船体结构总体振动特性预测技术研究

丁许生

摘要：目前，船体结构总体振动特性预测技术已经开始得到广泛的关注和研究，各种研究方法和技术手段不断涌现。常用的研究方法包括数值计算、模型试验和实船试验等等，常用的技术手段包括有限元分析、流体-结构相互作用分析等。然而，目前仍存在一定的缺陷和局限性，例如精度不够高、计算复杂和试验成本比较高高等问题，亟需进一步的研究和探索。

关键词：船体结构，总体振动，特性预测技术，探讨

1研究意义

船体结构总体振动特性预测技术，是指对船舶结构振动问题进行全面分析和预测的一种技术，其研究意义主要表现在以下几个方面：

（1）保障船舶航行的安全

　　船舶在航行过程中，会受到多种外部力的作用和扰动，比如浪涌、风压、液压和货物摆动等，这些外部力会引起船体结构的振动，引发船体结构的变形，如过度振动和应力集中等问题，可能导致航行事故或船体遭到破坏。通过对船体结构振动的预测和分析，可以及早发现这些潜在的问题，采取相应的措施消除隐患，提高航行安全水平。

（2）提高港口效率和货运能力

　　船只的停靠和卸货等操作，都需要在各种特定的条件下进行，船体振动和变形可能对货物装卸操作和港口设施造成一定的影响，从而影响港口的装卸效率和货运能力。通过预测船体结构振动特性，可以有效地减小船体振动，提高船舶和港口的操作效率和经济效益。

（3）减轻燃油消耗和碳排放

船舶在航行中存在动力损耗和能源浪费，其中船体结构的振动和变形也会消耗燃油和能源，同时增加碳排放和环境压力。通过预测船体结构的总体振动特性，可以优化船舶设计和航行策略，减少能源的消耗和环境污染。

因此，本论文的研究目的主要是——针对目前船体结构总体振动特性预测技术研究的现状和挑战，通过综合分析和比较各种方法和手段，提出一种有效的船体结构总体振动特性预测技术，为提高船舶航行安全和经济效益提供一定的技术支持。

2船体结构总体振动特性分析

　  业内人士都知道，船体结构总体振动特性，通常被描述为一系列振动模态，包括自由振动和强迫振动等各种基本的形式。理论和分析方法主要基于振动模型和振动方程，通常包括以下几个方面：

2.1振动模型

　　船体结构振动的模型通常是基于连续介质力学理论，将船体结构抽象为一堆质点、杆件以及板片等简化部件。其基本原理是认为各部件之间连续性是被保持的，振动行为可以用波动方程进行描述。通常振动模型可以分为一维、二维和三维模型，其中一维模型适用于轴向或者纵向振动，二维模型适用于横向和纵向振动，三维模型则可以分析船舶结构的全体振动特性。

2. 2振动方程

　　船体结构振动方程，是对船舶结构在振动过程中受力平衡的描述，通常采用牛顿第二定律进行建立。即是在给定外部作用力的条件之下，船体结构体系受到的惯性力和弹性力之和等于零，可表示为以下的振动方程：

　　 m*d2u/dt2 + c*du/dt + ku = F

　　其中，m代表了结构的质量，c是结构的阻尼系数，k是结构的弹性系数，u是结构的位移，F是外部的振动激励力。

2.3振动模态分析

　　振动模态分析是对船体结构振动模式和特性的描述，通常使用有限元方法进行实现。通过对结构模型的离散化和对应的质量、阻尼和弹性参数进行计算分析，可以得到相应的振动模态。振动模态包括自由振动模态和强迫振动模态，前者是结构在自由状态下振动的模式，对应振动本征值和本征向量，后者是在受到外部激励力作用时的振动模式，对应的是结构的响应。

另外，船体结构振动的分析还涉及到诸如频率响应、波浪作用、远场快速声辐射等更加深入的领域，需要使用更加复杂的模型和方法进行分析。综上所述，对船体结构总体振动特性的理论和分析方法需要兼顾抽象和准确性，以满足对船体结构振动特性的全面理解和分析需求。

