1．目的及意义

1.1 研究背景
能源是经济发展和人类生存的物质基础，据估计，到2040年底世界人口将增长25%，达到近90亿人。从2010年到2040年，全球能源需求预计将增长约35%，能源短缺问题会愈发严重。
目前，化石能源仍是全球能源需求的主要来源，占比约84%。以煤、石油和天然气为代表的化石能源预计将继续作为全球能源需求的主要来源，但化石能源属于不可再生资源，且煤、石油的大量使用加重了温室效应、严重破坏了人类的生存环境，因此，在未来的能源供应中，化石能源的所占的比例将持续降低，清洁能源的占比将会增加，如图1所示。

图1 能源利用随时间的变化
根据英国石油公司的统计得出的表1中的数据，中国在2006年消耗化石燃料总量达1491.1 Mtoe（百万吨油当量）。煤、石油和天然气所占的比例分别为73.2%、23.5%和3.3%。预计到下个世纪，我国的能源需求将翻倍，要坚持持续发展的道路，减少对环境的破坏就必须尽快改善能源供应结构。
表1 2006年中国化石燃料统计数据

	探明储量（Mt)	产量（Mt)	消耗量(Mt)
煤	114500	1212.3	1091.3
石油	2200	183.7	349.8
天然气	2450	52.7	50

为改善能源供应结构，我国正将目光投向海洋，致力于升级海洋经济、探索能源问题解决之道。2015年12月31日，国家发改委复函同意ACPR50S海洋核动力平台纳入能源科技创新“十三五”规划。ACPR50S是中广核自主研发的海上小型核反应堆技术，可为海上钻井生产平台、海岛开发等领域的供电、供暖和海水淡化提供电力。目前，中船重工第七一九研究所已经完成了海上核动力平台的两种设计方案：浮动式核电站和可潜式核电站。浮动式核电站将核电站布置于浮动式平台上，如图2；可潜式核电站除满足浮动式核电站性能要求外，还可满足在恶劣海况条件下载体平台下潜至水下工作的需求。

