船舶结构振动特性研究

曲奎

摘要：船舶振动过大不仅会损坏船舶结构，还会影响船舶设备的正常使用。基于此，本文对船舶结构振动特性进行了详细论述。

关键词：船舶；结构振动；有限元法

船舶结构振动特性分析是船舶振动研究的重要组成部分，船舶结构振动预报是船舶设计和制造过程中一个非常重要的研究课题。振动响应过大往往会导致船员与乘客身体不适，造成身体疲劳甚至损害健康，影响其正常生活和工作。因此，有必要对船舶结构的振动特性进行研究。

一、船舶振动的主要原因       

1、船体设计存在问题。在设计过程中，由于船体设计人员的疏忽，导致船舶尺寸、主机选择、螺旋桨间隙、船尾线性、尺寸、布置及结构等存在一定问题，如设备与船体共振等，导致船舶航行过程中出现严重的振动问题。

2、主机引发船体振动。主机引发振动主要为运动部件的惯性力产生的不平衡力矩，以及主机内压力产生侧向或垂直的倾覆力矩，如主机运行过程中产生的往复惯性力及离心惯性力等，都会加剧船体的振动影响。

3、螺旋桨引发船体振动。螺旋桨也是引发船舶振动的主要因素，螺旋桨在工作过程中，会产生两种激振力，其中包括轴频激振力：螺旋桨运转时产生的机械激振力，与桨轴转数持平；叶频激振力：螺旋桨在海浪等不均匀流畅中运转产生的高频激振力，此外，因船舶在浅水中航行，会遇到流沙、卵石、水草等影响，造成桨叶折断、卷边等情况出现，也会加剧船舶结构振动。

二、船舶振动性能预报计算

1、船舶自由振动计算。当弹性结构置于流体介质中时，流体与结构间通过界面存在相互作用。用有限元法计算结构的振动与声耦合问题时，需对结构与流体进行有限元网格离散，建立有限元方程进行分析。

2、船舶强迫振动计算。因系统运动微分方程的自由度大，方程间相互耦合，求解较困难。因此，必须将运动微分方程解耦，并转化为n个独立的微分方程，以解得系统各点在时域中的振动响应。

3、计算的第一步是消除局部模态。计算中遇到的第一个困难是存在大量的局部模态：即船体的一部分振动，而其它部分不振动或基本不振动。局部模态产生的主要原因是，船体某一区域的刚度较小。若该区域的甲板分离，则第一阶振动频率小于船体的第一振动频率。又由于建模时的一些简化，局部模态的可能性会增加。因此，如何得到正确的全船振动模态是计算的关键问题。在实际计算中，采用矩阵缩减法，而常用的矩阵缩减法是将矩阵缩减到质量大的坐标上。

三、船舶总体振动数值计算

1、船舶有限元模型。本文采用壳、梁和3D等单元建立的有限元模型，即使在一定程度上进行了简化，也比简化的梁模型要优越得多。一个好的有限元模型不仅要求形状与实际结构相似，而且要求所有的几何和物理参数都正确。本文共有四层甲板进行结构振动分析，机舱动力设备主要包括4台主柴油机(单层隔振器)、四台柴油发电机(双层隔振器)、两台双机并车齿轮箱等。甲板与船体不同部位的厚度不一样。甲板和船体由许多肋骨以增加刚度与强度。因此，用壳单元模拟甲板和船体，用梁单元模拟肋骨、桁架等，用弹簧阻尼单元模拟隔振器，用3D单元模拟舰船动力设备。

2、船舶振动模态分析。利用本文建立的与实船较为接近的三维有限元模型(包括机舱动力设备)，利用大型通用有限元软件ANSYS对船舶进行模态分析。在实际计算中，采用局部模态消除法以便大量消除局部模态，得到整体弯曲、扭转模态。数值计算得到船舶在不考虑机舱动力设备和机舱内动力设备后的前几阶总体固有频率列于表l中，为了将三维有限元模型的模态分析结果与常用的船舶尾部结构的三维有限元和梁组合模型的结果进行比较。本文采用相同的计算方法及船尾结构的三维有限元与梁组合模型，进行了船舶模态分析。由其结果可知，两种有限元模型计算的船体结构振动固有频率符合较好，说明两种有限元模型的模态分析结果可靠。

