一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于彈簧?質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法，該方法首先將整體結(jié)構(gòu)分割成設(shè)備和開口加筋板兩個子結(jié)構(gòu)，然后分別對子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過位移歸一化處理，計算各子結(jié)構(gòu)一階固有振動的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度，針對整體結(jié)構(gòu)，建立兩個自由度的彈簧?質(zhì)量塊串子模型，并建立該力學(xué)模型的自由振動動力學(xué)方程，結(jié)合子結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，計算其一階固有振動頻率，作為設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻的預(yù)報值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及設(shè)備和開口結(jié)構(gòu)耦合振動特性預(yù)報的
，具體涉及一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法。
技術(shù)介紹
含開口結(jié)構(gòu)廣泛存在于船舶、航空航天、汽車和許多其他工程結(jié)構(gòu)中，開口不僅為設(shè)備安裝、工藝施工、檢查維修、管道通過等提供方便，更可以減輕結(jié)構(gòu)的重量。尤其在船舶工程中，由于隱身性能的需要，集成上層建筑成為各國海軍發(fā)展的熱點(diǎn)，美國研制的驅(qū)逐艦DDG-1000采用的就是集成上部結(jié)構(gòu)聯(lián)合孔徑天線布局。采用集成上層建筑，需將很多上層建筑外側(cè)的設(shè)備移到內(nèi)部，為保證各設(shè)備的正常運(yùn)行，需在上層建筑上布置大量的開口，并在壁板開口處搭載雷達(dá)等設(shè)備。大量高新精密儀器設(shè)備的裝艦對振動環(huán)境、頻率范圍和剛度性能均提出了更嚴(yán)格的要求，因此，開展設(shè)備與開口壁板的耦合振動特性的預(yù)報方法研究具有重要意義。設(shè)備與開口壁板組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括設(shè)備和開口加筋板兩部分，與簡單的梁、板相比，在結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力分布和不確定邊界條件方面更加復(fù)雜，加筋板開口和設(shè)備安裝對整體結(jié)構(gòu)靜力/動力特性的改變不容忽視。傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)，設(shè)備均安裝在連續(xù)板上，當(dāng)板的支撐剛度較強(qiáng)時，耦合振動效應(yīng)不明顯，常常將板作為剛性安裝基礎(chǔ)。當(dāng)板的剛度相對于設(shè)備剛度較小時，常將板簡化為彈性梁或彈性板，將設(shè)備簡化為質(zhì)量塊或彈簧-質(zhì)量塊模型，分析整體結(jié)構(gòu)的耦合振動。但是這種簡化模型僅適用于設(shè)備相對板較小的情況，對于尺寸較大的設(shè)備，如安裝在船舶上層建筑壁板上的雷達(dá)，將不能再作為質(zhì)量塊處理，而且目前還沒有針對安裝基礎(chǔ)為開口加筋板結(jié)構(gòu)的研究。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析，目前多采用有限元方法。隨著有限單元法的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)開發(fā)了很多可供工程計算用的大型程序和通用商業(yè)軟件，如ANSYS、PATRAN、ABAQUS等，借助這些軟件可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)的動力學(xué)分析。但是若采用有限元法對設(shè)備和開口加筋板組成的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，每調(diào)整一次參數(shù)都要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的重新建模計算，計算量較大，設(shè)備和開口加筋板之間單元的匹配和連接段的模擬在建模過程中都較耗費(fèi)時間，因此，有限元方法不適用于方案設(shè)計階段。如能對設(shè)備與開口加筋板耦合振動分析模型進(jìn)行簡化，大幅降低分析規(guī)模，這無疑具有重要的實(shí)際意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法。本專利技術(shù)主要是適用于設(shè)備和開口加筋板耦合系統(tǒng)的固有振動特性分析，用以計算整體結(jié)構(gòu)的基頻，并可用于指導(dǎo)設(shè)備和開口加筋板結(jié)構(gòu)的獨(dú)立設(shè)計和優(yōu)化，從而改善整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能，并提高方案設(shè)計階段的效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟是：第一步：根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)備和開口加筋板的連接處，將整體結(jié)構(gòu)分割成兩個子結(jié)構(gòu)。子結(jié)構(gòu)1為含矩形開口的開口加筋板結(jié)構(gòu)；子結(jié)構(gòu)2為設(shè)備板架結(jié)構(gòu)。第二步：根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)安裝情況確定開口加筋板的邊界條件，對開口加筋板進(jìn)行模態(tài)分析。整體結(jié)構(gòu)中，設(shè)備板架和開口加筋板通過螺栓連接在一起，采用簡支邊界條件近似開口加筋板對設(shè)備板架的支撐作用，對設(shè)備板架進(jìn)行模態(tài)分析。第三步：采用提取剛度矩陣和質(zhì)量矩陣或者提取單元動能的方法，計算設(shè)備板架和開口加筋板的一階固有振動的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。第一種方法：在模態(tài)分析的結(jié)果文件中分別提取開口加筋板和設(shè)備板架的質(zhì)量矩陣M1、M2、剛度矩陣K1、K2和一階模態(tài)的模態(tài)向量φ1、φ2。對模態(tài)向量進(jìn)行位移歸一化，即將模態(tài)向量的各元素除以所有元素中絕對值最大元素的絕對值。