張錦嵐，杜偉，和衛(wèi)平

典型艦船基座機(jī)械阻抗特性參數(shù)化快速分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)

張錦嵐，杜偉，和衛(wèi)平

基于阻抗分析理論及基座機(jī)械阻抗有限元分析方法，開(kāi)發(fā)典型艦船基座機(jī)械阻抗特性參數(shù)化快速分析平臺(tái)，對(duì)典型艦船基座進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行有限元分析，快速得到阻抗曲線。分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械阻抗的影響，為艦船基座設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供借鑒。

基座；機(jī)械阻抗；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值分析；軟件開(kāi)發(fā)

按照基座的工作區(qū)域，艦船結(jié)構(gòu)典型基座形式大致分為舷側(cè)座墩型基座，平臺(tái)框架型基座以及艙壁懸臂型基座3種形式[1-4]。舷側(cè)座墩型基座一般布置在舷側(cè)上；平臺(tái)框架基座指布置于船內(nèi)鋪板、平臺(tái)或液艙頂板上；懸臂基座一般布置于內(nèi)部艙壁上。各基座結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

考慮采用機(jī)械阻抗特性分析方法，基于Python語(yǔ)言及ABAQUS軟件開(kāi)發(fā)基座機(jī)械阻抗特性參數(shù)化快速分析平臺(tái)?；谠搮?shù)化分析軟件，以艙壁懸臂型基座作為分析算例對(duì)象進(jìn)行機(jī)械阻抗特性分析，探索艙壁懸臂型基座的阻抗特性規(guī)律，分析各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械阻抗的影響，為艦船基座的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供借鑒。

1 機(jī)械阻抗

根據(jù)所選取的運(yùn)動(dòng)量劃分機(jī)械阻抗，主要分為3種形式：位移阻抗、速度阻抗及加速度阻抗。根據(jù)激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)的位置關(guān)系，機(jī)械阻抗可分為原點(diǎn)阻抗與跨點(diǎn)阻抗2種形式[5]。文中的機(jī)械阻抗是指原點(diǎn)加速度阻抗。

穩(wěn)定的、定常的及線性振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械阻抗等于簡(jiǎn)諧激勵(lì)與其所引起的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)數(shù)比。假設(shè)系統(tǒng)的激勵(lì)力為f=Fej(ωt+φ1)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為x=Xej(ωt+φ2)，則該系統(tǒng)的機(jī)械阻抗Z可表示為：

(1)

2 平臺(tái)原理

典型艦船基座的有限元建模過(guò)程較為繁瑣，為對(duì)基座機(jī)械阻抗進(jìn)行快速數(shù)值分析，基于Python語(yǔ)言對(duì)ABAQUS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，并編寫(xiě)艦船基座機(jī)械阻抗特性參數(shù)化快速分析平臺(tái)軟件。該軟件能夠?qū)M(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元建模，能在指定位置加載激勵(lì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲學(xué)有限元分析。軟件架構(gòu)原理見(jiàn)圖2。

軟件基于導(dǎo)入的計(jì)算方案生成中間數(shù)據(jù)文件，調(diào)用內(nèi)部程序生成ABAQUS輸入文件XXX.py。

軟件調(diào)用ABAQUS.exe讀取ABAQUS輸入文件XXX.py進(jìn)行計(jì)算，生成XXX.odb文件。軟件計(jì)算內(nèi)核采用通用商用軟件ABAQUS線性動(dòng)態(tài)分析模塊進(jìn)行阻抗特性計(jì)算，使用Lanczos法提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)和固有頻率，并采用基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)分析計(jì)算引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的振幅和相位。

執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，提取基座振型云圖和響應(yīng)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)，按照a=Xej(ωt+φ2)換算成式(1)。繪制對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)加速度阻抗曲線。

軟件區(qū)域Ⅰ可設(shè)置基座參數(shù)，如設(shè)置艙壁參數(shù)、面板參數(shù)、艙壁肋骨參數(shù)、肘板參數(shù)，點(diǎn)擊相應(yīng)預(yù)覽按鈕，可顯示對(duì)應(yīng)的模型預(yù)覽圖，見(jiàn)圖3。

