一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弹簧‑质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法，该方法首先将整体结构分割成设备和开口加筋板两个子结构，然后分别对子结构进行模态分析，通过位移归一化处理，计算各子结构一阶固有振动的模态质量和模态刚度，针对整体结构，建立两个自由度的弹簧‑质量块串子模型，并建立该力学模型的自由振动动力学方程，结合子结构的模态参数，计算其一阶固有振动频率，作为设备和开口加筋板耦合振动基频的预报值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及设备和开口结构耦合振动特性预报的
，具体涉及一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法。
技术介绍
含开口结构广泛存在于船舶、航空航天、汽车和许多其他工程结构中，开口不仅为设备安装、工艺施工、检查维修、管道通过等提供方便，更可以减轻结构的重量。尤其在船舶工程中，由于隐身性能的需要，集成上层建筑成为各国海军发展的热点，美国研制的驱逐舰DDG-1000采用的就是集成上部结构联合孔径天线布局。采用集成上层建筑，需将很多上层建筑外侧的设备移到内部，为保证各设备的正常运行，需在上层建筑上布置大量的开口，并在壁板开口处搭载雷达等设备。大量高新精密仪器设备的装舰对振动环境、频率范围和刚度性能均提出了更严格的要求，因此，开展设备与开口壁板的耦合振动特性的预报方法研究具有重要意义。设备与开口壁板组成的复杂结构，包括设备和开口加筋板两部分，与简单的梁、板相比，在结构形式、应力分布和不确定边界条件方面更加复杂，加筋板开口和设备安装对整体结构静力/动力特性的改变不容忽视。传统的工程结构，设备均安装在连续板上，当板的支撑刚度较强时，耦合振动效应不明显，常常将板作为刚性安装基础。当板的刚度相对于设备刚度较小时，常将板简化为弹性梁或弹性板，将设备简化为质量块或弹簧-质量块模型，分析整体结构的耦合振动。但是这种简化模型仅适用于设备相对板较小的情况，对于尺寸较大的设备，如安装在船舶上层建筑壁板上的雷达，将不能再作为质量块处理，而且目前还没有针对安装基础为开口加筋板结构的研究。对于复杂结构的动力学分析，目前多采用有限元方法。随着有限单元法的发展和计算机技术的广泛应用，已经开发了很多可供工程计算用的大型程序和通用商业软件，如ANSYS、PATRAN、ABAQUS等，借助这些软件可对复杂结构系统进行精细的动力学分析。但是若采用有限元法对设备和开口加筋板组成的整体结构进行动力学分析，每调整一次参数都要进行整体结构的重新建模计算，计算量较大，设备和开口加筋板之间单元的匹配和连接段的模拟在建模过程中都较耗费时间，因此，有限元方法不适用于方案设计阶段。如能对设备与开口加筋板耦合振动分析模型进行简化，大幅降低分析规模，这无疑具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法。本专利技术主要是适用于设备和开口加筋板耦合系统的固有振动特性分析，用以计算整体结构的基频，并可用于指导设备和开口加筋板结构的独立设计和优化，从而改善整体结构的动力学性能，并提高方案设计阶段的效率。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法，其具体实现步骤是：第一步：根据整体结构的结构形式，在设备和开口加筋板的连接处，将整体结构分割成两个子结构。子结构1为含矩形开口的开口加筋板结构；子结构2为设备板架结构。第二步：根据实际工程结构安装情况确定开口加筋板的边界条件，对开口加筋板进行模态分析。整体结构中，设备板架和开口加筋板通过螺栓连接在一起，采用简支边界条件近似开口加筋板对设备板架的支撑作用，对设备板架进行模态分析。第三步：采用提取刚度矩阵和质量矩阵或者提取单元动能的方法，计算设备板架和开口加筋板的一阶固有振动的模态质量和模态刚度。第一种方法：在模态分析的结果文件中分别提取开口加筋板和设备板架的质量矩阵M1、M2、刚度矩阵K1、K2和一阶模态的模态向量φ1、φ2。对模态向量进行位移归一化，即将模态向量的各元素除以所有元素中绝对值最大元素的绝对值。