直升机平台快速建模及振动分析

文/交通运输部上海打捞局 李艮田

1 建模和分析步骤

1.1 处理CAD图纸

对于直升机平台甲板而言，模型中会采用面单元模拟，其所附的球扁钢，T型材采用梁单元模拟，建模时只需删除CAD尺寸标注，以及可能会干扰建模的线条，整理完成后的模型如下所示：

直升机平台CAD线条

采用自编程序和 CAD连接，并计算每根线条与其他线条的交点，生成各个小线段，并写成ANSYS可以读取的文本文件，并保留线条的颜色和图层信息。不同 CAD图层在 ANSYS中处理成不同的分组，当线条赋予球扁钢，T型材或工字梁等属性时，通过分组选取，分组赋予属性会大大加快建模速度。通常设计院会采用颜色对应来区分大构建与小构件，如威力号MARIC在设计时，采用红色，绿色表示强构件，而其他颜色表示小构件。对应的有限元线条模型如下：

直升机平台甲板板模型-线条

上述图形是各个小线段组成的，所以线条相交的地方都有两个关键点，通常要在 ANSYS中融合重合的关键点，这样保证所有的线条是联系在一起的。自编程序同时提供通过自动生成面积的程序。程序处理完后的情况如下：

白色的部分表示此处线条未能生成面，程序在处理时，若不能由 3条或者 4条线组成一个面，则放弃自动生成面，一方面船舶的面基本都是格子线组成，绝大部分的面可以描述成 3条或者 4条线段组成。如本例，95%左右的面积都可以自动生成出来；剩余的面可以在ANSYS中很快的点击鼠标建立。

直升机平台甲板板模型-面

1.2 线条、面赋予材料属性

线条赋予材料属性很难通过程序处理自动赋值。因为 CAD的线条中无法提供计算机可以理解的线条属性。因此只能通过线条分组，手动赋予属性。对于本例，直升机平台的球扁钢，T型材等全部用 Beam188梁单元模拟，支柱为管系，采用 Pipe单元模拟，并在剖分后，通过显示单元实际形状，非常方便的检查是否将材料属性赋值错误。由于采用了和原CAD图纸一样的颜色和分组，所以实际操作时也非常方便。

1.3 单元剖分

属性赋值时，可以边剖分，边建立线条分组，以保证下一次改变单元属性和单元格大小时，不需要手动选择线条并重新赋予属性操作。直升机平台甲板采用壳单元，横梁全部采用梁单元，赋予截面形状，剖分完成后的情况如下，至此，直升机平台甲板部分建模完成。

直升机平台甲板有限元模型—单元显示实际形状

1.4 三维拼装

直升机平台的支撑架结构可全部模拟为梁系，CAD模型中只需给出相应的线条，部分三维线条需要在有限元模型中修改，直升机平台的支撑结构相对较少，不论导入CAD线条还是直接在有限元模型中修改都相对比较容易。有限元模型数据统计如下表，完成的模型图如下：

类型号 类型名称 单元数量 单元总重量（KG）1 SHELL63 45135 44622.1 2 BEAM188 9266 44353.9 3 Pipe16 3171 50044.7

直升机平台模型图（去除直升机平台板）

1.5 模态分析

赋予材料属性，边界条件为桩腿处刚性固定，分析前 7阶模态和频率，计算结果如下表。

阶数 频率 振动描述1 2.08 横向摆动（第1阶）2 2.63 平台扭振（第1阶）3 3.12 纵向摆动（第1阶）4 9.39 平台甲板纵向上下振动（第1阶）5 14.06 平台甲板横向上下摆动（第1阶）6 14.11 平台甲板纵向上下振动（第2阶）7 15.15 平台扭振（第2阶）

2 直升机平台振动原因

直升机平台分析结果显示，直升机平台的第一阶横向振动固有频率 =2.08赫兹，第一阶扭转振动频率 =2.63赫兹，第一阶纵向振动固有频率 =3.12赫兹。直升机平台的几个主要自由度的第一阶固有频率均很低，较低频率的波浪会覆盖此范围，容易被波浪激励引起共振现象。另外，船舶整体的频率一般也在此范围之类，需要做进一步分析。要减少直升机平台的振动，较好的办法是提高直升机平台的固有频率。增加相当数目的支座可以较明显增加直升机平台的频率，但是工程量浩大；若在直升机支撑中间设置与 A甲板相连的拉杆，可以较明显的提高纵向和扭转固有频率，但是横向固有频率却很难有明显改善。具体改善措施需要结合实际发生振动的现场情和设计院参照分析结果，提出合理的修改方案。

[1]乔国瑞 《直升机平台结构图》，708研究所，2010

[2]周健 《总布置图》，708研究所，2010