摘 要

豪华邮轮作为一种出行与娱乐兼备的工具，在世界上的旅游产业中占据着越来越重要的地位。一般情况下，豪华邮轮都是在海上航行的。在此环境下，就免不了要受到风的作用。又因为风具有较强的脉动性，在作用到豪华邮轮的开敞区域结构上时，会使其发生振动，既影响了结构的安全性，又会降低游客的舒适度，使游客体验不佳。针对上述问题，本文以开敞区域细长体结构以及典型建筑迎风壁板为研究对象，综合运用有限元法、简谐波叠加法等对开敞区域细长体结构以及典型建筑迎风壁板的风致振动进行了分析，得到了结构的模态以及风致振动位移曲线，对豪华邮轮开敞区域的风振控制研究有一定的意义。本论文的主要内容如下：

（1）把风荷载按照脉动风载来进行计算。利用简谐波叠加法在 Matlab 中模拟出脉动风的风速时程曲线，然后在ABAQUS 软件中对开敞区域细长体结构模型进行模态分析，并提取前6阶的固有频率及其对应振型，结果显示，弯曲振动是细长体结构的主要振动形式，细长体结构振动过程的能量主要集中于低阶频率处，且细长体结构的直径越小越容易与风发生共振。最后，通过随机振动理论得到细长体结构在脉动风载下的振动响应，结果显示，细长体结构的水平最大位移发生在柱体顶端，风载的脉动特性会使细长体结构的变形和应力增大。

（2） 利用Matlab 中模拟出的脉动风的风速时程曲线，结合风振响应原理，在ABAQUS 软件中对开敞区域典型建筑迎风壁板结构模型进行模态分析，并提取前6阶的固有频率及其对应振型，结果显示，开口区域发生振动的概率最大，但开口区域的加强筋可以有效地减缓振动。最后，通过ABAQUS得到迎风壁板结构在脉动风载下的振动响应，结果显示，迎风壁板结构的最大位移发生在开口中间，前两阶振型是影响迎风壁板风振响应的主要因素。

关键词：邮轮开敞区域；有限元法；脉动风；模态分析；风致振动。

Abstract

Luxury cruise, as a tool for both travel and entertainment, plays an increasingly important role in the world's tourism industry. In general, luxury cruise ships are sailing on the sea. In this environment, it is inevitable to be affected by the wind. Because of the strong pulsation of the wind, when it acts on the open area structure of the luxury cruise ship, it will vibrate, which not only affects the safety of the structure, but also reduces the comfort of the tourists and makes the tourists experience poorly. In view of the above problems, this paper takes the open area slender structure and the typical building windward wall panel as the research object, comprehensively uses the finite element method and the simple harmonic superposition method to analyze the wind-induced vibration of the open area slender structure and the typical building windward wall panel, obtains the structural mode and the wind-induced vibration displacement curve, and studies the wind-induced vibration control of the open area of the luxury cruise ship The research has certain significance. The main contents of this paper are as follows:

(1) The wind load is calculated according to the fluctuating wind load. Using simple harmonic superposition method to simulate the wind speed time history curve of fluctuating wind in MATLAB, and then in ABAQUS The first six natural frequencies and their corresponding modes are extracted. The results show that the bending vibration is the main vibration form of the slender structure, and the energy of the vibration process of the slender structure is mainly concentrated in the lower frequency, and the smaller the diameter of the slender structure, the easier it is to resonate with the wind. Finally, the vibration response of the slender structure under the fluctuating wind load is obtained by the random vibration theory. The results show that the maximum horizontal displacement of the slender structure occurs at the top of the column, and the fluctuating characteristics of the wind load will increase the deformation and stress of the slender structure.

(2) Based on the time history curve of fluctuating wind speed simulated in MATLAB and the principle of wind-induced vibration response, the wind speed curve of the fluctuating wind is simulated in ABAQUS In the software, the modal analysis of the typical building windward panel structure model in the open area is carried out, and the first six natural frequencies and their corresponding modes are extracted. The results show that the probability of vibration in the open area is the largest, but the stiffener in the open area can effectively reduce the vibration. Finally, the vibration response of the windward panel structure under the fluctuating wind load is obtained by ABAQUS. The results show that the maximum displacement of the windward panel structure occurs in the middle of the opening, and the first two modes are the main factors affecting the wind-induced response of the windward panel.

