桁架式綜合桅桿結(jié)構(gòu)強度及振動有限元分析

陳南華++吳群明++龐程燕

摘要：桁架式桅桿結(jié)構(gòu)強度及振動特性，關(guān)系著船舶的安全及其所搭載電子設(shè)備的精度等問題。針對該問題，基于中國船級社相關(guān)規(guī)范，利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某鋼質(zhì)綜合試驗船的桁架式綜合桅桿，進行了不同載荷工況下的強度及振動特性分析和評估。結(jié)果表明，該桁架式綜合桅桿的靜動力性能滿足要求。

關(guān)鍵詞：桁架式綜合桅桿；結(jié)構(gòu)強度；振動；有限元分析

中圖分類號：U667.1 文獻標識碼：A

Finite Element Analysis of Structural Strength and Vibration of Truss Type Synthesis Mast

CHEN Nanhua， WU Qunming， PANG Chengyan

（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： The structural strength and vibration characteristic of truss type synthesis mast are related to the security of a ship and the precision of electronic equipment， etc. In this paper the analysis and assessment of structural strength under different loads and vibration characteristic of the truss type synthesis mast for a steel sea-going test ship are carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran based on the CCS rules. The results indicate that the static and dynamic behavior of the truss type synthesis mast has satisfied the requirement.

Key words： Truss type synthesis mast； Structural strength； Vibration； Natural frequency； Finite element analysis

1 引言

桅桿是現(xiàn)代船舶的重要組成部分，桅桿的功能主要是搭載船用雷達、氣象儀、通信天線、信號燈等電子、電氣設(shè)備。按照其結(jié)構(gòu)形式，一般可分為桁架桅和筒形桅兩種。其中，桁架式桅桿具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、受風(fēng)面積小、重量較輕、工藝性較好、施工方便等優(yōu)點。但桁架式桅桿桿身較高、橫截面面積相對較小、剛度稍差。此外，其空間受力復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)和設(shè)備自重、慣性載荷以及風(fēng)載荷的影響下，可能導(dǎo)致桅桿結(jié)構(gòu)破壞。由于桅桿上搭載的電子設(shè)備對桅桿的振動特性有較高的要求，桅桿的振動可能導(dǎo)致安裝其上的電子設(shè)備失靈、壽命縮短甚至破壞。因此，對桅桿結(jié)構(gòu)強度和振動進行分析，設(shè)計出滿足要求的桅桿結(jié)構(gòu)，具有很強的實用意義。

本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran，對某鋼質(zhì)海洋綜合試驗船的桁架式綜合桅桿結(jié)構(gòu)強度及振動特性進行分析和評估。其中，強度評估主要依據(jù)中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范（2011）》（以下簡稱《艦艇規(guī)范》）的有關(guān)要求進行；振動特性評估以安裝在桅桿上的衛(wèi)通設(shè)備裝艦要素的要求為準。

2 桅桿結(jié)構(gòu)概況

本桁架式綜合桅桿布置于羅經(jīng)甲板頂部，立柱及斜撐為圓管，頂部為H型材。主要構(gòu)件尺寸為：立柱114x6.5mm；橫撐及斜撐60x4.0mm；桅桿頂部縱橫向主要構(gòu)件H150x150x7x10mm、橫向次要構(gòu)件L75x50x6mm。桅桿結(jié)構(gòu)圖及有限元模型，見圖1、圖2。

3 有限元模型

對于整個船體結(jié)構(gòu)而言，桅桿結(jié)構(gòu)受力屬于局部強度問題。根據(jù)圣維南原理，為了盡量減少邊界條件對計算結(jié)果的影響，對模型范圍進行適當擴展，取綜合桅桿結(jié)構(gòu)、信號桅桿結(jié)構(gòu)及第四層甲板室結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)中的板材和主要支撐構(gòu)件的腹板用板單元模擬；桅桿結(jié)構(gòu)、扶強材、甲板室橫梁、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構(gòu)件的實際截面和偏心；主要支撐構(gòu)件的面板用桿單元模擬；綜合桅桿及信號桅桿上及附近的衛(wèi)通、雷達等設(shè)備用質(zhì)量單元模擬；網(wǎng)格尺寸以200x200mm為基準進行劃分。根據(jù)以上原則建立有限元模型。

模型的總體坐標系取右手直角坐標系：x軸沿船長向首為正方向；y軸沿船寬向左舷為正方向；z軸沿型深向上為正方向。邊界條件取為甲板室底部固支。有限元模型見圖3。

6 振動分析

6.1 振動計算基本方程

桅桿振動計算主要是計算在無阻尼狀態(tài)下，桅桿的各階固有頻率及與之對應(yīng)的振型。典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程式如下：

[K]{q}=ω2[M]{q} （10）

式中：[K]為剛度矩陣；{q}為振型向量（特征向量）；ω為固有頻率；[M]為質(zhì)量矩陣。

6.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析采用的有限元模型和邊界條件同上。應(yīng)用NASTRAN的正則模態(tài)分析模塊進行求解，求解實特征值的方法選用Lanczos法。計算得到該綜合桅桿一階橫向和一階縱向固有頻率分別為14.013Hz和14.604Hz，均大于安裝其上的衛(wèi)通設(shè)備所要求的諧振頻率不低于8.0Hz。相應(yīng)的固有頻率及振型圖，見圖5、圖6。

7 結(jié)論

本文通過對桁架式綜合桅桿進行結(jié)構(gòu)強度及振動進行有限元分析，得到了兩種典型工況下桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況和一階縱橫向固有頻率。

計算分析結(jié)果表明，該桅桿的靜動力性能滿足規(guī)范及設(shè)備的相關(guān)要求，可為今后桁架式桅桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的選擇、結(jié)構(gòu)強度及振動有限元分析提供一定的參考。本文所采用的分析評估方法具有通用性，對于其他形式桅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度及振動有限元分析可參照使用。

參考文獻

[1] 楊振財，趙德有. 船舶筒形桅桿振動分析中邊界條件的研究[J]. 中國海洋平臺，2006，21（2）.

[2] 中國船級社. 水面艦艇入級規(guī)范[S]. 人民交通出版社， 2011.

[3] 金咸定，趙德有. 船體振動學(xué)[M]. 上海交通大學(xué)出版社， 2000.endprint