船体振动固有特性及螺旋桨脉动压力预报方法

发布时间：2017-10-04 02:22

  本文关键词：船体振动固有特性及螺旋桨脉动压力预报方法

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【摘要】：船舶是进行水上运输和海洋开发的重要工具,船舶在航行过程中总会受到主机、螺旋桨和波浪等外界激励的作用。船体结构在这些激励的作用下,会发生不同程度的振动甚至有害振动。过大的振动可导致结构发生疲劳破坏,影响人员的身体健康和仪表设备的正常使用。为了避免船舶发生有害振动,需要在设计阶段较准确地预报船体结构的固有频率及螺旋桨脉动压力。本文主要针对船体振动固有特性预报及螺旋桨脉动压力预报进行研究,论文主要完成以下几部分工作：1)对船舶结构上的设备建模方法进行研究,分别采用集中质量模型、杆模型和空间结构模型来模拟船舶结构上的设备,通过对几种常用模型的分析,在杆模型的基础上利用刚度等效法提出了一种较为实用的等效模型。参照上层建筑对船舶总体振动固有频率影响系数计算公式的形式,给出设备对船体局部振动固有频率影响系数的计算公式。数值算例结果表明,采用本文给出的等效模型和设备对局部振动固有频率影响系数计算公式可以较准确地计算船体局部振动固有频率。2)对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报进行了系统地研究。首先对船舶上层建筑整体振动有限元建模方法进行研究,讨论了不同计算模型、边界条件、附加水质量以及装载情况对上层建筑整体纵向振动固有频率的影响,对于上层建筑整体振动有限元分析得到了一些有益的结论,并给出了较为实用的计算模型。考虑更多的影响因素,提出了一种新的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报公式,重点研究了上层建筑刚体回转振动固有频率计算公式中等效刚性系数的取法,给出了等效刚性系数曲线；并对剪切振动固有频率计算公式进行了修正,得到考虑弯曲振动影响的修正系数计算公式。智能方法具有很强的辨识能力,能够很好的处理不确定性和非线性问题,可以应用智能方法预测船体振动固有频率。支持向量机(Support Vector Machine, SVM)与其它智能方法相比具有小样本学习、全局寻优和泛化能力强等特点,能较好的解决小样本和非线性等实际问题。本文应用SVM对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率进行预测,取得了比较好的预测效果,为船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报提供了一种新思路。3)对于船舶总体垂向振动固有频率预报,提出了一种新的船舶总体垂向振动固有频率预报公式。以Timoshenko梁理论为基础,引入剪切系数来修正剪力均匀分布假设,得到两端自由等直梁固有频率计算公式；根据大量船舶总体垂向振动固有频率实测数据,按照两端自由等直梁固有频率计算公式的形式,采用统计分析方法,得到船舶总体垂向振动固有频率计算公式,为船舶总体垂向振动固有频率预报提供了一种新方法。应用SVM对船舶总体垂向振动固有频率进行预测,考虑到影响船舶总体垂向振动固有频率的参数较多,利用灰关联分析理论建立船舶主要参数和垂向振动固有频率之间的灰关联模型,通过计算各参数的灰关联度,来确定各参数对船舶总体垂向振动固有频率的影响大小；将关联度大的参数作为SVM的输入数据,取得了比较好的预测效果,为船舶总体垂向振动固有频率预报提供了一种新思路。4)采用CFD方法对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力进行预报。对船体和螺旋桨进行整体建模,基于Workbench平台进行双向流固耦合分析,计算得到船体表面脉动压力幅值。将CFD方法计算得到的螺旋桨诱导的船尾脉动压力幅值与试验值进行比较,两者结果较为接近,采用CFD方法可以较准确地预报螺旋桨诱导的船体表面脉动压力。船体振动预报涉及到结构动力学、弹性力学和流体力学等多个学科领域的交叉,本文对船体振动预报进行了较系统地研究,为船体振动固有频率预报提供了一些新方法和新思路。
【关键词】：船体振动 垂向振动 上层建筑 固有频率 支持向量机 灰关联分析 螺旋桨脉动压力
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.44;U664.33
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• CONTENTS11-14
• 图目录14-15
• 表目录15-17
• 主要符号表17-18
• 1 绪论18-32
• 1.1 论文研究工作的背景和意义18-20
• 1.2 国内外相关研究进展20-30
• 1.2.1 船体局部振动研究概况20-23
