﻿ 集成桅杆主体结构优化设计与分析
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (16): 28-32    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.16.006 PDF

1. 中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 南京 211153;
2. 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430060

Optimization design and analysis of integrated mast main structure
PAN Jia-song1, LUO Yang2, YANG Chun-peng1
1. No.8 Research Academy of CSSC, Nanjing 211153, China;
2. Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China
Abstract: The main structure of a new integrated mast is taken as the research object. Firstly, the structural optimization and lightweight design of the main structure are carried out. Then, based on Patran software, the structural response under gravity load, wind load and ship inertia load is analyzed, and the structural strength check and model analysis are carried out. The analysis result show that the strength of the optimized main structure meets the use requirements, the difference of moment of inertia between the middle cross section and the middle section is reduced by 57%,the weight of the structure is reduced by 53%, the first-order natural frequency is staggered by 296% of the wind load pulsation frequency, 289% of the total vibration frequency of the hull and 46% of the vibration frequency of the main engine. The optimization design and analysis method in this paper has great reference significance for the design of other integrated mast.
Key words: integrated mast     lightweight     wind load     inertia load     model analysis
0 引　言

1 集成桅杆 1.1 结构形式

 图 1 集成桅杆及其主体结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of integrated mast
1.2 结构优化设计

 图 2 坐标系定义图（俯视） Fig. 2 Coordinate system definition diagram

 图 3 底甲板结构布置图 Fig. 3 Structural layout of bottom deck

2 载荷计算 2.1 风载荷

 $P = \frac{1}{2}({C_p} + {C_p}'\sin \omega t)\rho {V^2}。$ (1)

 $P = \frac{1}{2}{C_p}\rho {V^2}。$ (2)

 图 4 平均压力系数曲线 Fig. 4 Curve of average pressure coefficient
2.2 摇摆惯性载荷

 $\begin{split} &横摇 \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{a_x} = 0}，\\ {{a_y} = g\sin {\phi _{\max }} + 4{\text{π} ^2}(Z{\phi _{\max }} + R)/T_\phi ^2} ，\\ {{a_z} = g\sin {\phi _{\max }} + 4{\text{π} ^2}(Y{\phi _{\max }} + R)/T_\phi ^2}。\end{array}} \right. \\ &纵摇 \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{a_x} = g\sin {\theta _{\max }} + 4{\text{π} ^2}Z{\theta _{\max }}/T_\theta ^2}，\\ {{a_y} = 0}，\\ {{a_z} = g\sin {\theta _{\max }} + 4{\text{π} ^2}X{\theta _{\max }}/T_\theta ^2}。\end{array}} \right.\end{split}$ (3)

 $横摇 \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{a_x} = 0}，\\ {{a_y} = 12.8\;{\rm{m}}/{{\rm{s}}^2}}，\\ {{a_z} = 8.4\;{\rm{m}}/{{\rm{s}}^2}}。\end{array}} \right. 纵摇 \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{a_x} = 4.75\;{\rm{m}}/{{\rm{s}}^2}}，\\ {{a_y} = 0}，\\ {{a_z} = 13.4\;{\rm{m}}/{{\rm{s}}^2}} 。\end{array}} \right.$
3 有限元分析

3.1 有限元建模

 图 5 有限元模型 Fig. 5 Finite element model
3.2 强度校核

 图 6 最大结构响应随风向角变化曲线 Fig. 6 Maximum structural response curve with wind direction angle

 图 7 结构响应云图 Fig. 7 Structure response cloud chart
3.3 模态分析

 图 8 一阶固有频率振形图 Fig. 8 First order natural frequency mode diagram
4 结　语

1）通过优化原集成桅杆主体结构的纵横向结构布置，减小结构和外板尺寸，在最大结构响应满足规范的前提下，本文采用的方案显著减轻了结构整体重量，纵向与横向结构抗弯能力更加合理。

2）针对本主体结构的风载荷计算，船舶相关规范与雷达规范在最大遭遇风速的取值上存在一定的差异，雷达规范取值更大，本文以雷达规范最大遭遇风速进行校核，提升了安全系数。

3）通过有限元分析，结构在0°风向角与横摇惯性力的共同作用下，结构第4层外板开孔旁区域的结构响应达到最大，该区域应进行加强，分析结果为结构特定薄弱区域的加强提供了方向。

4）通过对优化后的结构进行模态分析，其一阶固有频率值与风载脉动频率、船体总振动固有频率、主机振动频率等均明显错开，能够避免共振的发生，验证了结构优化的有效性。

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