位移歸一化后的模態(tài)向量表示為開口加筋板和設(shè)備板架基于位移歸一化的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度的表達(dá)式為： M 1 = φ ^ 1 T M 1 φ ^ 1 , K 1 = φ ^ 1 T K 1 φ ^ 1 ]]> M 2 = φ ^ 2 T M 2 φ ^ 2 , K 2 = φ ^ 2 T K 2 φ ^ 2 ]]>其中，M1、K1分別為開口加筋板一階固有振動的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度，M2、K2分別為設(shè)備板架一階固有振動的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。第二種方法：借助有限元商用軟件的相關(guān)命令提取各單元基于位移歸一化的一階固有振動的動能ti(i＝1,2,…,n)，n為單元數(shù)量，以及結(jié)構(gòu)的一階固有角頻率ω。對所有單元動能求和得到整體結(jié)構(gòu)一階固有振動的動能： T = Σ i = 1 n t i ]]>動能T可表示為： T = 1 2 ω 2 M ]]>其中，M為結(jié)構(gòu)基于位移歸一化的模態(tài)質(zhì)量。則可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量為： M = 2 T ω 2 ]]>結(jié)構(gòu)的模態(tài)剛度為：K＝ω2M利用上述方法分別提取開口加筋板和設(shè)備板架基本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于彈簧?質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：第一步：將整體結(jié)構(gòu)分割成兩個子結(jié)構(gòu)，第一個子結(jié)構(gòu)為含矩形開口的開口加筋板結(jié)構(gòu)，第二個子結(jié)構(gòu)為設(shè)備板架結(jié)構(gòu)；第二步：根據(jù)實(shí)際安裝情況確定開口加筋板的邊界條件，用有限元方法對開口加筋板進(jìn)行模態(tài)分析，分析設(shè)備板架和開口加筋板的連接段剛度，確定設(shè)備板架的邊界條件，用有限元方法對設(shè)備板架進(jìn)行模態(tài)分析；第三步：分別對開口加筋板和設(shè)備板架一階固有振動的模態(tài)向量進(jìn)行位移歸一化，計算開口加筋板和設(shè)備板架一階固有振動的模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量；第四步：針對整體結(jié)構(gòu)，建立兩個自由度的彈簧?質(zhì)量塊串子模型，并建立該模型的自由振動動力學(xué)方程；第五步：將開口加筋板和設(shè)備板架的模態(tài)參數(shù)代入彈簧?質(zhì)量塊串子模型的動力學(xué)方程中，對方程進(jìn)行求解，得到其一階固有頻率，作為原始結(jié)構(gòu)的基頻預(yù)報值。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振動基頻預(yù)報方法，其特
征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：
第一步：將整體結(jié)構(gòu)分割成兩個子結(jié)構(gòu)，第一個子結(jié)構(gòu)為含矩形開口的開口加筋板結(jié)
構(gòu)，第二個子結(jié)構(gòu)為設(shè)備板架結(jié)構(gòu)；
第二步：根據(jù)實(shí)際安裝情況確定開口加筋板的邊界條件，用有限元方法對開口加筋板
進(jìn)行模態(tài)分析，分析設(shè)備板架和開口加筋板的連接段剛度，確定設(shè)備板架的邊界條件，用有
限元方法對設(shè)備板架進(jìn)行模態(tài)分析；
第三步：分別對開口加筋板和設(shè)備板架一階固有振動的模態(tài)向量進(jìn)行位移歸一化，計
算開口加筋板和設(shè)備板架一階固有振動的模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量；
第四步：針對整體結(jié)構(gòu)，建立兩個自由度的彈簧-質(zhì)量塊串子模型，并建立該模型的自
由振動動力學(xué)方程；
第五步：將開口加筋板和設(shè)備板架的模態(tài)參數(shù)代入彈簧-質(zhì)量塊串子模型的動力學(xué)方
程中，對方程進(jìn)行求解，得到其一階固有頻率，作為原始結(jié)構(gòu)的基頻預(yù)報值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振
動基頻預(yù)報方法，其特征在于：步驟一中對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割時，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形
式，在設(shè)備和開口加筋板的連接處，將整體結(jié)構(gòu)分割成設(shè)備板架和含矩形開口的開口加筋
板兩個子結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振
動基頻預(yù)報方法，其特征在于：步驟二中單獨(dú)對設(shè)備板架進(jìn)行模態(tài)分析時，設(shè)備板架邊界條
件的選取依據(jù)是設(shè)備板架和開口加筋板的連接方式，設(shè)備板架和開口加筋板的連接方式為
面板之間的螺栓連接，邊界條件采用簡支邊界條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于彈簧-質(zhì)量塊串子模型的設(shè)備和開口加筋板耦合振
動基頻預(yù)報方法，其特征在于：步驟三中計算設(shè)備板架和開口加筋板的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛
度時，可以采用兩種方法；
第一種方法：首先在模態(tài)分析的結(jié)果文件中分別提取開口加筋板和設(shè)備板架的質(zhì)量矩
陣M1、M2、剛度矩陣K1、K2和一階模態(tài)的模態(tài)向量φ1、φ2，將模態(tài)向量位移歸一化，可表示為
開口加筋板和設(shè)備板架基于位移歸一化的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度的表達(dá)式為：
M 1 = φ ^ 1 T M 1 φ ^ 1 , K 1 = φ ^ 1 T ...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邱志平，朱靜靜，王曉軍，呂崢，王鵬博，王沖，陳賢佳，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11