在设备激振力作用下船体板架结构的刚强度探析

在设备激振力作用下船体板架结构的刚强度探析
【摘要】
对船舶结构进行设计是，除了需要考虑板架自身的重量及设备的重量，还要考虑各种外力的作用，诸如：碰撞、海水的压力等。

还有一种作用力容易被忽视，即激振力。

船上有许多设备在运转过程中均会产生振动，形成激振力。

这就使得船舶板架还需承受激振力。

本文主要采用有限元软件ANSYS对船体受和不受激振力情况下的结构强度影响进行分析。

【关键词】激振力；板架结构；强度分析；应力；变形导语
在设计船舶过程中，需要考虑船体结构能否满足各种工况下的应力要求。

船体结构所受荷载和工况有很多种。

荷载主要有货物荷载、结构自重、设备及其他荷载、海水压力、向前或向后冲力、试验荷载等。

多种应力有同时存在的情况，这使得船舶在满载情况下会受到复杂的应力，船舶结构的刚强度直接关系到船舶的安全性。

设计中，有一种作用力常常被忽视，即激振力。

激振力主要来自于船舶某些大型设备在运转过程中震动产生，具有持续性。

激振力会传递给船体板架结构。

基于此，本文通过有限元软件ANSYS对船体板架受
到和不受到激振力工况下进行计算分析，研究船体板架的应力与变形状况。

一、建立船体板架模型
本文所研究的船体板架主要由轻质板材和型材构成。

其中板材尺寸为4*4m，厚度为10mm，板材上加有横梁和纵梁进行固定，用以提升板架结构的强度，其中横梁采用球扁钢（尺寸为3*300mm），纵梁采用T型钢（尺寸为5.300mm）。

选用当前常用的ANSYS有限元建立板架模型，进入软件后，选择SHELL181四节点的壳体单元和BEAM188来构造板架板材和横纵梁结构（注：所选钢材密度Wie7800kg/m3，弹性膜量为2*1011Pa，泊松比为0.3）。

二、船体板架结构的受力情况分析
（一）受力情况
船体板架结构的受力主要有结构自重、设备重量及工况下应力作用。

工况下应力作用较为复杂，本文主要考虑板材直接受到的设备自重压力，在有限元模型中间2*2位置处收到面积荷载，约5000N的力。

但设备运转时，会产生额外500N 的激振力。

在上述荷载状态下，板架结构会因应力发生变形。

因此，计算中，需要进行两种状态计算。

第一种：只计算加载5000N荷载；第二种，5000N荷载+500N激振力。

（二）计算结果
板架受力后，会产生弯矩和剪力，而且会有扰度生成，
并且在物体内部之间产生抵抗外力的内力，利用软件很容易模拟板架的受力情况。

通过软件计算后，查看结果可得到板架位移情况和等值线图。

第一种加载5000N荷载状态下后，板架变形位移结果为0.306mm，5000N荷载+500N激振力产生的最大变形位移为1.692mm。

刚度计算公式：
K=P/δ
δ表示位移
结果显示，第一种无激振力情况下结构所受最大应力为0.907E+07Pa；第二种有激振力情况下结构所受最大应力为0.997E+07Pa。

从软件图示可以看出，板架的横梁和纵梁均受到明显的应力，虽然变形位移差距不明显，但仍可以看出激振力对板架产生的应力变化曲线。

（三）总结分析
船体板架结构长期受到两种不同应力情况。

当设备运转时受到0.997E+07Pa的最大应力，当设备停止运转是收到0.907E+07Pa最大应力，长期循环，会使板架结构疲劳损坏，因此做好对船体板架结构刚强度分析，确保船舶正常航行运转很有必要。

船舶上有多种设备均会产生激振力，因此在负载设备的板架结构强度上需要做好分析，有助于延长船体板架结构的疲劳寿命，并能够满足船体的使用要求。

三、结束语
两种应力情况下，船体板架结构所受的最大应力分别为0.907+07Pa与0.997E+07Pa，二者相差近1/10，此外，两种应力情况下，船体板架结构所产生的位移分别为0.306mm和1.692mm，二者相差5倍左右。

因此激振力对船体板架结构的影响不容忽视。

本文仅探讨了船体板架结构在两种应力情况下的最大应力情况和板架结构所产生的位移情况。

实际中，例如船舶发动机实际激振力并不是一成不变的，根据航速的不同，发动机产生的激振力也不同，因此在计算船体板架结构的刚强度时，需考虑设备的最大激振力。

此外，船舶在航行过程中还将出现各种工况影响。

船舶在静水中的工况与航行过程中激振力也会有所不同。

如：垂荡、横荡、船体倾斜、航行加速、减速等情况下，激振力都会产生变化，对船体板架结构的应力也会发生变化。

因此在船舶板架结构的刚强度设计中应做好强度预留空间。

以满足板架在不同情况下均能长期承受周期性应力影响。

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