局部板架的振動計算研究*

王 維 孫雪榮

(七〇八研究所 上海 200011)

局部板架的振動計算研究*

王 維 孫雪榮

(七〇八研究所 上海 200011)

Rayleigh-Ritz法;局部板架;振動;固有頻率;有效帶板

采用直接簡化計算的方法對船上常見的局部板架結構的固有頻率進行計算和分析研究。考慮到船上常見的局部板架結構和板架所處環境的不同,分3種不同類型的板架,同時考慮所處空間介質和船體內環境的不同,分別進行研究和計算;與激勵源相比后適當修改板架的設計加強方式,以達到初期設計階段避免船體局部共振的目的。

0 引 言

船體上的板一旦發生嚴重振動,會導致船底滲水、板裂漏油等,危及船舶自身安全;居住區域和工作間則會嚴重影響人員休息和工作等。

船上的板是由骨架(梁)支持的連續板,其邊界為彈性支持的邊界,經實船測試結果,實際固有頻率偏向于簡支邊界[1];船體上常用規則形狀的局部板架振動計算一般采用簡支邊界條件,將甲板結構、底部結構、舷側結構和艙壁結構等簡化為具有帶板的交叉梁系模型,這種模型的計算精度與帶板寬度取法有關,帶板寬度一般取梁跨度的1/6和梁間距的小者。關于局部板架的范圍劃分,主要參考實際船體的板架附近有效支撐形式:骨材、強梁、艙壁板、支柱等等。

從經驗上來講,簡化計算方法得到的局部板架固有頻率值與附近的船體激勵源相比至少≥15%或者≤30%[2,3],否則建議設計人員采取一定的補救措施,或者采用有限元法進一步校核和驗證后再決定是否和怎樣采取措施。

1 典型局部板架的簡化模型

1.1 簡支梁系的固有頻率計算

兩端簡支的均勻等值梁在常值軸向力作用下的固有頻率(軸向壓力為正)[1]:

則兩端簡支的均勻等值梁的第一階固有頻率為:

由此,

其中:l為骨材跨長;I為骨材剖面慣性矩;A為骨材剖面積;E為材料彈性模量;T為軸向力(壓力為正);ρ為材料密度。

1.2 簡支矩形薄板的固有頻率計算

四邊簡支板在受中面力作用下的固有頻率(拉伸力為正)[1]:

則四邊簡支板的第一階固有頻率:

1.3 帶有附加質量的梁(板)固有頻率計算

考慮到船體局部板架所處介質一般為海水或者液貨等,其折減因子經驗上一般為:

其中:c=0.04為構件單面觸水;c=0.08為構件雙面觸水;a、b、te分別為考慮模型的板寬、板長、等效厚度。

考慮附加質量后的構件固有頻率fλ=λ·f。

1.4 船體上典型局部板架的固有頻率計算

船體上局部板架的簡化振動計算一般基于能量法,采用Rayleigh-Ritz(瑞利-李茲)法進行求解;船體上局部板架的振動問題采用簡化的理論公式方法,要注意以下幾點[1]:

·船上與水或其他液體接觸的板的振動計算要考慮附連水質量的影響;

·參與總縱彎曲的主要構件的板架振動要考慮中面力作用的板的彎曲振動問題;

·船舶建造過程中的初始撓度、焊接應力等的影響,因在動應力計算中難以處理,需在頻率儲備和許用振動應力取值上加以考慮;

·規則形狀矩形板架的振動理論計算基本能滿足工程上的要求,但不規則形狀的板架固有頻率計算建議采用有限元法。

船體上骨材間的板可簡化為四邊簡支的矩形薄板,其第1階固有頻率的計算參照公式(6)進行;骨材加筋板架可簡化為多個具有帶板的兩端簡支的等截面梁,其第1階固有頻率的計算參照公式(3);強梁間板架同樣簡化為多個具有帶板的兩端簡支的等截面梁,其中與強梁垂直方向的骨材按照平攤板厚的方法參與強梁間板架的剛度和質量計算,其第1階固有頻率的計算參照公式(3)。

對于骨材均布的加筋板架,可在公式(3)的基礎上進一步推導:

其中:s為骨材間距;l為骨材跨長;n為骨材數目;te為加筋板的等效板厚;I為計及有效帶板后的慣性矩。

2 典型局部板架的固有頻率計算示例

如下圖1所示的典型板架,其骨材間板、骨材加筋板和強梁間板的固有頻率計算如下,考慮多強梁間板施以50 kg/m2的均布質量,其余板架均施以20 kg/m2的均布質量;并考慮板架單面觸水。

