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        導流管模態(tài)分析方法及論證

        2019-09-12 02:38:08
        船海工程 2019年4期
        關(guān)鍵詞:船體導流固有頻率

        (中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

        由于導流管緊鄰螺旋槳,處于螺旋槳激振力作用的中心范圍,如果設計不當而導致與螺旋槳產(chǎn)生共振,可能就會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞,甚至會損壞螺旋槳。因此,通過對導流管結(jié)構(gòu)進行振動特性分析,來評估導流管與螺旋槳發(fā)生共振的風險十分必要。目前,國內(nèi)外針對導流管的研究大多是關(guān)于其流體性能方面,關(guān)于其振動特性方面的研究很少[1-2]。虛擬質(zhì)量法是一種有效計算流固耦合問題的方法,已經(jīng)在很多研究領域得到了廣泛的應用[3-6]。

        本文以多個實船應用的導流管作為對象,根據(jù)虛擬質(zhì)量法的基本理論,采用通用有限元分析軟件MSC.NASTRAN對各導流管不同類型模型在不同介質(zhì)(空氣和水)中的固有模態(tài)進行數(shù)值計算,通過計算結(jié)果對比分析,論證附加質(zhì)量對導流管振動特性的影響以及關(guān)于導流管模態(tài)分析的共性技術(shù)和方法。

        1 導流管模型

        選取3個實船應用的導流管(分別命名為“NZ_A”“NZ_B”和“NZ_C”)作為對象,并按照建模范圍的不同分別建立“整體模型”和“獨立模型”。其中,“整體模型”包括導流管結(jié)構(gòu)和部分主船體結(jié)構(gòu),主船體結(jié)構(gòu)模擬至距離導管結(jié)構(gòu)一定范圍的強框或平臺,在主船體結(jié)構(gòu)上施加邊界約束;“獨立模型”只包括導流管結(jié)構(gòu)本身,在導流管與主船體結(jié)構(gòu)連接處施加邊界約束。各導流管模態(tài)分析模型見圖1~3。

        圖1 NZ_A模型

        圖2 NZ_B模型

        圖3 NZ_C模型

        相同情況下,“獨立模型”和“整體模型”相比,建模相對比較簡單,單元數(shù)少,計算效率更高。

        2 模態(tài)分析

        采用通用有限元分析軟件MSC.NASTRAN對以上各導流管模型分別計算其在空氣中的固有模態(tài)(干模態(tài))和浸水狀態(tài)下的固有模態(tài)(濕模態(tài))。

        進行濕模態(tài)計算時,需要借助MFLUID和ELIST數(shù)據(jù)卡對流體域進行定義,從而得到附加質(zhì)量,其中,MFLUID數(shù)據(jù)卡用來定義流體域的屬性,包括坐標系、流體密度、自由液面高度、流固耦合作用面及邊界條件等;ELIST數(shù)據(jù)卡用來定義浸水單元組。定義了流體域之后,還必須調(diào)用工況控制命令(CASE CONTROL CAMMAND)MFLUID來啟動計算。

        各導流管模型模態(tài)計算結(jié)果見表1~6(取前3階計算結(jié)果)。

        表1 NZ_A (a)模態(tài)分析結(jié)果

        表2 NZ_A (b)模態(tài)分析結(jié)果

        表3 NZ_B (a)模態(tài)分析結(jié)果

        表4 NZ_B (b)模態(tài)分析結(jié)果

        表5 NZ_C (a)模態(tài)分析結(jié)果

        表6 NZ_C (b)模態(tài)分析結(jié)果

        3 附加質(zhì)量對導流管模態(tài)影響分析

        從以上導流管模態(tài)計算結(jié)果可以看出,不論采取“整體模型”還是“獨立模型”,干模態(tài)和濕模態(tài)的前3階振型基本上一致,第1階為不對稱垂向振動,第2階為對稱或不對稱垂向振動,第3階為水平縱向振動。

        通過干、濕模態(tài)固有頻率對比(圖4)可見,導流管在水中的各階固有頻率要顯著小于在空氣中的固有頻率,附加質(zhì)量對導流管固有頻率的影響較大,是因為導流管在水中的振動受到流體作用力的影響,相當于增加了導流管結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,從而導致固有頻率顯著下降。

