锅炉在冲击作用下的动态响应数值分析.2007年ABAQUS用户论文集.2007：412-418页
[16]周其新等.舰用齿轮箱抗冲击能力时域计算.中国舰船研究.2007,2(3)：44-48页,55页
[17]赵新等.舰用主汽轮机组抗冲击动态特性研究.黑龙江省造船工程学会学术年会论文.2007：110-113页
[18]GJB1060.1-91,中华人民共和国国家军用标准-舰船环境条件要求机械环境.北京：国防科学技术工业委员会.1991：18-27页
[19]王剑松.基于岸桥的大型设备参数化设计系统研究.大连：大连理工大学硕士学位论文.2007：14-18页
[20]谢卫青.大型设备制造企业物流运作模式的研究.南京：南京航空航天大学硕士学位论文.2005：14-15页
[21]任明其.大型设备研制中CAD技术的应用研究机电设备.1997：70页,13页
[22]白雁钧,祝凌云.Pro/ENGINEER野火2.0版绘图指南.北京：人民邮电出版社,2004：116-153页
[23]Altair HyperMesh基础培训教程.上海：澳汰尔工程软件公司,2003,10-25页
[24]刘荣军,吴新跃,郑建华.有限元建模中的几何清理问题.机械设计与制造.2005,9(9)：145-147页
[25]杜平安.有限元网格划分的基本原则.机械设计与制造.2000：34-36页
[26]李金国,王慧,刘红.基于HyperMesh的有限元前置优化设计.制造业信息化.2005(7)：126-127页
[27]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.北京：机械工业出版社,2006：125-163页
[28]庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例.北京：科学出版社,2004：285-345页,166-186页
[29]成大先.机械设计手册.北京：机械工业出版社,2004：3-34-3-42页
[30]杨洪涛,贾继强.机载光电平台内框架刚度及模态有限元分析.计算机 仿真.2005,22(11)：311-314页
[31]傅志方,华宏星.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社,2000：50-67页
[32]郭镇明,唐嘉亨,丛望.非接触爆炸下舰船电力系统生命力的研究方法.船舶工程.1996：31-35页
[33]严普强,乔陶鹏,邓焱,毛乐山.动态测试信号处理中时-频域变换算法的讨论.振动、测试与诊断.2003,23(2)：120-146页
[34]庄楚强,吴亚森编.应用数理统计基础.广州：华南理工大学出版社,1999：33页
[35]吴翊,李永乐,胡庆军编著.应用数理统计.长沙：国防科技大学出版社,1995：8-13页
[36]汪玉,胡刚义,华宏星等.带限位器的船舶设备非线性冲击响应分析.中国造船.2003,44(2)：39-44页
[37]汪国和,尹立国,吴广明等.筏体和基础弹性对设备冲击响应影响的有限元分析.噪声与振动控制.2004：11-14页
[38]陈晓洪,崔鲁宁,浦金云.爆炸及冲击效应对舰船电力系统生命力的影响分析.船海工程.2005(6)：7-10页
[39]张阿漫.水下爆炸载荷作用下的船体总强度计算方法研究.哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005：12-24页
[40]Blevins R D. Formulas for natural frequencies and mode shapes. Robert E. Fruger Publishing Co.,1979.Science and technology.2002,25(6):52-55P
[41]汪俊,刘建湖,李玉节.加筋圆柱壳水下爆炸动响应数值模拟.船舶力学.2006.4,10(2)：132页
[42]金咸定主编.船体振动学.上海：上海交通大学出版社,1988：122-123页
[43]金咸定,赵德有.船体振动学.上海：上海交通大学出版社,2000：27页,65-67页
[44]陆鑫森.高等结构动力学.上海：上海交通大学出版社,1992：84-87页
[45]BV0430-85,德国国防军舰建造规范-冲击安全性.科布伦茨：联邦德国国防装备技术和采购局,1987
[2]姚熊亮,陈建平.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究.中国造船.2001,42(2)：48-55页
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[36]汪玉,胡刚义,华宏星等.带限位器的船舶设备非线性冲击响应分析.中国造船.2003,44(2)：39-44页
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