邮轮开敞区域典型结构风致振动特性分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的

以某大型邮轮为研究对象，通过对大型邮轮上层建筑中的开敞区域风致振动特性的相关文献的查找和阅读，全面细致地消化大型邮轮图纸及相关设计规范标准，然后针对开敞区域典型的结构建立有效的计算模型，确定邮轮开敞区域风致振动预报流程，计算分析典型开敞区域的风致振动特性，最后给出邮轮上层建筑开敞区域结构优化设计的建议。

1.2研究意义

随着现代社会的进步与经济的急速发展，邮轮已经从一个奢侈品演变为普通群众所能消费起的“海上度假村”。现在邮轮已经成为以旅游为目的的高端客船，为乘客提供文化、体育、餐饮、购物、住宿、观光等各种各样的旅游休闲服务，为满足乘客的各种需求，达到乘客心目中所想的高端场所、高端服务，使其舒适感达到最佳，就要尽量避免振动，使振动最小化。

相比较于一般的客船而言，为了给乘客甲板观光和室内居住观赏等提供足够的娱乐项目，邮轮的上层建筑就要修建丰富多彩的休闲娱乐设施，例如大型演艺中心、大型餐厅、特色餐馆、各色酒吧、咖啡馆、购物广场、艺术走廊、儿童中心、SPA、水上乐园等，其中不乏分布在开敞区域的设施，譬如咖啡馆、艺术走廊、水上乐园等。这些开敞区域由于其位置和高度将受到风荷载作用：当风以一定速度吹向建筑物时，建筑物将对其产生阻塞和扰动作用，从而改变该建筑物周围风的流动特性；反过来，风的这种流动特性改变引起的空气动力效应将对结构产生作用，引起高层建筑、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，产生动力荷载，甚至引起破坏，例如：隔墙开裂，甚至主体结构破坏；疲劳、失稳破坏；装饰物和玻璃幕墙破坏；摆动使居住者感到不适不安等。而为了使乘客的休闲体验不下降，就要使邮轮开敞区域在顺风向振动、横风向振动和扭转振动时控制在不使乘客产生不适感的容许限度内。为了达到这个目的，就必须对开敞区域的风致振动特性进行分析，以寻求方法避免振动，让邮轮的宜居性和舒适性达到最佳。只有这样才能使邮轮自身的竞争力大幅度上升，获得更多的客流量和好评。由于邮轮是一种人性化的高端豪华设施，因此对其开敞区域的风致振动避免是邮轮设计的重点以及难点，也是我国研究豪华邮轮建造技术中亟待解决的问题之一。

1.3国内外研究现状

邮轮作为一种高端豪华设备，是目前我国唯一没有攻克的高技术船舶产品，所以在邮轮的研究方面不免有些欠缺。目前国内对大型邮轮研究大部分仍停留在趋势分析与近况发展上，而国外邮轮研究起步早，在各个方面已经有了成熟的体系，但是对我国还存在着技术封锁，所以有关邮轮开敞区域风致振动特性的资料并不多。但是对邮轮上层建筑风致振动的研究仍然可以参考有关上层建筑的研究方法。

邮轮上层建筑开敞区域在风荷载作用下的动力响应（即风致振动）是一种流体力和结构体之间作用的结果。上层建筑裸露在风中会阻拦风，风受到上层建筑的阻拦而反过来使上层建筑受到力的作用，这就形成了风载，本质是流体和固体之间碰撞的结果。当不断变化的风沿着上层建筑表面前进时，上层建筑周围的大气压力就会随着风流的变化而不断变化。为了研究上的便利，通过判断风流随时间是否不断变化，将风分为平均风和脉动风两种形式，根据空间结构的特点，将风荷载与风致响应的分类列表，如表1所示【7】。

表1风荷载与风致响应的分类

从表1可以看出，涡振、驰振以及脉动风下的强迫振动是大跨度空间结构风荷载作用下响应的重要表现形式。

目前船舶的振动预报方法主要有有限元法（FEM）、边界元法和混合法等，其中有限元法运用最为广泛【8】。例如李华志等【9】利用有限元分析法进行船舶上层建筑振动性能研究，先是选定船舶参数，利用 ANSYS 软件进行上层建筑结构有限元建模，然后对该模型进行求解，计算船舶上层建筑振动频率，实现振动性能研究，得出了有限元分析法精度更高，结果更接近真实值的结论。殷玉梅等【10】对船舶上层建筑整体振动有限元建模方法进行研究，并讨论了不同计算模型、边界条件、附加水质量以及装载情况对上层建筑整体振动固有频率的影响。张润华【11】对某集装箱船上层建筑出现的振动问题进行模态分析，找出了引起其振动的主要激励源，提出了几种增强上层建筑刚度的振动控制方案，同时，采用避开激励频率的方法给出了上层建筑振动控制的优化方案。顾永宁等【12】利用有限元技术对船体总振动、上层建筑整体和各层甲板局部自由振动频率及上层建筑振动响应进行了预报，介绍了用于振动计算的尾部上层建筑模型，研究了上层建筑和船体之间的祸合影响，并根据具体算例对各种模型化方法的效果进行了评价。邹春平等【13】在考虑流固耦合的状态下，用有限元技术对船舶进行模态分析，在模态分析过程中，采用了矩阵缩减的方法来消除局部模态，以便获得整体弯曲和扭转振动模态，将建立的接近于真实船舶的有限元模型和尾部结构的三维有限元和梁组合模型的数值计算结果进行比较，得到一些重要结论。Lech Murawski等【14】利用Patran-Nastran软件对2000标准箱集装箱船进行局部和整体振动分析，建立了包括甲板室和机械推进系统在内的全船体的三维有限元模型，通过对船舶整体自由振动的分析，确定了船舶的整体固有频率和振型，并根据船体的共振图，结合主机和螺旋桨的频率，确定了频率较高的共振区域，最后由有限元法在船舶振动分析中的应用得出，与其它传统方法相比，数值模拟方法是最优的，这将有助于在有限元法的支持下解决其它技术问题。

另外，也有人别出心裁，例如张福生【16】对船舶运行期间的噪声源、振动源进行了概述，并通过模拟试验分析了船舶的噪声与振动问题，并给出了噪声和振动控制流程。史杰远等【17】为了评价船舶振动舒适度，提出了基于烦恼率模型的评价方法：利用一般的振动舒适度指标——振动加速度，考虑船舶不同区域乘客和船员的振动舒适度感受，以及不同的人对同一振动的舒适度感受差异性，采用集值统计法得到了烦恼率算法（实船测试和问卷调查验证了该模型的可行性和有效性）。

随着计算机运算能力的不断提高，利用有限元法进行船舶振动预报也将越来越广泛。邮轮上层建筑开敞区域的风致振动研究也可采用有限元法进行建模分析，继而计算出邮轮开敞区域的风致振动结果，对于邮轮上层建筑开敞区域的结构优化设计也需进一步研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容

本课题主要的研究内容：

（1）通过查阅中外相关资料和书籍，全面细致地消化大型邮轮图纸及相关设计规范标准，了解有关振动分析及风致振动减振的方法。

（2）针对邮轮开敞区域典型结构建立有效的计算模型，确定邮轮开敞区域风致振动预报流程，计算分析典型开敞区域的风致振动特性。

3. 研究计划与安排

第1－2周：查阅相关文献资料，明确论文工作内容，了解邮轮上层建筑结构设计特点和结构风致振动计算方法，完成开题报告。

第3周：翻译英文论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]船舶设计实用手册（结构分册）. 国防工业出版社

[2]中国船级社，《邮轮规范》（2017）