• 1.2.2 船舶总体垂向振动研究概况23-26
• 1.2.3 螺旋桨诱导的船体表面脉动压力研究概况26-30
• 1.3 本文主要研究内容与章节安排30-32
• 2 相关理论基础32-59
• 2.1 船体振动有限元分析基本理论32-42
• 2.1.1 结构振动方程32-33
• 2.1.2 单元刚度阵33-41
• 2.1.3 单元质量阵41-42
• 2.1.4 板梁组合结构42
• 2.2 流固耦合分析基本理论42-50
• 2.2.1 流固耦合分析42-43
• 2.2.2 固体域控制方程43-44
• 2.2.3 流体动力学控制方程44-46
• 2.2.4 湍流模型46-49
• 2.2.5 空化模型49-50
• 2.3 支持向量机基本理论50-55
• 2.3.1 支持向量机分类原理50-53
• 2.3.2 支持向量机回归原理53-55
• 2.4 灰关联理论55-58
• 2.4.1 灰关联算子集55-56
• 2.4.2 灰关联公理及灰关联度56-58
• 2.5 本章小结58-59
• 3 船体局部振动固有频率预报59-101
• 3.1 引言59-60
• 3.2 船体局部振动分析中对设备的处理方法60-70
• 3.2.1 几种常用的计算模型60-62
• 3.2.2 等效模型62-64
• 3.2.3 设备对船体局部振动固有频率影响系数64-67
• 3.2.4 算例分析67-69
• 3.2.5 小结69-70
• 3.3 船舶上层建筑整体振动分析三维有限元模型70-77
• 3.3.1 常用的有限元计算模型70-73
• 3.3.2 船舶装载状态和附加水质量对纵向振动固有频率的影响73-74
• 3.3.3 不同模型的修正公式74-76
• 3.3.4 小结76-77
• 3.4 船舶上层建筑纵向振动固有频率计算公式77-93
• 3.4.1 常用的经验公式78-84
• 3.4.2 船舶上层建筑纵向振动固有频率计算公式推导84-90
• 3.4.3 算例分析90-92
• 3.4.4 小结92-93
• 3.5 基于SVM的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报93-99
• 3.5.1 基于SVM的船舶上层建筑整体纵向振动固有频率回归模型93-95
• 3.5.2 船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预测95-99
• 3.5.3 小结99
• 3.6 本章小结99-101
• 4 船舶总体垂向振动固有频率预报101-123
• 4.1 引言101-102
• 4.2 影响船舶总体振动固有频率的参数102-105
• 4.2.1 船舶总体振动的质量104-105
• 4.2.2 船体梁的弯曲刚度105
• 4.3 船舶总体垂向振动固有频率计算公式105-114
• 4.3.1 常用的经验公式105-107
• 4.3.2 等直梁弯曲振动固有频率计算公式推导107-109
• 4.3.3 船舶总体垂向振动固有频率计算公式109-111
• 4.3.4 算例分析111-113
• 4.3.5 小结113-114
• 4.4 基于灰关联分析和SVM的船舶总体垂向振动固有频率预报114-121
• 4.4.1 船舶参数的灰关联分析114-116
• 4.4.2 基于SVM的船舶总体垂向振动固有频率预测116-121
• 4.4.3 小结121
• 4.5 本章小结121-123
• 5 螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报123-146
• 5.1 引言123
• 5.2 螺旋桨诱导的脉动压力计算方法123-128
• 5.2.1 经验公式123-125
• 5.2.2 势流理论方法125-127
• 5.2.3 试验方法127-128
• 5.3 CFD方法128-130
• 5.4 基于双向流固耦合螺旋桨诱导的船体表面脉动压力计算130-143
• 5.4.1 计算模型131-133
• 5.4.2 CFD方法计算结果133-136
• 5.4.3 螺旋桨脉动压力试验136-137
• 5.4.4 各种方法计算结果比较137-143
• 5.5 螺旋桨叶频激励引起的船体振动响应计算143-145
• 5.6 本章小结145-146
• 6 结论与展望146-149
• 6.1 结论146-147
• 6.2 创新点摘要147
• 6.3 展望147-149
• 参考文献149-161
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果161-163
• 致谢163-164
• 作者简介164

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本文编号：968095