图2 浮动式核电站示意图
按照中船重工的施工时间表，2018年海洋核动力平台示范工程将调试运行完毕，2019年将进入海上试运行和验收移交阶段。中船重工科技部相关负责人表示，海上核动力平台是解决我国远海能源供给的唯一途径。为供应渤海油田所需的能源，集团将投资400亿批量建设近20座海洋核动力平台，仅就海上石油钻采方面的需求而言，未来的市场规模就逾千亿元。
由于海上浮式核电站和陆上核电站的载体不同，所以浮式核电站需要关注复杂的海洋风、浪、流环境条件、船舶碰撞等载荷下核电平台的安全性。这也使得浮式核电站平台载体的设计难度、安全性要求远高于常规海洋结构物。
载体平台主要考虑以下几个问题：
（1）载体平台总体运动及性能
（2）载体平台强度及安全性
（3）载体平台系泊安全
本文主要基于有限元分析方法研究海上浮式核电站载体平台强度及安全性中的振动特性问题，对载体平台的总体固有频率进行计算和分析，以判断其总振动的固有频率是否接近主机的二阶不平衡力矩的频率，即主机的二阶不平衡力矩是否会激起海上发电平台的共振，避免载体平台振动对核动力装置、精密设备仪器、蒸汽轮机及工作人员的不良影响。
1.2 国内外研究现况
船舶总体振动的固有频率的详细方法主要有三种：能量法、迁移矩阵法和有限元分析法。在早期计算手段受到限制的情况下，设计者通常采用能量法和迁移矩阵法计算船体振动的固有频率。随着计算机技术的迅速发展，计算机的计算能力大幅提高，各种大型有限元计算软件如MSC.Patran/Nastran和Ansys在国内外被广泛应用于船舶振动研究领域。
计算船舶结构的振动响应, 必须首先确定力学模型。用于船舶振动计算的力学模型主要有一维梁模型、二维平面模型、三维立体模型和混合模型。
一维梁模型是将船舶简化成一根变截面船体梁，这种简化方式常用于早期设计，其优点是计算方便，计算低阶振动时结果较准确，但计算高阶振动时就有很大的局限性，甚至会得到错误的结果。一维梁模型主要采用剪切滞后影响系数法和弯曲刚度缩减系数图谱法来减小剪切滞后对船体振动计算结果精度的影响。黎胜、赵德有等基于Timoshenko梁理论和 Benscoter理论，建立了考虑翘曲和剪切变形影响的船体薄壁梁有限元模型，该模型可以描述船体薄壁梁的纯弯和非均匀扭转状态，适用于不同形状的船体横截面。王慧彩、赵德有采用考虑剪切滞后影响的一维梁模型计算出船体总振动的固有频率和振型。
二维平面模型的是将船体看成一个平面，将船底板和各层甲板等横向构件简化成梁，舷侧外板和纵桁等纵向构件简化成板。这种简化的缺点是不能考虑船体垂向振动和横向振动之间的耦合。汤红霞建立了二维有限元梁—膜模型，并用二维边界元法得到附连水的质量，计算出船舶的垂向振动的固有频率，有效地提高了高阶频率的精确度。
三维立体模型是用壳单元和梁单元构成的组合有限元模型来模拟船舶，可以计算船体垂向、纵向、水平及扭转振动，同时还能反映高阶模态下总体振动和局部振动的耦合影响。随着计算机计算能力的迅速提高，使用有限元软件对全船进行模态分析已成为国内外船舶振动研究领域的研究趋势。殷玉梅、赵德有研究了船舶上层建筑有限元建模方法，讨论了8种不同模型、边界及装载情况对固有频率的影响，并通过对6条实船的计算，得到了上层建筑建模的推荐方法。张新伟、吴小康等利用有限元法对 40 万吨矿砂船进行了全船和局部振动性能预报，在关键区域细化网格，并通过流固耦合的方法添加附连水质量，提高了计算精度。Francois Besnier、Ludovic Jian 等对客船进行了全船总振动计算，得到在螺旋桨激励作用下监测点的速度响应；并以集装箱船为对象，在考虑螺旋桨激励和主机不平衡力的情况下，计算了集装箱船在满载和压载两种工况时的振动特性，将计算结果与实验数据对比，误差在允许范围内。Kyong-Hwan Kim、Je-Sung Bang等采用分区的方法分析流固耦合问题，得到了简单分节船的固有频率及其运动响应的数值结果，并与试验结果进行了比较，验证了该方法的正确性；研究成果延伸应用到6500 TEU和10000 TEU集装箱实船，验证了该方法的实用性。Adil Yucel、Alaeddin Arpaci采用三维实体建模软件进行局部和全船振动分析，建立了代表整船的三维有限元模型，在干模态和湿模态两种情况下进行了振动分析，确定了全船固有频率和振型，此外，在螺旋桨激励力作用下的振动分析确定了船舶局部结构响应。
混合模型将一维梁模型和三维立体模型结合起来，避免了一维梁模型高阶振动计算结果不够准确和三维立体模型计算量过大的缺点。对于需要研究的关键结构，进行的三维有限元模拟，其余部分采用一维梁模型。朱胜昌、郭列等建立了自卸船的混合有限元模型，艉部是三维立体模型，前部是一维船体梁模型，分别采用迁移矩阵法和有限元法分析了该船的振动性能。夏利娟、吴卫国等建立了不同的混合模型，并将各模型的计算结果与全船三维有限元模型的计算结果进行对比，提出了能准确实现艉部立体模型和船体梁模型之间的集成的方法。杨传武、陈志坚将混合有限元模型应用于船体总振动与局部振动分析中，模拟结果表明，混合模型总振动频率的计算结果略小于迁移矩阵法结果，而局部振动频率的计算结果与孤立模型结果的差异较大。
综上所述，利用船舶的三维有限元模型进行总体和局部振动分析，可以更为全面、精确地评估船舶的振动情况。随着计算机计算能力的飞速提高和有限元方法前后处理软件界面逐渐完善，三维立体有限元模型将会被广泛应用于船舶振动研究领域。研究的局部结构主要集中在船尾，研究的载重工况主要有满载出港和压载到港，研究的激励主要来自螺旋桨和主机。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究的基本内容
（1）简要介绍论文的研究对象及背景，并对目前国内外船舶振动特性研究的现状进行概括；
（2）介绍船舶振动的相关理论知识，包括质量分布、附连水质量计算与阻尼系数选取的方法以及主要激励的来源；
（3）采用国际通用的有限元前处理软件 MSC Patran 建立海上浮式核电平台的三维有限元模型；
（4）采用国际通用的有限元分析软件 MSC Nastran 计算最重装载和最轻装载两种装载工况下海上浮式核电平台总体振动的固有频率和振型；
（5）采用国际通用的有限元分析软件 MSC Nastran 计算海上浮式核电平台在受到主机的二阶不平衡力矩激励下的强迫响应。

