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1、2003年MSC.Software中國用戶論文集船艉軸架模態(tài)分析祁玉榮金咸定上海交通大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所-1-2003年MSC.Software中國用戶論文集船艉軸架模態(tài)分析ModalAnalysisofShipBrackets祁玉榮金咸定（上海交通大學(xué)）摘要：采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，以某船為代表，建立船艉軸架模態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并分析軍規(guī)中所要求的艉軸架的一階頻率。在此過程中，利用模態(tài)質(zhì)量對艉軸系統(tǒng)的頻率進(jìn)行篩選，從而得到P字架的橫向和A字架的橫、縱、垂向的一階頻率，并與軍規(guī)中的要求相較，校核艉軸架的模態(tài)特性，并闡述了該方法在將來的其他結(jié)構(gòu)的模態(tài)鑒
2、別的適用性。關(guān)鍵詞：艉軸架，模態(tài)，有限元,P字架，A字架Abstract：Adoptingfiniteelementmethod,ashipasexample,establishingthebrackets’mathematicmodalformodalanalysis,thefirstnaturalfrequenciesofthebrackets,whichisneededinmilitarycriterion,havebeencalculatedandanalyzed.Duringthiscourse,thefirstnaturalfrequenc
3、iesofP-bracketandthefirsthorizontal、longitudinal、verticalnaturalfrequenciesofA-brackethavebeenchosenbymodaleffectivemassfromthewholenaturalfrequencies,whichiscomparedwithrequirementofmilitarycriterion.Checkingthemodalcharactersofbrackets,theavailabilityofthemethodforchoosingnatu
4、ralfrequenciesbymodaleffectivemasshasbeenillustrated.Keywords:Brackets，Modal，F(xiàn)EM,P-Bracket,A-Bracket1.前言艉軸架是船體系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。艉軸架系統(tǒng)則包括由主機(jī)輸出端推力軸承到螺旋槳之間的傳動軸以及支撐軸的單、雙臂支架，以及艉軸和螺旋槳等，甚至包括一部分相連船體底部，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，因此，艉軸架及其系統(tǒng)模態(tài)振型的研究是一個(gè)值得探討的課題。盡管我國規(guī)范對艉軸架有參數(shù)規(guī)定，但隨著技術(shù)的不斷的進(jìn)步和國外船舶的引進(jìn)，舊的規(guī)范仍停留在七、八十年代的水準(zhǔn)上，并存
5、在若干模糊和矛盾之處，為此通過對某船艉軸架為代表，引進(jìn)了多方面的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析，并以此對現(xiàn)行規(guī)范提出部分改進(jìn)意見。本文根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范和現(xiàn)有有限元數(shù)值計(jì)算（MSC.Patran、MSC.Nastran）軟件，通過對船艉軸架及其系統(tǒng)進(jìn)行振動模態(tài)的計(jì)算，求得艉軸架系統(tǒng)的固有頻率和固有振型，并將其和規(guī)范中的計(jì)算相比較，為船艉軸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性指標(biāo)校核提供技術(shù)支持，并為進(jìn)一步-2-2003年MSC.Software中國用戶論文集分析和修訂規(guī)范對于船艉軸架的相關(guān)規(guī)定提供依據(jù)。2.模態(tài)分析理論方法振動是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常見的問題之一，模態(tài)分析的基本思想和核心內(nèi)容是
6、確定用以描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的固有頻率和振型的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)計(jì)算分析從結(jié)構(gòu)特性與材料特性等原始參數(shù)開始，采用有限元法型成系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型――質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，然后求解特征值，確定模態(tài)參數(shù)。任意一個(gè)典型的系統(tǒng)振動模態(tài)分析基本方程如下：[]M{}&x&+[]C{}x&+[]K{}x={f(t)}（2-1）式中[M]式質(zhì)量矩陣，[C]式阻尼矩陣，[K]系統(tǒng)的剛度矩陣，{x}，{x&}，{&x&}分別是系統(tǒng)的位移、速度和加速度矢量，對無阻尼系統(tǒng)，自由振動方程為：[]M{}&x&+[]K{}x={0}（2-2）對于任何一階固有頻率ω，必有相應(yīng)的特征向量{ψ}與之
7、對應(yīng)，即ii([]2[]){}{}K?ωMψ=0（2-3）iiω為第i階自由振動的圓頻率。i2這就是個(gè)典型的特征值問題方程，可以求解n個(gè)ω的值以及n個(gè){ψ}的特征值。i3.我國標(biāo)準(zhǔn)的近似計(jì)算我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡首制船舶均應(yīng)進(jìn)行艉軸架的自由振動計(jì)算。在我國的標(biāo)準(zhǔn)中，單、雙臂的固有頻率的近似計(jì)算規(guī)定了其技術(shù)要求與方法，要求計(jì)算艉軸架單臂橫向一階、雙臂橫向、縱向和垂向和縱向一階，根據(jù)95年和99年國家標(biāo)準(zhǔn)分別做計(jì)算，結(jié)果見表3-1：表3-1艉軸架固有頻率的近似計(jì)算頻率f雙臂橫向f雙臂垂向f雙臂縱向f單臂橫向95標(biāo)準(zhǔn)40.085.8420.8829.8799標(biāo)準(zhǔn)4
8、8.94105.0526.4631.0由表可見，不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的艉軸架固有頻率計(jì)算本身就存在著較
