典型艦船基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺開發

張錦嵐，杜偉，和衛平

典型艦船基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺開發

張錦嵐，杜偉，和衛平

基于阻抗分析理論及基座機械阻抗有限元分析方法，開發典型艦船基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺，對典型艦船基座進行參數化建模并進行有限元分析，快速得到阻抗曲線。分析各結構參數對機械阻抗的影響，為艦船基座設計和改進提供借鑒。

基座；機械阻抗；結構參數；數值分析；軟件開發

按照基座的工作區域，艦船結構典型基座形式大致分為舷側座墩型基座，平臺框架型基座以及艙壁懸臂型基座3種形式[1-4]。舷側座墩型基座一般布置在舷側上；平臺框架基座指布置于船內鋪板、平臺或液艙頂板上；懸臂基座一般布置于內部艙壁上。各基座結構形式如圖1所示。

考慮采用機械阻抗特性分析方法，基于Python語言及ABAQUS軟件開發基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺。基于該參數化分析軟件，以艙壁懸臂型基座作為分析算例對象進行機械阻抗特性分析，探索艙壁懸臂型基座的阻抗特性規律，分析各個結構參數對機械阻抗的影響，為艦船基座的設計和改進提供借鑒。

1 機械阻抗

根據所選取的運動量劃分機械阻抗，主要分為3種形式：位移阻抗、速度阻抗及加速度阻抗。根據激勵點與響應點的位置關系，機械阻抗可分為原點阻抗與跨點阻抗2種形式[5]。文中的機械阻抗是指原點加速度阻抗。

穩定的、定常的及線性振動系統的機械阻抗等于簡諧激勵與其所引起的穩態響應的復數比。假設系統的激勵力為f=Fej(ωt+φ1)，其穩態響應為x=Xej(ωt+φ2)，則該系統的機械阻抗Z可表示為：

(1)

2 平臺原理

典型艦船基座的有限元建模過程較為繁瑣，為對基座機械阻抗進行快速數值分析，基于Python語言對ABAQUS進行了二次開發，并編寫艦船基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺軟件。該軟件能夠對基座進行結構參數化有限元建模，能在指定位置加載激勵，并進行結構聲學有限元分析。軟件架構原理見圖2。

軟件基于導入的計算方案生成中間數據文件，調用內部程序生成ABAQUS輸入文件XXX.py。

軟件調用ABAQUS.exe讀取ABAQUS輸入文件XXX.py進行計算，生成XXX.odb文件。軟件計算內核采用通用商用軟件ABAQUS線性動態分析模塊進行阻抗特性計算，使用Lanczos法提取結構的模態和固有頻率，并采用基于模態的穩態動態分析計算引起結構響應的振幅和相位。

執行數據處理程序，提取基座振型云圖和響應點響應數據，按照a=Xej(ωt+φ2)換算成式(1)。繪制對應的原點加速度阻抗曲線。

軟件區域Ⅰ可設置基座參數，如設置艙壁參數、面板參數、艙壁肋骨參數、肘板參數，點擊相應預覽按鈕，可顯示對應的模型預覽圖，見圖3。

軟件區域Ⅱ可設置計算相關參數，如激勵點的位置及大小，響應點的位置以及網格參數等，點擊預覽按鈕，可顯示激勵加載位置，見圖4。

軟件區域Ⅲ可顯示計算結果，如基座振型云圖、原點加速度阻抗曲線，見圖5。

軟件計算完畢后，計算結果文件也會自動保存在工作目錄文件夾內，方便用戶后續的數據處理工作，見圖6。

3 算例

基于開發的基座機械阻抗特性參數化快速分析平臺，以艙壁懸臂型基座作為分析對象進行機械阻抗特性分析，并分析結構各項參數對懸臂型基座的機械阻抗的影響。

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；肘板在安裝板下側對稱布置，肘板間距lφ=0.3 m,肘板參數為H1=0.1 m;H2=0.1 m；厚度t3=0.01 m。

艙壁上布置2根加強筋，截面類型為I型，如圖7所示。

加強筋截面參數為：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，加強筋由梁單元模擬。基座結構在進行有限元網格劃分時，其結構均采用每個波長范圍由5個節點(4個單元)劃分的原則，分析頻率范圍為0～200 Hz。為保證數據精確，在計算性能允許區間內盡可能提高網格質量[6]。

結構材料為各向同性的鋼，主要參數：彈性模量210 GPa；泊松比0.3；密度7.8×103kg/m3。

艙壁板四周設為簡支邊界條件。激勵點加載在安裝面板的中心部位。

基座結構的振型云圖見圖8。

原點加速度阻抗變化見圖9。

圖9顯示，懸臂基座的原點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緩和，輸入阻抗在170及190 Hz處略有增加。

3.2 機械阻抗特性控制方法

在艙壁懸臂型基座結構原點阻抗特性分析的基礎上，討論艙壁懸臂型基座各個結構參數(安裝面板板厚、艙壁板厚、肋板板厚、加強筋慣性矩)對懸臂型基座阻抗特性的影響規律。

3.2.1 安裝面板厚度對基座機械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過改變艦船艙壁懸臂型基座的安裝面板的厚度來計算基座的機械阻抗。設計不同基座面板厚度共5種工況。提取各工況對應原點阻抗曲線計算結果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機械阻抗隨面板厚度的變化見圖10。

由圖10可見，該基座的原點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，加速度阻抗的增加值越來越少，說明面板的厚度對基座機械阻抗的影響也越來越小。考慮設計的經濟性和利用效率，可以綜合各種因素選擇面板的厚度。

3.2.2 艙壁板厚度對基座機械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過改變艦船艙壁懸臂型基座的艙壁板的厚度來計算基座的機械阻抗。設計不同基座艙壁板厚度共4種工況。提取各工況對應原點阻抗曲線計算結果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機械阻抗隨艙壁板厚度的變化見圖11。

由圖11可見，該基座的原點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 肘板厚度對基座機械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過改變艦船艙壁懸臂型基座的肘板的厚度來計算基座的機械阻抗。設計不同肘板厚度共4種工況。提取各工況對應原點阻抗曲線計算結果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機械阻抗隨肘板厚度的變化見圖12。

由圖12可見，該基座的原點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 加強筋慣性矩對基座機械阻抗的影響

采用上述基座模型，通過改變艦船艙壁懸臂型基座的加強筋慣性矩來計算基座的機械阻抗。設計工況分為5種，見表1。

表1 加強筋截面參數(b2=0,t2=0)

提取各工況對應原點阻抗曲線計算結果文件，并采用MATLB軟件繪制基座的機械阻抗隨加強筋慣性矩的變化見圖13。

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

4 結論

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

2)艙壁板的厚度和肘板的厚度越大，基座的機械阻抗越大。在基座的設計過程中可以適當考慮增加艙壁板的厚度和肘板的厚度。

3)增加加強筋的慣性矩也能提高基座的機械阻抗，在設計過程中可以考慮增加加強筋的慣性矩。

[1] 周海波,計方.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,鄭超凡,等.艦船典型基座輸入機械阻抗特性分析[J].艦船科學技術,2015(6):57-60.

[3] 李江濤.符合結構基座減振特性的理論與實驗研究[D].上海：上海交通大學，2010.

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

(武漢第二船舶設計研究所，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、結構及性能設計

U663.7

A

1671-7953(2017)01-0006-05

修回日期：2016-12-23