單向加筋板低頻振動的簡化建模精度影響因素

吳 凡，高一民，李增光

(中國艦船研究設計中心 上海分部，上海 201108)

0 引 言

加筋薄板結構因為其輕質和力學性能優異等特點，被廣泛應用于水面艦船和潛艇等大型工程結構。對于復雜工程結構的振動問題，很難用解析的方法進行計算，以有限元為代表的數值方法成為主要的計算手段。在工程上通常通過商用軟件對實際工程結構進行建模，有限元模型的創建需要花費大量時間，而加筋板建模存在大量繁瑣和重復性的工作，因此，對于加筋板結構的簡化建模具有現實的工程意義。

對于加筋板的振動特性，國內外學者[1-5]進行大量且詳盡的研究。姚熊亮等[6]針對平面應力和平面彎曲狀態下的加筋板，通過2種不同的方法實現結構正交異性向材料正交異性轉化并實現材料正交異性板的有限元軟件模擬，研究指出2種正交異性板的計算誤差與加強筋的面積和間距存在較大關系，但并未對振動特性的計算誤差進一步研究。張朝陽[7]同樣對平面應力狀態和平面彎曲狀態下的加筋板簡化原理進行研究，并將簡化理論與有限元軟件相結合，通過軟件的二次開發實現等效參數的自動生成和應力的自動還原。高雙等[8-9]基于李茲法、正交異性理論和相當板厚理論，比較3種正交加筋板模型對低頻聲振特性計算的精度，并研究骨材密度對首階固有頻率計算誤差的影響，但在骨材密度增加時未考慮結構質量的變化，得到的結論并不嚴謹。邱家波等[10]推導復合材料帽型加筋層合板典型板單元的等效彎曲剛度理論解，并通過有限元計算驗證理論計算方法的有效性。秦昊等[11]結合正交異性板理論和等效板厚理論提出等效厚度正交異性板簡化方法，并通過有限元計算驗證簡化方法的有限性。

以單向加筋板的低頻振動問題為分析對象，基于薄板彎曲理論得到等效正交異性板的等效彎曲剛度與等效密度計算公式，通過具體算例分別分析質量等效、彎曲剛度等效和結構參數對簡化方法精度的影響，對結構參數對簡化方法精度的影響程度進行定量比較分析。

1 理論基礎

對于加筋板低頻振動問題，將加筋板等效為正交異性板，尋求加筋板與正交異性板在振動特性上的一致性。在各向異性彈性薄板的中面為彈性對稱面且撓度大幅小于其厚度時，可應用彈性薄板的小撓度彎曲理論。假設xOy平面為彈性薄板的中面(見圖1)，其基本假設[12]如下：(1)垂直于中面方向的線應變εz忽略不計；(2)應力分量τxz、τyz和σz大幅小于其他應力分量，由其引起的變形忽略不計；(3)薄板中面內的各點沒有平行于中面的位移。

圖1 彈性薄板中面示例

正交各向異性板的自由振動微分方程為

(1)

(2)

式中：E1和E2分別為正交各向異性板沿x方向和y方向的彈性模量；Dk為薄板在彈性主向的扭轉剛度，Dk=Gt3/12，其中G為剪切模量；μ1和μ2分別為沿x方向和y方向的泊松比。

對于四邊簡支的正交各向異性彈性矩形薄板，其(m,n)階固有頻率為

(3)

式中：m和n分別為x方向和y方向的振型階數，正整數；L和B分別為矩形薄板邊長；ρ為薄板密度。

以典型單向加筋板(見圖2)為例，將加筋板等效為正交異性板，可理解為將筋條的質量與彎曲剛度均勻附加至基板，得到正交異性板的等效密度ρe和等效彎曲主剛度：

(4)

(5)

式(4)和式(5)中：ρp和Ep分別為基板的密度和彈性模量；ρb和Eb分別為筋條的密度和彈性模量；b和h分別為筋條截面的寬度和高度；a為筋條間距；I為筋條相對于加筋板截面中和軸的慣性矩；e為基板中面至加筋板中和面的距離；μ為板的泊松比。