表1 前几阶船舶振动总体变形模态

四、船舶结构振动位移响应计算

螺旋桨激振力、主机激振力及辅机激振力是谐调变化的，其激振力的响应值可用模态叠加法求出。

1、激振力。在用有限元法计算船舶结构振动时，准确地施加激励力是计算结果正确与否的关键问题之一，因此，有必要尽可能准确地施加各种激励力。引起船舶整体与局部结构振动的主要激振力有：螺旋桨工作引起的螺旋桨叶频率激振力(螺旋桨转速×叶片数)；主、辅柴油机产生的缸频激振力(柴油机转速×气缸数)和齿轮箱与空压机的激振力。柴油机激励力最准确有效的方法是通过柴油机生产厂家的台架试验获得。柴油机的激励力通常是简谐激励力，随柴油机旋转角速度变化而变化。

2、船舶结构的振动位移响应。利用本文建立的全船结构三维有限元模型(包括机舱动力设备)和船舶尾部结构的三维有限元模型及梁组台的模型，可计算船舶在螺旋桨、主辅柴油机和齿轮箱的简谐激励力作用下，船舶结构振动位移、速度、应力及应变响应。如图1(a)～(b)所示，采用全船结构的三维有限元模型，计算船舶左舷顶层甲板外表面结点在三个方向上的位移响应。结点221为顶层甲板，为外表面艏部端点，结点79为左舷顶层甲板外表面船艉部端点。如图1(c)～(d)所示，采用全船结构的三维有限元模型计算船舶纵舯剖面龙骨外表面结点三个方向的位移响应。结点900龙骨的外表在船艏部端点，结点222是龙骨的外表在船艉部端点。如图1(e)所示，采用船尾结构的三维有限元和梁组合模型，计算寿舷顶层甲板外表面卜船艉部端点三个方向的位移响应(结点79)。如图1(f)所示，采用船尾结构三维有限元模型和梁组合模型计算纵舯剖面龙骨外表面船艉部端点三个方向的位移响廊(结点222)。图中未标注，则为采用全船结构三维有限元模型的计算结果。通过比较两种有限元模型的数值结果，可得出以下结论：

图1(a) 图1(b)

图1(c) 图1(d)

图1(e) 图1(f)

1)由图1(a)～(f)可知，船舶结构在Y向上的振动位移响应远大于其它两个方向上的振动位移响应，说明船舶结构的振动是铅垂面内的主要振动。因此，在考虑船舶减振降噪方案时，主要考虑如何降低船舶结构在Y向的振动。

2)从表1可知，通过对两个有限元模型的模态分析，各阶固有频率符合良好。但船舶上各点的振动位移响应误差较大。图1(b)、(e)表示在两种有限元模型下，舷顶层甲板外表面上船艉部端点的振动位移响应。图1(d)、(f)表示在两个有限元模型下，船尾端在龙骨外表面上的振动位移响应。比较图中可知，最大位移响应几乎相差一倍。其误差原因主要为：一方面，在组合梁模型中施加的激励力存在误差。由于船舶机舱处于中部，机舱简化为梁模型，所以等效激振力只能施加在梁上。对本文所建立的船舶结构三维有限元模型，由于每个激振力都可在其原始位置施加，因此可施加更精确的激振力。另一方面，由于船舶各甲板和船体不同部位的厚度、不同位置梁的面积和惯性矩等不同，因此实际船舶各横截面的刚度也不同。但组合梁模型不能反映这种变化，而整个船体结构的三维有限元模型则可以。

3)在建立全船结构三维有限元模型的情况下，可得到船舶上任意点的振动位移响应。而对采用三维有限元与梁组合的船尾结构模型，仅能得到采用三维有限元模型的船尾结构各点的振动位移响应，而无法得知其它部位各点的振动位移响应。因此，在这种情况下，不可能比较两种模型船艏部结点的结构振动位移响应。由于组合梁模型中有9845个有限元，三维有限元模型中有64187个有限元，因此组合梁模型的求解计算时间比三维有限元模型求解计算时间约少15分钟。

参考文献：

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