典型舰船基座机械阻抗特性参数化快速分析平台开发

张锦岚，杜伟，和卫平

典型舰船基座机械阻抗特性参数化快速分析平台开发

张锦岚，杜伟，和卫平

基于阻抗分析理论及基座机械阻抗有限元分析方法，开发典型舰船基座机械阻抗特性参数化快速分析平台，对典型舰船基座进行参数化建模并进行有限元分析，快速得到阻抗曲线。分析各结构参数对机械阻抗的影响，为舰船基座设计和改进提供借鉴。

基座；机械阻抗；结构参数；数值分析；软件开发

按照基座的工作区域，舰船结构典型基座形式大致分为舷侧座墩型基座，平台框架型基座以及舱壁悬臂型基座3种形式[1-4]。舷侧座墩型基座一般布置在舷侧上；平台框架基座指布置于船内铺板、平台或液舱顶板上；悬臂基座一般布置于内部舱壁上。各基座结构形式如图1所示。

考虑采用机械阻抗特性分析方法，基于Python语言及ABAQUS软件开发基座机械阻抗特性参数化快速分析平台。基于该参数化分析软件，以舱壁悬臂型基座作为分析算例对象进行机械阻抗特性分析，探索舱壁悬臂型基座的阻抗特性规律，分析各个结构参数对机械阻抗的影响，为舰船基座的设计和改进提供借鉴。

1 机械阻抗

根据所选取的运动量划分机械阻抗，主要分为3种形式：位移阻抗、速度阻抗及加速度阻抗。根据激励点与响应点的位置关系，机械阻抗可分为原点阻抗与跨点阻抗2种形式[5]。文中的机械阻抗是指原点加速度阻抗。

稳定的、定常的及线性振动系统的机械阻抗等于简谐激励与其所引起的稳态响应的复数比。假设系统的激励力为f=Fej(ωt+φ1)，其稳态响应为x=Xej(ωt+φ2)，则该系统的机械阻抗Z可表示为：

(1)

2 平台原理

典型舰船基座的有限元建模过程较为繁琐，为对基座机械阻抗进行快速数值分析，基于Python语言对ABAQUS进行了二次开发，并编写舰船基座机械阻抗特性参数化快速分析平台软件。该软件能够对基座进行结构参数化有限元建模，能在指定位置加载激励，并进行结构声学有限元分析。软件架构原理见图2。

软件基于导入的计算方案生成中间数据文件，调用内部程序生成ABAQUS输入文件XXX.py。

软件调用ABAQUS.exe读取ABAQUS输入文件XXX.py进行计算，生成XXX.odb文件。软件计算内核采用通用商用软件ABAQUS线性动态分析模块进行阻抗特性计算，使用Lanczos法提取结构的模态和固有频率，并采用基于模态的稳态动态分析计算引起结构响应的振幅和相位。

执行数据处理程序，提取基座振型云图和响应点响应数据，按照a=Xej(ωt+φ2)换算成式(1)。绘制对应的原点加速度阻抗曲线。

软件区域Ⅰ可设置基座参数，如设置舱壁参数、面板参数、舱壁肋骨参数、肘板参数，点击相应预览按钮，可显示对应的模型预览图，见图3。

软件区域Ⅱ可设置计算相关参数，如激励点的位置及大小，响应点的位置以及网格参数等，点击预览按钮，可显示激励加载位置，见图4。

软件区域Ⅲ可显示计算结果，如基座振型云图、原点加速度阻抗曲线，见图5。

软件计算完毕后，计算结果文件也会自动保存在工作目录文件夹内，方便用户后续的数据处理工作，见图6。

3 算例

基于开发的基座机械阻抗特性参数化快速分析平台，以舱壁悬臂型基座作为分析对象进行机械阻抗特性分析，并分析结构各项参数对悬臂型基座的机械阻抗的影响。

3.1 模型建立

舱壁悬臂型基座示意图如图1c)所示，该基座的主要参数为：舱壁板为圆形，半径R=0.5 m，厚度t1=0.01 m；基座安装板长度Lφ=0.3 m，宽度Bφ=0.6 m，厚度t2=0.01 m；肘板在安装板下侧对称布置，肘板间距lφ=0.3 m,肘板参数为H1=0.1 m;H2=0.1 m；厚度t3=0.01 m。

舱壁上布置2根加强筋，截面类型为I型，如图7所示。

加强筋截面参数为：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，舱壁、安装面板和肘板由壳单元模拟，加强筋由梁单元模拟。基座结构在进行有限元网格划分时，其结构均采用每个波长范围由5个节点(4个单元)划分的原则，分析频率范围为0～200 Hz。为保证数据精确，在计算性能允许区间内尽可能提高网格质量[6]。