2 計算結果及分析

2.1 算例分析

分別使用有限元法和第1節的解析計算方法對如圖2所示的四邊簡支單向加筋板進行自由振動特性計算，并對前4階固有頻率的計算結果進行對比分析。加筋板參數如表1所示。

表1 加筋板參數

圖2 單向加筋板示例

有限元法采用ANSYS軟件，板結構采用Shell 63單元，梁結構采用Beam 188單元，前10階固有頻率計算結果如表2所示。

表2 前10階固有頻率計算結果

由表2可知：各階固有頻率誤差均小于10.00%，說明該簡化方法在上述算例中具有較好的有效性。由于算例中的單向加筋板x方向彎曲剛度明顯大于y方向，低階固有頻率主要反映加筋板y方向上的模態階數變化。值得注意的是：(2,1)階和(2,2)階固有頻率誤差明顯大于前8階，這是由于加筋板x方向2階y方向低階模態受x方向1階y方向高階模態影響而在筋條之間出現局部振型，這種局部振型在等效正交異性板上并不出現，振型不一致產生較大的固有頻率誤差。單向加筋板結構異性明顯，在對其采用簡化方法建模時，需要注意局部振型對等效精度的影響。

對于艙壁、底板等局部結構，在工程上主要關心其低階模態對船體振動的影響，因此以前4階固有頻率為研究對象，進行等效方法精度影響分析。

2.2 簡化方法誤差影響因素分析

等效方法思想是將單根筋條的質量和彎曲剛度均勻附加至筋條間距范圍內的基板，只改變等效正交異性板的密度和單向彎曲剛度，不改變板的厚度。由式(4)和式(5)可知：簡化方法精度取決于質量等效和彎曲剛度等效的準確性，但對于產生誤差的具體影響因素，有必要分別對單一影響因素進行討論。

2.2.1 質量等效對簡化方法精度的影響

定義無量綱參數密度比β為基板密度與筋條密度ρ0的比值，即

β=ρ0/ρp

(6)

在第2.1節算例的基礎上，只改變筋條密度以改變正交異性板等效密度，不改變其他參數以保證相同的等效彎曲剛度，以此考查質量等效對簡化方法精度的影響。密度參數如表3所示，質量等效對簡化方法精度的影響如圖3所示。

表3 密度參數

由圖3可知：固有頻率誤差隨密度比的增加而增加，但變化并不明顯。在密度比變化范圍內，變動幅度最大的1階固有頻率誤差的增加量不超過0.5%，質量等效對簡化方法精度影響較小。

圖3 質量等效對簡化方法精度的影響

2.2.2 彎曲剛度等效對簡化方法精度的影響

定義無量綱參數附加彎曲剛度比γ為

γ=Da/Dp

(7)

在第2.1節算例的基礎上，通過改變筋條彈性模量改變附加彎曲剛度比γ，不改變其他參數以保證相同的等效質量，以此考查彎曲剛度等效對簡化方法精度的影響。彈性模量參數如表4所示，彎曲剛度等效對簡化方法精度的影響如圖4所示。

表4 彈性模量參數設置

圖4 彎曲剛度等效對簡化方法精度的影響

由圖4可知：固有頻率誤差隨附加彎曲剛度比的增加而增加，各階誤差變化情況基本一致，且具有較明顯線性相關性。結合質量等效對簡化方法精度影響的分析，彎曲剛度等效是導致簡化方法產生誤差的主要影響因素。

2.3 結構參數對簡化方法精度的影響分析

由等效彎曲剛度計算公式可知：筋條截面屬性、筋條數量和基板厚度是決定等效彎曲剛度的主要參數。因此，分別分析上述3個參數對簡化方法精度的影響。

2.3.1 筋條截面屬性對簡化方法精度的影響

對于算例的加筋板，筋條截面屬性由截面寬度和截面高度決定。由慣性矩計算公式可知：截面高度對于彎曲剛度的影響明顯大于截面寬度，因此通過改變筋條截面高度改變等效彎曲剛度，以此考查筋條截面屬性對簡化方法精度的影響。筋條截面高度參數如表5所示，筋條截面高度對簡化方法精度的影響如圖5所示。

表5 筋條截面高度參數

圖5 筋條截面高度對簡化方法精度的影響

由圖5可知：固有頻率誤差均隨筋條截面高度的增加而增加，且增速逐漸放緩，前4階固有頻率誤差變化具有一致性。上述結果說明筋條截面屬性對簡化方法精度具有一定影響，但無須擔心筋條截面屬性過大而導致等效方法失效。

