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原文传递桁架式箱体浮筏隔振系统结构设计与性能研究

论文题名：	桁架式箱体浮筏隔振系统结构设计与性能研究
关键词：	船舶浮筏隔振系统;桁架结构;抗冲击性能;隔振性能
摘要：	浮筏隔振系统是现代舰船中最常用的振动控制方式之一，其在军事船舶和民用船舶中都得到了广泛的应用。随着日益提高的舰船隐身性能要求，在浮筏隔振系统结构设计时，学者们越来越多地采用新型结构形式。早期的浮筏隔振系统是由双层隔振系统演化而来的，其中间的筏架结构十分简单。随着浮筏隔振系统的理论建模与筏架结构研究工作的进一步深入，浮筏隔振系统的结构设计也逐渐由最初的平置板式结构朝着立体化、空间化的方向发展。当前，浮筏隔振系统正朝着大型化方向发展，目前已被用作舱筏，未来可能被用作内含多个舱室的大型甚至超大型舱筏。浮筏隔振系统的整体质量较大，一方面会影响其隔振性能，另一方面会增加舰船的总体重量，影响到舰船的机动性。目前浮筏隔振系统多采用板架式结构，对浮筏隔振系统的轻量化设计研究大多是针对板架结构进行一定的拓扑优化。尽管目前已出现了一些新型的筏架结构，如桁架式筏架、曲梁筏架以及手性浮筏结构等，但对新型筏架结构的应用基本限于局部设备（如主机等），尚未将其应用于大型浮筏隔振系统。因此需要研究新型筏架结构在大型浮筏隔振系统中的应用。　　本文研究了三种典型桁架结构的动力特性，并对其行了动力特性分析；提出了桁架式箱体浮筏隔振系统的设计思路，给出了具体流程，并设计了一种新型的桁架式箱体浮筏隔振系统。对设计的新型的桁架式箱体浮筏隔振系统和传统板架式箱体浮筏隔振系统进行了静力、等效静力和动力学分析，最后对新型的桁架式箱体浮筏隔振系统的隔振性能进行了参数分析与优化设计。本文主要研究内容和结论如下：　　(1)推导了杆单元、Euler-Bernoulli梁单元和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵，通过组合杆单元和梁单元的动态刚度矩阵得到了平面桁架单元的动态刚度矩阵，通过组集平面桁架单元的动态刚度矩阵得到了平面桁架结构的总动态刚度矩阵，建立了平面桁架结构的动态刚度方程。对三种典型平面桁架结构进行了模态分析；在模态分析的基础上，针对两种工况，对三种平面桁架结构进行了谐响应分析，得到了桁架结构下面五个结点的平均振动加速度级随频率变化的曲线，发现内凹六边形桁架结构的振动抑制效果要稍优于另两种桁架结构；因此对两种工况下五种不同θ角的内凹六边形桁架结构的振动传递特性进行了更深入的分析，并与传统板架浮筏采用的结构的相应结果进行了对比分析，结果表明内凹六边形桁架结构的振动抑制效果要明显优于传统结构。　　(2)基于某实艇的板架式箱体浮筏隔振系统，利用第2章的研究成果，将桁架式结构引入了浮筏隔振系统的筏架设计之中，提出了桁架式箱体浮筏隔振系统的初步设计方式及流程。随后建立了传统板架式和新型桁架式箱体浮筏隔振系统的有限元模型。最后对初步设计的桁架式箱体浮筏隔振系统进行正浮、倾斜状态下的静力分析和横摇状态下浮筏的等效静力分析。通过有限元软件ABAQUS进行数值仿真分析，结果表明，新型桁架式箱体浮筏隔振系统沿艏艉和左右舷方向质量分布均匀，未出现一侧过重的情况；新型桁架式箱体浮筏隔振系统在正浮、横倾30°、尾倾15°和横摇30°状态下的整体Mises等效应力水平均比较低，上、下面板的最大应力值很小，均远低于材料屈服强度；上、下层隔振器的最大变形量也均未超过许用最大变形值，各隔振器可以充分发挥其性能。初步设计的桁架式箱体浮筏隔振系统符合设计要求。　　(3)对初步设计的新型桁架式箱体浮筏隔振系统进行了动力学特性分析，并与传统板架式箱体浮筏进行对比，结果表明，新型桁架式箱体浮筏隔振系统的抗冲击性能与隔振性能均优于传统板架式箱体浮筏隔振系统。初步设计的桁架式筏架与板架式筏架相比明显偏软。桁架式筏架的局部振型中包含了许多杆件结构的弯曲和扭转振型，这些特点均有利于筏架对振动波的抑制作用，从而大大改善浮筏的隔振性能。桁架式箱体浮筏隔振系统在低频段时，上层隔振器的隔振量占比最大。随着频率的提升，筏架的隔振量占比逐渐增加，上层隔振器隔振量逐渐降低并趋于一定值。　　(4)研究了上下层隔振器刚度、上下面板厚度以及主要和次要承力杆的截面尺寸对桁架式箱体浮筏隔振系统隔振性能的影响。研究结果表明，这些参数改了了不同频段下振级落差的幅值，但并不改振级落差随频率变化的规律，各参数改变对浮筏隔振系统隔振性能影响变化复杂，无法通过改变单一的变量使浮筏各部分均获得较好的隔振性能。　　(5)采用HyperStudy中的自适应响应面法(ARSM法)，通过调用ABAQUS求解器，对桁架式箱体浮筏进行多学科参数优化，得到了满足冲击与隔振边界条件的浮筏最轻量化方案。优化后的桁架式箱体浮筏与优化前相比，质量减轻了15.85%；0-500Hz的平均振级落差基本相同；垂向、纵向、横向的冲击隔离率分别提高了1.6%、0.9%、2.6%。优化后的桁架式箱体浮筏在抗冲击性能与隔振性能均略有提高的情况下，质量有了明显的减轻。
作者：	万文超
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021