圖1 典型板架示意圖

板架所處附近的船體主要激勵源為6葉螺旋槳其激勵頻率為108 RPM,則葉頻激勵頻率為10.8 Hz,倍葉頻激勵頻率為21.6 Hz,局部板架的固有頻率需與其錯開的范圍,見表1:從經驗上來講,若該局部板架的固有頻率在螺旋槳的葉頻(倍葉頻)上下限之外,則可認為該局部板架與激勵源已錯開,不存在與該激勵源的局部板架共振問題。

表1

2.1 簡化計算

2.1.1 骨材間板的第1階固有頻率計算

2.1.2 骨材加筋板的第1階固有頻率計算

2.1.3 多強梁間板架的第1階固有頻率計算

該局部典型板架結構的固有頻率計算結果總結見表2、表3:

表2 初始設計計算值

表3 修改設計計算值

2.2 加強設計計算

局部板架的振動計算中,若板架固有頻率與激勵源頻率存在共振的可能,則在條件許可的情況下,可考慮采用改變板厚、骨材、強梁跨距等方法加以改善。

由表2中計算結果可知,該板架中的骨材加筋板與葉頻存在共振,骨材間的板與倍葉頻存在共振,強梁間板架雖然與激勵頻率已有避開,但前兩者的任何稍許加強措施都會使得強梁間板架的固有頻率與葉頻有沖突。

骨材間距和強框間距調整的話,可以考慮增設局部支柱以減小板架的跨距,而且就該局部板架而言,設計調整最好是使得骨材加筋板和強梁間板的固有頻率在12.42 Hz～15.12 Hz之間;或者所有板架頻率均大于24.84 Hz。

局部增設支柱以及怎樣增設支柱作者會在后續的工作中進一步開展,本文要探討的是怎樣從最基本的條件如板厚、骨材剖面形狀等著手,以期以最方便的措施達到避免局部板架與激勵源的共振問題:首先采取局部增加板厚的方法,由初始的6mm增加為8.5 mm,則骨材間的板固有頻率為27.02 Hz,骨材加筋板為9.3 Hz,強梁間板為7.58 Hz,后兩者均與葉頻存在共振;然后在其基礎上,調整骨材為HP180×8,則骨材加筋板的固有頻率為14.76 Hz,強梁間板為7.68 Hz,后者仍與葉頻存在共振,采取局部增設1根強梁,而且所有強梁剖面形狀調整為,此時強梁間板固有頻率為12.81 Hz,與葉頻和倍葉頻都有避開。

以上只是針對典型局部板架且所處激勵源為螺旋槳,因為必須同時考慮螺旋槳葉頻和倍葉頻的影響,所以從設計調整上來看,對于板架中的骨材間板、骨材加筋板、強梁間板架的調整存在較大的相互影響問題;但對于普通的船體局部板架來講,若所處激勵源比較單一的話,設計調整不會如此復雜。

3 結 語

船體上多為交叉梁系組成的板,局部板架的振動多數是由周界振動引起,只有少數板是由直接作用在它上面的激勵引起;各種激勵引起板的振動機會較多。就普通船體局部交叉梁系的板架而言,從調整板厚、骨材形狀、局部范圍的強梁跨距等方法均可在初步設計的階段實現,以避免局部板架與附近激勵源的共振問題。

[1] 金咸定,趙德友.船體振動學[M].上海交通大學出版社,2000.

[2] PREVENTION OF HARMFUL VIBRATION IN SHIPS[M].JULY 1983.

[3] MARIC Seismic Research Vessel of ST-327L CD Design Local Vibration Analysis.

Vibration about Local Structural Stiffened Plate

WangWei Sun Xuerong

Rayleigh-Ritz method;local stiffened plate;vibration;natural frequency;effective flange plate

This paper calculates and analyses the natural frequency of the common local stiffened plate on ships by the simplified method.Three typical different types of rectangular plate are studied and calculated with the consideration of different space medium and surrounding conditions inside the ship,and their natural frequencies are compared to the excitation frequencies to modify the strength method for the design of stiffened plates in order to avoid the local resonance in the initial design stage.

U662.1

A

1001-9855(2010)03-0016-04

2009-11-11

王 維(1977.11-),男,漢族,遼寧人,工程師,主要從事船舶結構設計工作。

孫雪榮(1980.01-),女,漢族,山東人,工程師,主要從事船舶結構設計工作。