軟件區(qū)域Ⅱ可設(shè)置計(jì)算相關(guān)參數(shù)，如激勵(lì)點(diǎn)的位置及大小，響應(yīng)點(diǎn)的位置以及網(wǎng)格參數(shù)等，點(diǎn)擊預(yù)覽按鈕，可顯示激勵(lì)加載位置，見(jiàn)圖4。

軟件區(qū)域Ⅲ可顯示計(jì)算結(jié)果，如基座振型云圖、原點(diǎn)加速度阻抗曲線，見(jiàn)圖5。

軟件計(jì)算完畢后，計(jì)算結(jié)果文件也會(huì)自動(dòng)保存在工作目錄文件夾內(nèi)，方便用戶后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，見(jiàn)圖6。

3 算例

基于開(kāi)發(fā)的基座機(jī)械阻抗特性參數(shù)化快速分析平臺(tái)，以艙壁懸臂型基座作為分析對(duì)象進(jìn)行機(jī)械阻抗特性分析，并分析結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)懸臂型基座的機(jī)械阻抗的影響。

3.1 模型建立

艙壁懸臂型基座示意圖如圖1c)所示，該基座的主要參數(shù)為：艙壁板為圓形，半徑R=0.5 m，厚度t1=0.01 m；基座安裝板長(zhǎng)度Lφ=0.3 m，寬度Bφ=0.6 m，厚度t2=0.01 m；肘板在安裝板下側(cè)對(duì)稱布置，肘板間距l(xiāng)φ=0.3 m,肘板參數(shù)為H1=0.1 m;H2=0.1 m；厚度t3=0.01 m。

艙壁上布置2根加強(qiáng)筋，截面類型為I型，如圖7所示。

加強(qiáng)筋截面參數(shù)為：l=0.06 m；h=0.06 m；

b1=0.02 m；b2=0.0 m；t1=0.0005 m；t2=0.0 m；t3=0.000 5 m。

其中，艙壁、安裝面板和肘板由殼單元模擬，加強(qiáng)筋由梁?jiǎn)卧M?；Y(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，其結(jié)構(gòu)均采用每個(gè)波長(zhǎng)范圍由5個(gè)節(jié)點(diǎn)(4個(gè)單元)劃分的原則，分析頻率范圍為0～200 Hz。為保證數(shù)據(jù)精確，在計(jì)算性能允許區(qū)間內(nèi)盡可能提高網(wǎng)格質(zhì)量[6]。

結(jié)構(gòu)材料為各向同性的鋼，主要參數(shù)：彈性模量210 GPa；泊松比0.3；密度7.8×103kg/m3。

艙壁板四周設(shè)為簡(jiǎn)支邊界條件。激勵(lì)點(diǎn)加載在安裝面板的中心部位。

基座結(jié)構(gòu)的振型云圖見(jiàn)圖8。

原點(diǎn)加速度阻抗變化見(jiàn)圖9。

圖9顯示，懸臂基座的原點(diǎn)加速度阻抗曲線隨頻率升高顯著降低，在100 Hz以上頻段的阻抗曲線變化趨勢(shì)緩和，輸入阻抗在170及190 Hz處略有增加。

3.2 機(jī)械阻抗特性控制方法

在艙壁懸臂型基座結(jié)構(gòu)原點(diǎn)阻抗特性分析的基礎(chǔ)上，討論艙壁懸臂型基座各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)(安裝面板板厚、艙壁板厚、肋板板厚、加強(qiáng)筋慣性矩)對(duì)懸臂型基座阻抗特性的影響規(guī)律。

3.2.1 安裝面板厚度對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過(guò)改變艦船艙壁懸臂型基座的安裝面板的厚度來(lái)計(jì)算基座的機(jī)械阻抗。設(shè)計(jì)不同基座面板厚度共5種工況。提取各工況對(duì)應(yīng)原點(diǎn)阻抗曲線計(jì)算結(jié)果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機(jī)械阻抗隨面板厚度的變化見(jiàn)圖10。

由圖10可見(jiàn)，該基座的原點(diǎn)加速度阻抗隨著頻率的增加逐漸降低。另外隨著面板厚度的增加，艙壁懸臂型基座的加速度阻抗隨之增加。但面板厚度增加到一定程度時(shí)，加速度阻抗的增加值越來(lái)越少，說(shuō)明面板的厚度對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響也越來(lái)越小?？紤]設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和利用效率，可以綜合各種因素選擇面板的厚度。