3水动力力学分析

　  水动力力学分析是船体结构总体振动特性预测技术的核心部分，主要是对船体在水中的运动、波浪作用和海水流动等因素进行分析和预测，以探究船体振动产生的影响。其理论和方法主要包括以下几个方面：

3.1流体力学基本原理

　　流体力学作为水动力力学分析的基础理论，其主要涉及到液体的运动规律和流动特性。流体力学的基本原理也涉及到动量守恒定律、连续性方程和能量守恒定律等基本原理。以上所述的这些理论为水动力力学分析提供了较为可靠的理论基础。

3.2船体运动方程

　　船体运动方程，主要描述船体在流体中的运动规律，其是水动力力学分析的关键部分。船体运动方程主要包括纵向、横向和垂向三个方向的运动方程，分别表示了船体在不同方向上的加速度和受力平衡关系。在分析船体结构振动特性时，需要将运动方程与振动方程进行耦合求解。

3.3 波浪作用分析

　　波浪作用是船体结构振动的一个重要因素，其主要包括波浪对船体形状的影响和波面对船体的冲击作用。波浪作用分析通常采用数值计算方法进行求解，比如边界元法和有限元法。基于以上这些方法，可以得到波浪对船体的力学响应和振动响应，进而准确预测船体的振动特性。

3.4海水流动分析

　　海水流动是船体在海洋中运动的重要因素，其主要涉及到船体和附近水域的相互作用和流动特性。流体-结构相互作用分析是处理海水流动问题的主要方法之一，通过建立流体和结构的相互作用模型，采用数值计算方法求解模型，从而得到船体振动响应。

4数值计算方法及振动预测模型

数值计算方法是船体结构总体振动特性预测技术中的核心部分，主要涉及到对复杂结构的数值计算和分析。其中，有限元法和边界元法常被用于对船体结构进行静力和动力的计算分析和振动预测，而灰色模型和神经网络等方法则更多地用于对船体结构振动因素的预测。

4.1 数值计算方法的理论和基本原则

　　数值计算方法的核心是计算机程序，通过构建数学模型，对模型进行逐步的离散化，然后再利用计算机程序对每一部分逐步进行计算，得到最终的结果。其中，基本的原则和思路包括以下几个方面：离散化、数值逼近、错位修正、采样检验等等。

4.2有限元法和边界元法

　　有限元法和边界元法是数值计算方法中的两个基本分支，其应用范围比较广泛，可以方便、准确、快速地处理大型结构的数值计算。其中，有限元法可以将船体结构分为许多有限数量的小单元，并且对划分后的每个单元进行数值计算。而边界元法则应用格林函数的响应原理，将问题转化为求解边界与内部响应的联系。现如今，这些方法在船体结构的静力和动力计算中得到了广泛的应用。

4.3灰色模型和神经网络

　　灰色模型和神经网络是船体结构总体振动特性预测技术中的常用方法，可以对数据进行处理和预测。其中，灰色模型是一类常微分方程，主要用于描述和预测非线性和不确定的系统。而神经网络则是一种基于人类神经系统建立的模型，具有非线性、适应性和泛化能力较强等特点，常用于数据分类、预测等任务。船体结构总体振动特性预测技术中，灰色模型和神经网络可以分别应用于振动特性的预测和优化设计等方面。

4. 4振动预测模型的建立和预测方法

　　振动预测模型是船体结构总体振动特性预测技术中的核心环节，其建立包括数据采集、特征提取和模型训练等步骤。常用的振动预测模型包括：传统的回归模型、ARMA模型、时间序列模型以及机器学习方法，如支持向量回归、随机森林等等。

5结语

　　综上所述，数值计算方法和振动预测模型的建立是船体结构总体振动特性预测技术中的关键环节。在选择方法的过程中，需要根据实际情况、数据来源、应用范围等因素进行考虑，以做出较为恰当的抉择。同时，在应用过程中也需要掌握科学、精准的数据采集和分析方法，以保证振动预测模型的精度和鲁棒性。

参考文献

[1]史丰荣.船体结构总体振动特性预测技术研究[J].中国造船,2013,54(02):118-123.

[2]王雪仁,贾地,缪旭弘.大型复杂结构振动特性分析方法研究[J].船舶力学,2012,16(04):390-398.