位移归一化后的模态向量表示为开口加筋板和设备板架基于位移归一化的模态质量和模态刚度的表达式为： 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分别为开口加筋板一阶固有振动的模态质量和模态刚度，M2、K2分别为设备板架一阶固有振动的模态质量和模态刚度。第二种方法：借助有限元商用软件的相关命令提取各单元基于位移归一化的一阶固有振动的动能ti(i＝1,2,…,n)，n为单元数量，以及结构的一阶固有角频率ω。对所有单元动能求和得到整体结构一阶固有振动的动能： T = Σ i = 1 n t i ]]>动能T可表示为： T = 1 2 ω 2 M ]]>其中，M为结构基于位移归一化的模态质量。则可得结构的模态质量为： M = 2 T ω 2 ]]>结构的模态刚度为：K＝ω2M利用上述方法分别提取开口加筋板和设备板架基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于弹簧‑质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法，其特征在于实现步骤如下：第一步：将整体结构分割成两个子结构，第一个子结构为含矩形开口的开口加筋板结构，第二个子结构为设备板架结构；第二步：根据实际安装情况确定开口加筋板的边界条件，用有限元方法对开口加筋板进行模态分析，分析设备板架和开口加筋板的连接段刚度，确定设备板架的边界条件，用有限元方法对设备板架进行模态分析；第三步：分别对开口加筋板和设备板架一阶固有振动的模态向量进行位移归一化，计算开口加筋板和设备板架一阶固有振动的模态刚度和模态质量；第四步：针对整体结构，建立两个自由度的弹簧‑质量块串子模型，并建立该模型的自由振动动力学方程；第五步：将开口加筋板和设备板架的模态参数代入弹簧‑质量块串子模型的动力学方程中，对方程进行求解，得到其一阶固有频率，作为原始结构的基频预报值。

【技术特征摘要】
1.一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振动基频预报方法，其特
征在于实现步骤如下：
第一步：将整体结构分割成两个子结构，第一个子结构为含矩形开口的开口加筋板结
构，第二个子结构为设备板架结构；
第二步：根据实际安装情况确定开口加筋板的边界条件，用有限元方法对开口加筋板
进行模态分析，分析设备板架和开口加筋板的连接段刚度，确定设备板架的边界条件，用有
限元方法对设备板架进行模态分析；
第三步：分别对开口加筋板和设备板架一阶固有振动的模态向量进行位移归一化，计
算开口加筋板和设备板架一阶固有振动的模态刚度和模态质量；
第四步：针对整体结构，建立两个自由度的弹簧-质量块串子模型，并建立该模型的自
由振动动力学方程；
第五步：将开口加筋板和设备板架的模态参数代入弹簧-质量块串子模型的动力学方
程中，对方程进行求解，得到其一阶固有频率，作为原始结构的基频预报值。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振
动基频预报方法，其特征在于：步骤一中对整体结构进行分割时，根据整体结构的结构形
式，在设备和开口加筋板的连接处，将整体结构分割成设备板架和含矩形开口的开口加筋
板两个子结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振
动基频预报方法，其特征在于：步骤二中单独对设备板架进行模态分析时，设备板架边界条
件的选取依据是设备板架和开口加筋板的连接方式，设备板架和开口加筋板的连接方式为
面板之间的螺栓连接，边界条件采用简支边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于弹簧-质量块串子模型的设备和开口加筋板耦合振
动基频预报方法，其特征在于：步骤三中计算设备板架和开口加筋板的模态质量和模态刚
度时，可以采用两种方法；
第一种方法：首先在模态分析的结果文件中分别提取开口加筋板和设备板架的质量矩
阵M1、M2、刚度矩阵K1、K2和一阶模态的模态向量φ1、φ2，将模态向量位移归一化，可表示为
开口加筋板和设备板架基于位移归一化的模态质量和模态刚度的表达式为：
M 1 = φ ^ 1 T M 1 φ ^ 1 , K 1 = φ ^ 1 T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志平，朱静静，王晓军，吕峥，王鹏博，王冲，陈贤佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11