Key Words:Open area of cruise ship; finite element method; fluctuating wind; modal analysis; wind-induced vibration.

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究目的和内容 4

第2章 理论分析及相关软件 5

2.1有限元理论分析 5

2.2脉动风的模拟 5

2.3风致振动理论分析 7

2.4 ABAQUS软件介绍 9

第3章 开敞区域细长体结构风振响应分析 10

3.1细长体结构有限元建模 10

3.1.1细长体结构简化说明 10

3.1.2单元选择及材料属性 11

3.1.3细长体结构的有限元模型 12

3.1.4边界条件 12

3.2细长体结构的动力特性分析 13

3.2.1动力学中的有限元法 13

3.2.2细长体结构模态分析 13

3.2.3模态分析的结果及讨论 15

3.3细长体结构的风致振动特性分析 16

3.3.1细长体结构荷载分析 16

3.3.2荷载的施加 17

3.3.3结果分析及讨论 18

第4章 开敞区域典型建筑迎风壁板风振响应分析 20

4.1典型建筑迎风壁板有限元建模 20

4.1.1典型建筑结构简化说明 20

4.1.2单元选择及材料属性 21

4.1.3迎风壁板结构有限元模型的建立 22

4.1.4边界条件的施加 22

4.2典型建筑迎风壁板结构的动力特性分析 22

4.2.1迎风壁板结构模态分析 22

4.2.2模态分析的结果 23

4.2.3影响因素的讨论 24

4.3迎风壁板结构的风致振动特性分析 26

4.3.1迎风壁板结构荷载分析 26

4.3.2荷载的施加 27

4.3.3结果分析及讨论 27

第5章 结论与展望 30

5.1结论 30

5.2展望 30

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

大型豪华邮轮在造船界被誉为“皇冠上最耀眼的明珠”，是船舶工业设计建造难度最高的船型之一，也是我国目前唯一没有进行设计建造的高技术船舶产品。在这个造船业飞速发展的时代，我们必须紧跟世界上先进国家的脚步，将我国的邮轮产业及配套设施发展起来，才能在这个海洋的黄金时代树立我国自己的品牌，才能展现国家的科技水平和制造实力，才能完成国家的海洋战略。尤其是近年来世界邮轮产业，特别是亚洲邮轮产业取得了快速的发展，全球邮轮船队规模与邮轮旅游人数持续增长。在这其中中国的发展势头最为迅猛。国内邮轮旅游人数持续增长，邮轮母港数量也在不断增加，2016年我国共接待邮轮1010艘次，同比增长61%，邮轮旅客出入境450万人次，同比增长84%，这无一不说明中国已经成为全球最大的邮轮客源市场之一。在邮轮建造领域，目前全球大型邮轮的年供给能力仅8～9艘，而过去5年的年均需求量约为14艘，2017年仅前三季度就已成交订单20艘，订单排到了2026年，这与其他运输船舶产能过剩形成了鲜明对照^[7]，意味着大型豪华邮轮有着广阔的市场前景和高额价值，也有着很大的发展空间与潜力。

在邮轮的各项指标中，乘坐舒适性是邮轮设计的首要选择。根据邮轮乘坐舒适性调查结果显示，振动噪声控制指标是超过温度、视觉、光学、人体工学设计等邮轮乘坐舒适性指标的首要指标。挪威船级社、英国劳氏船级社、法国船级社等主要船级社均对申请舒适性符号的客船振动噪声提出了严格要求。DNV GL规定客房1级噪声被限制在 44 dB(A)，较MSC.337(91)的55 dB(A) 更为严格；1级振动被限制在1.5 mm/s，较ISO 20283—5的3.5 mm/s更为严格。由此可见，振动与噪声控制是邮轮设计建造的关键技术之一^[8]。在这些研究领域中，大型豪华邮轮因其高度与所处环境，会经常遇到风，受到风荷载的作用引起动力响应。特别是在开敞区域，风荷载与建筑物的作用会更加剧烈，使振动更为明显，而风致振动会大幅度降低人们的舒适度。为了减缓这种影响，提高乘客的舒适度，大型豪华邮轮上层建筑中开敞区域的风致振动研究就显得尤为重要了。尤其是在邮轮产业正在急速发展的今天，解决豪华邮轮开敞区域的风致振动问题将更加有实际意义。

1.1.2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，能为乘客提供文化、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。