直升機(jī)平臺(tái)快速建模及振動(dòng)分析

文/交通運(yùn)輸部上海打撈局 李艮田

1 建模和分析步驟

1.1 處理CAD圖紙

對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)甲板而言，模型中會(huì)采用面單元模擬，其所附的球扁鋼，T型材采用梁?jiǎn)卧M，建模時(shí)只需刪除CAD尺寸標(biāo)注，以及可能會(huì)干擾建模的線條，整理完成后的模型如下所示：

直升機(jī)平臺(tái)CAD線條

采用自編程序和 CAD連接，并計(jì)算每根線條與其他線條的交點(diǎn)，生成各個(gè)小線段，并寫成ANSYS可以讀取的文本文件，并保留線條的顏色和圖層信息。不同 CAD圖層在 ANSYS中處理成不同的分組，當(dāng)線條賦予球扁鋼，T型材或工字梁等屬性時(shí)，通過(guò)分組選取，分組賦予屬性會(huì)大大加快建模速度。通常設(shè)計(jì)院會(huì)采用顏色對(duì)應(yīng)來(lái)區(qū)分大構(gòu)建與小構(gòu)件，如威力號(hào)MARIC在設(shè)計(jì)時(shí)，采用紅色，綠色表示強(qiáng)構(gòu)件，而其他顏色表示小構(gòu)件。對(duì)應(yīng)的有限元線條模型如下：

直升機(jī)平臺(tái)甲板板模型-線條

上述圖形是各個(gè)小線段組成的，所以線條相交的地方都有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通常要在 ANSYS中融合重合的關(guān)鍵點(diǎn)，這樣保證所有的線條是聯(lián)系在一起的。自編程序同時(shí)提供通過(guò)自動(dòng)生成面積的程序。程序處理完后的情況如下：

白色的部分表示此處線條未能生成面，程序在處理時(shí)，若不能由 3條或者 4條線組成一個(gè)面，則放棄自動(dòng)生成面，一方面船舶的面基本都是格子線組成，絕大部分的面可以描述成 3條或者 4條線段組成。如本例，95%左右的面積都可以自動(dòng)生成出來(lái)；剩余的面可以在ANSYS中很快的點(diǎn)擊鼠標(biāo)建立。

直升機(jī)平臺(tái)甲板板模型-面

1.2 線條、面賦予材料屬性

線條賦予材料屬性很難通過(guò)程序處理自動(dòng)賦值。因?yàn)?CAD的線條中無(wú)法提供計(jì)算機(jī)可以理解的線條屬性。因此只能通過(guò)線條分組，手動(dòng)賦予屬性。對(duì)于本例，直升機(jī)平臺(tái)的球扁鋼，T型材等全部用 Beam188梁?jiǎn)卧M，支柱為管系，采用 Pipe單元模擬，并在剖分后，通過(guò)顯示單元實(shí)際形狀，非常方便的檢查是否將材料屬性賦值錯(cuò)誤。由于采用了和原CAD圖紙一樣的顏色和分組，所以實(shí)際操作時(shí)也非常方便。

1.3 單元剖分

屬性賦值時(shí)，可以邊剖分，邊建立線條分組，以保證下一次改變單元屬性和單元格大小時(shí)，不需要手動(dòng)選擇線條并重新賦予屬性操作。直升機(jī)平臺(tái)甲板采用殼單元，橫梁全部采用梁?jiǎn)卧x予截面形狀，剖分完成后的情況如下，至此，直升機(jī)平臺(tái)甲板部分建模完成。

直升機(jī)平臺(tái)甲板有限元模型—單元顯示實(shí)際形狀

1.4 三維拼裝

直升機(jī)平臺(tái)的支撐架結(jié)構(gòu)可全部模擬為梁系，CAD模型中只需給出相應(yīng)的線條，部分三維線條需要在有限元模型中修改，直升機(jī)平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)較少，不論導(dǎo)入CAD線條還是直接在有限元模型中修改都相對(duì)比較容易。有限元模型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表，完成的模型圖如下：

類型號(hào) 類型名稱 單元數(shù)量 單元總重量（KG）1 SHELL63 45135 44622.1 2 BEAM188 9266 44353.9 3 Pipe16 3171 50044.7

直升機(jī)平臺(tái)模型圖（去除直升機(jī)平臺(tái)板）

1.5 模態(tài)分析

賦予材料屬性，邊界條件為樁腿處剛性固定，分析前 7階模態(tài)和頻率，計(jì)算結(jié)果如下表。

階數(shù) 頻率 振動(dòng)描述1 2.08 橫向擺動(dòng)（第1階）2 2.63 平臺(tái)扭振（第1階）3 3.12 縱向擺動(dòng)（第1階）4 9.39 平臺(tái)甲板縱向上下振動(dòng)（第1階）5 14.06 平臺(tái)甲板橫向上下擺動(dòng)（第1階）6 14.11 平臺(tái)甲板縱向上下振動(dòng)（第2階）7 15.15 平臺(tái)扭振（第2階）

2 直升機(jī)平臺(tái)振動(dòng)原因

直升機(jī)平臺(tái)分析結(jié)果顯示，直升機(jī)平臺(tái)的第一階橫向振動(dòng)固有頻率 =2.08赫茲，第一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率 =2.63赫茲，第一階縱向振動(dòng)固有頻率 =3.12赫茲。直升機(jī)平臺(tái)的幾個(gè)主要自由度的第一階固有頻率均很低，較低頻率的波浪會(huì)覆蓋此范圍，容易被波浪激勵(lì)引起共振現(xiàn)象。另外，船舶整體的頻率一般也在此范圍之類，需要做進(jìn)一步分析。要減少直升機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)，較好的辦法是提高直升機(jī)平臺(tái)的固有頻率。增加相當(dāng)數(shù)目的支座可以較明顯增加直升機(jī)平臺(tái)的頻率，但是工程量浩大；若在直升機(jī)支撐中間設(shè)置與 A甲板相連的拉桿，可以較明顯的提高縱向和扭轉(zhuǎn)固有頻率，但是橫向固有頻率卻很難有明顯改善。具體改善措施需要結(jié)合實(shí)際發(fā)生振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)情和設(shè)計(jì)院參照分析結(jié)果，提出合理的修改方案。

[1]喬國(guó)瑞 《直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖》，708研究所，2010

[2]周健 《總布置圖》，708研究所，2010