船舶机械设备连接结构的损耗分析.pdf
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1、第4 5卷第2 3 期2023年1 2 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023船舶机械设备连接结构的损耗分析吴艳芳(重庆三峡学院机械工程学院,重庆4 0 4 0 2 0)摘要:本文对船舶连接结构结合面阻尼进行分析,着重研究了阻尼耗能的数学模型,并给出阻尼的测量方法;对船舶连接结构抑振性能进行分析,给出了直簧振子的阻抗值随频率的变化曲线和振动响应随频率的变化曲线,探讨了局部约束激励端响应以及非激励端响应。最后,对船舶连接结构的损耗因子进行了分析。关键词:船舶;机械设备;结构损耗中图分类号:U664.22文章编号:1 6 7 2
2、-7 6 4 9(2 0 2 3)2 3-0 1 6 2-0 4Research on the loss of connection structures of ship mechanical equipment(Chongqing Three Gorges University,School of Mechanical Engineering,Chongqing 404020,China)Abstract:This article analyzes the damping of the joint surface of ship connecting structures,focuses o
3、n studying themathematical model of damping energy consumption,and provides a measurement method for damping;Analyze the vibra-tion suppression performance of the ships connecting structure,provide the impedance value of the straight spring oscillatorwith frequency variation curve and the vibration
4、response with frequency variation curve,and explore the local constraint ex-citation end response and non excitation end response;Finally,the loss factor of the ships connecting structure was analyzed.Key words:ships;mechanical equipment;structural loss0引言随着船舶结构设计规范的逐步提升,船舶结构的振动问题成为船体结构设计的重要技术问题之一。船
5、舶在海面上航行过程中,如果船体出现持续性的剧烈震荡,船体的结构则会产生疲劳损伤,从而对船舶的安全航行产生一定的影响2 。船舶螺旋桨产生的压力和船舶主机产生的压力之间的不平衡是船舶振动的主要原因3 。螺旋桨和主机在工作的过程中,其内部出现的不平衡力会通过船舶上的机械连接结构传输到船体各个部位,因此对船体上连接结构的动力学特性进行研究十分重要。由于船体结构上设备的连接形式多样性,这极大的增加了研究的难度,使得相关的研究文献比较少4 。船体上的连接部位需要承受并且传递动静载荷,因此会造成相应的振动以及碰撞。如果不能适当处理这些连接部位,则会加剧这种震荡,甚至会扩大连接界面的间隙从而造成整体结构的失效
6、。因此船体上机械连接结构形式对连接结合面的动力学特性有很大的影响。本文对船舶机械设备连接结构损收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 0作者简介:吴艳芳(1 9 8 8-),女,硕士,助理实验师,研究方向为机械设计及机电一体化。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.029WUYan-fang耗进行研究,有助于船舶连接结构技术的发展。1船舶连接结构结合面阻尼分析1.1阻尼耗能的数学模型在船体结构的设计制造过程中,船体结构通常都会存在振动以及噪声问题,这些振动及噪声会对船体的结构产生十分严重的破坏5。为了能够对船体结构的振动、冲击以及噪声等问题进行抑
7、制,则需要将这些异常的能量消耗掉,消耗这些能量最常用的方法是增大阻尼。通常来讲,建造材料、结构粘性流体介质等材料的耗能作用共同产生了阻尼6 。一般可以使用滞迟回线的方法对船体连接结构的阻尼耗能进行定量分析。由于存在阻尼作用的影响,动态激励的相位要超前于位移响应的相位,如下式:F=Fo sinwt=Foejot,A=Ao sin(at-a)=Aoe;l(ot-)。阻尼的动态刚度属于复数,其计算方法是激励力(1)(2)第4 5卷和位移之间的比值,如下式:F_Foeia=keie,k*=e将式(1)和式(2)中的t消去,则可以获得动态力和位移之间的数学关系,其表示的是一个封闭的椭圆形回线。该封闭回线
8、的内部面积就是该动态力在一个周期内的做功,如下式:SW=f FdA=FoAo sina,此时,船体连接结构的弹性性能表达式如下:1假设采用单位弧度做的功来表示损耗的能量,则可以使得式(4)中的8 W和式(5)中的W具备一样的量纲,其单位弧度做的功可以使用式(6)来表示。W=SWFoAosin。元2损耗能量和弹性性能之间的比值是船体连接结构阻尼的物理本质,假设将这个比值定义成连接结构阻尼的损耗因子,则根据式(4)和式(6)可以得到该损耗因子的计算方法,如下式:n=AW=tan。W可以看出,船体连接结构的阻尼损耗因子和滞后角之间存在紧密联系,并且船体连接结构的阻尼损耗因子会随着滞后角的增大而增大,
9、根据式(7)则可以将式(3)改为下式:K=K(cos+jsin),式中,K为复刚度。阻尼损耗因子可以使用复刚度的虚部和实部之间的比值来表示,如下式:(9)ReK*对比式(7)和式(9)两种不同的船体连接结构阻尼损耗因子的不同数学模型可以看出,船体连接结构的损耗因子不但可以表示出能量的损耗量,即位移相位滞后于力相位,同样可以表示损耗因子是复刚度虚部和实部之间的比值。1.2阻尼的测量方法以牛顿定律以及达朗贝尔原理为基础,阻尼震荡系统的微分方程可以表示为:Mx+Cx+Kx=f(x)。如果阻尼形式为比例形式,则其微分方程如下式:吴艳芳:船舶机械设备连接结构的损耗分析(3)式中,G为比例阻尼。内阻尼和外
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