        圖4 干、濕模態(tài)固有頻率對比

        4 建模方法

        “整體模型”和“獨立模型”的振動固有頻率計算結(jié)果的對比見表7。由表7可見,兩種模型計算得到的振動固有頻率有較大的差別,“獨立模型”計算得到的固有頻率比“整體模型”計算得到的固有頻率要普遍高20%以上,個別甚至高50%以上,且干模態(tài)之間的差值比濕模態(tài)之間的差值還要更加明顯一些。

        表7 兩種模型計算結(jié)果

        兩種模型的計算結(jié)果之所以有如此大的差距,主要是因為采用“獨立模型”時,很難準確地模擬導流管與主船體之間的連接強度與剛度,采取“簡支”或“剛固”都不能夠準確反映模型的邊界條件。導流管和主船體結(jié)構(gòu)之間的質(zhì)量和剛度差別較大,不在同一個級別(導流管和主船體不會發(fā)生諧振),主船體結(jié)構(gòu)模擬的范圍及邊界條件的選取對導流管模態(tài)計算的結(jié)果幾乎沒有影響。由此認為,采用“整體模型”進行計算的結(jié)果合理,更能準確反映導流管真實的固有頻率。因此,進行導流管模態(tài)的分析時,雖然“獨立模型”建模相對簡單,計算效率更高,但從準確性考慮,仍然建議采用包含部分主船體結(jié)構(gòu)的“整體模型”。

        5 濕模態(tài)計算方法

        基于虛擬質(zhì)量法理論進行濕模態(tài)計算時,有“濕模態(tài)法”和“干模態(tài)法”兩種方法?!皾衲B(tài)法”是直接按照流固耦合進行求解,在建立質(zhì)量矩陣時就考慮附連水質(zhì)量的影響,計算直接得到結(jié)構(gòu)的濕模態(tài)。而“干模態(tài)法”是先把結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與流體分開,求出結(jié)構(gòu)在空氣中的固有頻率和模態(tài)(即“干模態(tài)”),在干模態(tài)坐標變換后再考慮流體的影響,進而得到濕模態(tài)[7-8]。從方法描述可以看出,“干模態(tài)法”相比“濕模態(tài)法”多一個步驟,但其特征方程的自由度會減少。

        在同一臺計算機上,在相同的運行狀態(tài)下,分別采用“干模態(tài)法”和“濕模態(tài)法”對各導流管 (僅 “整體模型”)進行濕模態(tài)計算,并對前3階固有頻率和計算耗時進行對比,結(jié)果見表8。

        表8 濕模態(tài)計算方法對比

        注:濕表面單元只包括導流管表面單元,不包括船體外板單元。

        從表8可以看出:①兩種方法計算的結(jié)果基本上完全一致,沒有明顯的區(qū)別;②計算時間主要受浸水單元數(shù)影響,隨著浸水單元數(shù)的增多,計算耗時成倍增長;③兩種方法的計算效率相差較大,“濕模態(tài)法”的計算耗時是“干模態(tài)法”的十幾倍到幾十倍不等;④浸水單元較多時,采用濕模態(tài)法計算,甚至會出現(xiàn)內(nèi)存溢出,計算無法進行的情況。

        在保證模型足夠準確的前提下,可以適當加大網(wǎng)格單元的尺寸來減少濕表面單元數(shù),以減少濕模態(tài)計算所需時間;在進行濕模態(tài)分析時,尤其是當浸水單元數(shù)較多時,建議采用“干模態(tài)法”,以提高計算效率,降低對內(nèi)存的需求。

        6 結(jié)論

        1)導流管在水中和空氣中的固有模態(tài)的振型基本上一致,但固有頻率差異顯著,附加質(zhì)量對導流管固有模態(tài)的影響較大。

        2)“整體模型”和“獨立模型”計算的振動固有頻率差異較大,為保證計算結(jié)果的準確性,建議采用帶有部分主船體結(jié)構(gòu)的“整體模型”。

        3)浸水單元數(shù)對濕模態(tài)計算效率影響較大,在保證模型足夠準確度的前提下,可以適當加大網(wǎng)格單元的尺寸來減少浸水單元數(shù),以減少計算所需時間。

        4)“干模態(tài)法”和“濕模態(tài)法”的濕模態(tài)計算結(jié)果基本上相同,但是計算效率差異明顯,為提高計算效率,建議采用“干模態(tài)法”。

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