2.3.2 筋條數量對簡化方法精度的影響

通過改變筋條數量改變等效彎曲剛度，以此考查筋條間距對簡化方法精度的影響。筋條數量參數如表6所示，筋條數量對簡化方法精度的影響如圖6所示。

表6 筋條數量參數

由圖6可知：前4階固有頻率誤差整體呈現先減小后增大的變化規律。在筋條數量較少時，固有頻率誤差會明顯增加，以(1,1)階誤差尤為顯著，這是由于在筋條數量較少時，筋條不再完全以附加彎曲剛度形式參與加筋板整體振動，而是起到一種邊界約束的作用限制基板振動，加筋板振型與等效后的正交各向異性板的低階振型并不一致，簡化方法在該情況下失效。由圖6(c)可知：(1,3)階和(1,4)階的固有頻率誤差在筋條數量較少時會出現誤差峰值，(1,3)階在筋條數量為3根時出現誤差峰值，(1,4)階在筋條數量為4根時出現誤差峰值，這是由于在上述工況條件下，每根筋條正好均處于正弦函數振型的波峰與波谷，可理解為每根筋條均最大程度參與基板振動，筋條對基板的實際附加彎曲剛度明顯大于簡化方法均勻分布思想下的附加彎曲剛度，真實模型固有頻率明顯大于等效模型固有頻率，產生誤差峰值。由于在算例設置中筋條數量均由2根開始，因此在(1,1)階和(1,2)階固有頻率誤差變化曲線中未出現誤差峰值。

由上述分析可知：在采用簡化方法對加筋板進行簡化建模時，需要考慮加筋板上的筋條數量與在低頻域內感興趣的模態階數。筋條數量不可過多，筋條越多，等效誤差越大；筋條數量不可小于感興趣的模態階數，否則會出現誤差峰值。

2.3.3 基板厚度對簡化方法精度的影響

通過改變基板厚度改變等效彎曲剛度，以此考查基板厚度對簡化方法精度的影響。基板厚度參數如表7所示，基板厚度對簡化方法精度的影響如圖7所示。

由圖7可知：固有頻率誤差隨基板厚度的增大而減小，隨附加彎曲剛度比的增加而增加，且具有增速放緩趨勢。上述結果說明：基板厚度對簡化方法精度具有一定影響，基板越厚附加彎曲剛度比越小，誤差越小。

圖7 基板厚度對簡化方法精度的影響

2.3.4 結構參數對簡化方法精度的影響程度比較

第2.3.1節～第2.3.3節顯示筋條截面高度、筋條數量和基板厚度等3項結構參數在單獨考慮時對簡化方法精度的影響，但3項結構參數對簡化方法精度的影響程度并不明確。由于3項結構參數的量綱各不相同，無法直接進行比較，因此采用無量綱參數附加彎曲剛度比γ，將3項結構參數放在同一尺度下進行定量比較，如圖8所示。

由圖8可知：筋條數量對簡化方法精度的影響程度最大，筋條截面高度對簡化方法精度的影響程度最小，筋條截面高度和基板厚度的變化不會導致固有頻率誤差無限增加，隨著附加彎曲剛度比的增加，誤差會趨于穩定。前4階固有頻率誤差變化情況基本一致，說明該結果具有一般性。上述結果說明：在采用簡化方法對加筋板簡化建模時，筋條數量是優先考慮的結構參數，基板厚度和筋條高度不會造成過大的計算誤差。綜合考慮，結構的附加彎曲剛度比應盡可能保持在10的二次方量級以內。

圖8 結構參數對簡化方法精度的影響程度比較

3 結 論

(1)對于四邊簡支的單向加筋板，在低頻域內簡化模型的固有頻率與真實模型具有較好的一致性。需要注意的是：加筋方向2階非加筋方向低階模態受加筋方向1階非加筋方向高階模態的影響，筋條之間會產生局部振型，對簡化方法精度具有一定影響。

(2)彎曲剛度等效是簡化方法精度的主要影響因素，質量等效對簡化方法精度的影響可忽略不計。

(3)筋條截面高度、筋條數量和基板厚度等3項結構參數對簡化方法精度均具有一定影響。固有頻率誤差隨筋條截面高度的增大而增大，隨筋條數量的增大而先減小后增大，隨基板厚度的增大而減小。

(4)筋條數量是簡化方法精度影響較顯著的結構參數。筋條數量過少或過多均會產生較大的固有頻率誤差：從實際工程角度出發，對于局部加筋板結構，建議在采用簡化方法建模時，加筋數量不少于5根；若結構加筋數量較多，則需要考慮無量綱參數附加彎曲剛度比的大小，為保證計算誤差，建議附加彎曲剛度比在10的二次方量級以內。