3.2.2 艙壁板厚度對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過(guò)改變艦船艙壁懸臂型基座的艙壁板的厚度來(lái)計(jì)算基座的機(jī)械阻抗。設(shè)計(jì)不同基座艙壁板厚度共4種工況。提取各工況對(duì)應(yīng)原點(diǎn)阻抗曲線計(jì)算結(jié)果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機(jī)械阻抗隨艙壁板厚度的變化見(jiàn)圖11。

由圖11可見(jiàn)，該基座的原點(diǎn)加速度阻抗隨著頻率的增加逐漸降低。另外隨著艙壁板厚度的增加，艙壁懸臂型基座的加速度阻抗也隨之增加。

3.2.3 肘板厚度對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過(guò)改變艦船艙壁懸臂型基座的肘板的厚度來(lái)計(jì)算基座的機(jī)械阻抗。設(shè)計(jì)不同肘板厚度共4種工況。提取各工況對(duì)應(yīng)原點(diǎn)阻抗曲線計(jì)算結(jié)果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機(jī)械阻抗隨肘板厚度的變化見(jiàn)圖12。

由圖12可見(jiàn)，該基座的原點(diǎn)加速度阻抗曲線隨著頻率的增加逐漸降低。另外隨著肘板厚度的增加，艙壁懸臂型基座的加速度阻抗也隨之增加。

3.2.4 加強(qiáng)筋慣性矩對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過(guò)改變艦船艙壁懸臂型基座的加強(qiáng)筋慣性矩來(lái)計(jì)算基座的機(jī)械阻抗。設(shè)計(jì)工況分為5種，見(jiàn)表1。

表1 加強(qiáng)筋截面參數(shù)(b2=0,t2=0)

提取各工況對(duì)應(yīng)原點(diǎn)阻抗曲線計(jì)算結(jié)果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機(jī)械阻抗隨加強(qiáng)筋慣性矩的變化見(jiàn)圖13。

由圖13可見(jiàn)，該基座的原點(diǎn)加速度阻抗隨著頻率的增加逐漸降低。另外隨著加強(qiáng)筋慣性矩的增加，艙壁懸臂型基座的加速度阻抗也隨之略有增加。

4 結(jié)論

1)安裝面板的厚度越大，基座的機(jī)械阻抗越大，但當(dāng)安裝面板厚度增加到一定程度時(shí)，其對(duì)基座機(jī)械阻抗的影響將減弱。

2)艙壁板的厚度和肘板的厚度越大，基座的機(jī)械阻抗越大。在基座的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以適當(dāng)考慮增加艙壁板的厚度和肘板的厚度。

3)增加加強(qiáng)筋的慣性矩也能提高基座的機(jī)械阻抗，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮增加加強(qiáng)筋的慣性矩。

[1] 周海波,計(jì)方.典型船舶懸臂基座阻抗特性研究[J].船舶,2013,24(5)：11-16.

[2] 朱成雷,魏強(qiáng),鄭超凡,等.艦船典型基座輸入機(jī)械阻抗特性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015(6):57-60.

[3] 李江濤.符合結(jié)構(gòu)基座減振特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[4] 張慶,彭旭,陳明.基座低頻機(jī)械阻抗有限元計(jì)算方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2009,29(5):19-22.

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

Development of Parametric Quick Analysis Platform for Mechanical Impedance Characteristic of Typical Ship

ZHANG Jin-lan, DU Wei, HE Wei-ping

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

Based on the theory of impedance analysis and finite element analysis of the mechanical impedance of the foundation, a rapid parametric analysis platform for the mechanical impedance characteristics of typical ship foundations was developed to carry out the parametric modeling and the finite element analysis to the typical ship bases, and obtain the impedance curve quickly. The influence of various structural parameters upon the mechanical impedance was studied to offer references for design and improvement of the foundations.

foundation; mechanical impedance; structure parameter; numerical analysis; software development

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.002

2016-12-09

張錦嵐(1963—)，男，碩士，研究員研究方向:艦船總體、結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì)

U663.7

A

1671-7953(2017)01-0006-05

修回日期：2016-12-23