2.2 研究目标
（1）确定海上浮式核电平台总振动的固有频率，并判断其是否接近主机的二阶不平衡力矩的频率，即主机的二阶不平衡力矩是否会激起海上浮式核电平台的共振；
（2）确定在主机二阶不平衡力矩作用下，海上浮式核电平台的强迫响应的最大加速度（速度）值是否满足 I SO 6954:1984《商船振动综合评价基准》的标准要求。

2.3 拟采用的技术方案和措施
（1）质量分布
船舶的质量包括船舶的空船质量与货物的质量。

空船质量包括船体、机电设备、舾装等质量。

有限元软件自动计算的各单元质量矩阵仅包括船体质量。

大型设备的质量以集中质量的形式添加在该设备所在位置的有限元节点上；小型设备的质量、舾装质量以及其他供应物品等的质量则根据全船的质量分布资料，以集中质量的形式，正确地分配到船体有限元模型沿船长方向的相应位置；货物的质量以质量单元的形式分布于货物所在货舱底板的各个节点上。

（2）附连水质量计算
附连水质量是船舶振动分析中不能忽视的因素。

通常采用基于 Lewis 经验公式或基于流固耦合分析的源汇分布的方法进行计算。

本文采用工程上普遍使用的Lewis经验公式计算附连水质量，并将附连水的质量以质量单元的形式施加在船体外壳湿表面处。

（3）阻尼系数选取
船舶振动的阻尼相对来说是很小的，在计算船舶振动的固有频率时通常略去阻尼。

但在计算船舶的强迫振动响应时，必须计及阻尼的影响，因为共振时的振幅取决于阻尼和激振的大小。

船舶振动的阻尼包括船体结构阻尼、货物阻尼和舷外水阻尼等，其中舷外水阻尼影响最小。

目前，阻尼值还不能通过数值模拟得到，一般采用经验的临界阻尼值。

因为海上浮式核电平台是新船型，本文选取了ABS 推荐的偏于安全的临界阻尼值 1.5%。

（4）有限元分析方法FEM
有限元法分为三个阶段：离散化处理；单元特性计算；组合结构分析。

使用 MSC.Patran/Nastran建立有限元模型并分析的一般流程如图3。

图3 MSC.Patran/Nastran分析流程图3. 参考文献
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1．目的及意义

1.1 研究背景
能源是经济发展和人类生存的物质基础，据估计，到2040年底世界人口将增长25%，达到近90亿人。从2010年到2040年，全球能源需求预计将增长约35%，能源短缺问题会愈发严重。
目前，化石能源仍是全球能源需求的主要来源，占比约84%。以煤、石油和天然气为代表的化石能源预计将继续作为全球能源需求的主要来源，但化石能源属于不可再生资源，且煤、石油的大量使用加重了温室效应、严重破坏了人类的生存环境，因此，在未来的能源供应中，化石能源的所占的比例将持续降低，清洁能源的占比将会增加，如图1所示。

图1 能源利用随时间的变化
根据英国石油公司的统计得出的表1中的数据，中国在2006年消耗化石燃料总量达1491.1 Mtoe（百万吨油当量）。煤、石油和天然气所占的比例分别为73.2%、23.5%和3.3%。预计到下个世纪，我国的能源需求将翻倍，要坚持持续发展的道路，减少对环境的破坏就必须尽快改善能源供应结构。
表1 2006年中国化石燃料统计数据