结构材料为各向同性的钢，主要参数：弹性模量210 GPa；泊松比0.3；密度7.8×103kg/m3。

舱壁板四周设为简支边界条件。激励点加载在安装面板的中心部位。

基座结构的振型云图见图8。

原点加速度阻抗变化见图9。

图9显示，悬臂基座的原点加速度阻抗曲线随频率升高显著降低，在100 Hz以上频段的阻抗曲线变化趋势缓和，输入阻抗在170及190 Hz处略有增加。

3.2 机械阻抗特性控制方法

在舱壁悬臂型基座结构原点阻抗特性分析的基础上，讨论舱壁悬臂型基座各个结构参数(安装面板板厚、舱壁板厚、肋板板厚、加强筋惯性矩)对悬臂型基座阻抗特性的影响规律。

3.2.1 安装面板厚度对基座机械阻抗的影响

采用上述基座模型，通过改变舰船舱壁悬臂型基座的安装面板的厚度来计算基座的机械阻抗。设计不同基座面板厚度共5种工况。提取各工况对应原点阻抗曲线计算结果文件，并采用MATLB软件绘制基座的机械阻抗随面板厚度的变化见图10。

由图10可见，该基座的原点加速度阻抗随着频率的增加逐渐降低。另外随着面板厚度的增加，舱壁悬臂型基座的加速度阻抗随之增加。但面板厚度增加到一定程度时，加速度阻抗的增加值越来越少，说明面板的厚度对基座机械阻抗的影响也越来越小。考虑设计的经济性和利用效率，可以综合各种因素选择面板的厚度。

3.2.2 舱壁板厚度对基座机械阻抗的影响

采用上述基座模型，通过改变舰船舱壁悬臂型基座的舱壁板的厚度来计算基座的机械阻抗。设计不同基座舱壁板厚度共4种工况。提取各工况对应原点阻抗曲线计算结果文件，并采用MATLB软件绘制基座的机械阻抗随舱壁板厚度的变化见图11。

由图11可见，该基座的原点加速度阻抗随着频率的增加逐渐降低。另外随着舱壁板厚度的增加，舱壁悬臂型基座的加速度阻抗也随之增加。

3.2.3 肘板厚度对基座机械阻抗的影响

采用上述基座模型，通过改变舰船舱壁悬臂型基座的肘板的厚度来计算基座的机械阻抗。设计不同肘板厚度共4种工况。提取各工况对应原点阻抗曲线计算结果文件，并采用MATLB软件绘制基座的机械阻抗随肘板厚度的变化见图12。

由图12可见，该基座的原点加速度阻抗曲线随着频率的增加逐渐降低。另外随着肘板厚度的增加，舱壁悬臂型基座的加速度阻抗也随之增加。

3.2.4 加强筋惯性矩对基座机械阻抗的影响

采用上述基座模型，通过改变舰船舱壁悬臂型基座的加强筋惯性矩来计算基座的机械阻抗。设计工况分为5种，见表1。

表1 加强筋截面参数(b2=0,t2=0)

提取各工况对应原点阻抗曲线计算结果文件，并采用MATLB软件绘制基座的机械阻抗随加强筋惯性矩的变化见图13。

由图13可见，该基座的原点加速度阻抗随着频率的增加逐渐降低。另外随着加强筋惯性矩的增加，舱壁悬臂型基座的加速度阻抗也随之略有增加。

4 结论

1)安装面板的厚度越大，基座的机械阻抗越大，但当安装面板厚度增加到一定程度时，其对基座机械阻抗的影响将减弱。

2)舱壁板的厚度和肘板的厚度越大，基座的机械阻抗越大。在基座的设计过程中可以适当考虑增加舱壁板的厚度和肘板的厚度。

3)增加加强筋的惯性矩也能提高基座的机械阻抗，在设计过程中可以考虑增加加强筋的惯性矩。

[1] 周海波,计方.典型船舶悬臂基座阻抗特性研究[J].船舶,2013,24(5)：11-16.

[2] 朱成雷,魏强,郑超凡,等.舰船典型基座输入机械阻抗特性分析[J].舰船科学技术,2015(6):57-60.

[3] 李江涛.符合结构基座减振特性的理论与实验研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[4] 张庆,彭旭,陈明.基座低频机械阻抗有限元计算方法研究[J].噪声与振动控制,2009,29(5):19-22.

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 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

张锦岚(1963—)，男，硕士，研究员研究方向:舰船总体、结构及性能设计

U663.7

A

1671-7953(2017)01-0006-05

修回日期：2016-12-23