我国船舶振动冲击与噪声研究近年进展

42卷　第3期(总第154期)中 国 造 船Vol.42　No.3(Serial No.154) 2001年9月SHIPBUILDING OF CHINA Sep.2001文章编号　2001A03-12我国船舶振动冲击与噪声研究近年进展*翁　长　俭(武汉理工大学)摘要评述了我国近年来在船舶振动、冲击与噪声领域的研究进展。

关键词:船舶振动,冲击,噪声,水弹性,振动预报,振动控制中图法分类号:U661.44(一)　前 言随着船舶向大型化、高速化方向发展,其振动、冲击与噪声的研究也愈来愈引起人们的重视。

近年来,国内各单位在该领域做了不少工作,取得了显著的进步,今就下述几个方面作综述与回顾。

(二)　振动计算方法及振动预报国内近年来对船舶振动的预报和计算,大致可分为:全船模态分析与响应预报、尾部振动计算分析及上层建筑振动分析三个部分。

由于计算技术的发展,用大型计算软件对全船进行模态分析和响应计算,已成为国内船舶振动研究中的活跃领域,近年来发表了不少论文。

论文[1]中采用了由该作者扩充和改进的SAP5通用结构分析程序,对68500DWT油船进行了总振动计算分析,给出了2种装载工况下的垂向振动固有频率及5种转速下的强迫振动的响应,并用ISO 6954标准对该船的振动水平进行评定。

论文[2]中针对3400t箱型货舱货船,将其船体离散成由杆、梁及平面应力元组成的三维结构,利用线性系统静动力结构分析程序,在压载出港和满载出港两种状态下进行了自由振动分析。

其结果表明,在常用主机工况时该船的尾端和上层建筑会产生较大的振动,并提出了结构上的减振措施。

论文[3]中,通过引进双梁模型和推导出的三梁模型,对大型油船的总体振动特性进行了分析研究,并将多梁模型与常用的单梁模型及经验公式进行了比较。

其结果显示,多梁模型在分析大型或超大型油船总体振动方面,较单梁模型有较好的实用价值,特别是在高阶振动时能更好地逼近,这为大型船舶总体振动预报提供了一个实用的方法。

武汉船舶设计研究所、中国船舶科学研究中心和武汉交通科技大学,分别应用大型计算软件对某新 *本文为交通部通达计划重点研究项目。

收稿日期:1999—10—01 修改稿收稿日期:2000—12—21型导弹驱逐舰进行了船体模态分析,为改进设计提供了数据。

船舶尾部振动问题其综合因素多、涉及专业面又广,故一直是国内外技术难度较大的突出问题。

国内已发表了不少有关的论文。

论文[4]对40多年来国内外船舶尾部振动的研究作了回顾,并对今后的研究发展方向提出了建议。

在对船舶尾部振动问题进行研究时,通常对船体结构采用三种有限元离散模型: 全船船体梁模型; 全船三维空间模型; 船舶尾部三维空间模型和中、首船体梁模型相结合的整船混合有限元模型。

论文[5]对整船混合有限元模型的集成方法进行了研究,通过对现有的几种集成方法进行的分析和比较,提出了一个较为简便且易于操作的集成方法,并用于对某型舰尾部振动的实例分析中,得到了满意的结果。

论文[6,7]中,针对某高速舰艇主机改装进行了艉部振动响应预报,探讨了建模、模型的校正以及阻尼和激振力的选取问题;利用ESAN 程序,对该艇主机功率增大且采用三叶桨的船体响应进行了预报,并与实测结果进行了比较。

其结果表明,采用适当的实船数据与实船振动测试数据,可以对改型后的减振效果进行了准确评估,并可尽量减少船上有害振动的发生。

船舶上层建筑振动也是研究的重要方面。

船舶上层建筑振动的机理比较复杂,一方面与上层建筑的布置有关,另一方面也与上层建筑本身的振动特性——上层建筑的结构型式和与主船体的连接型式有关。

随着有限元方法和振动计算软件的发展,使上层建筑振动的预报成为可能。

论文[8]介绍了34000t 大湖型散货船在设计过程中解决上层建筑振动的问题的经验。

实践表明,上层建筑振动问题虽然比较复杂,但通过改进结构设计,采取提高上层建筑纵向剪切刚度和提高船体对上层建筑的支撑刚度的措施,从而提高了上层建筑的纵向固有频率,避开了螺旋桨叶频激振力的共振区,解决了该船的振动问题,使得结构振动问题可能在设计阶段得以解决。

论文[9]利用有限元技术,对两艘商船的船体总振动和上层建筑局部振动进行了计算研究。

计算分别在全船有限元模型及详细尾部模型加上一个简化前体模型上进行,预报了船体总振动和上层建筑整体及各层甲板自由振动频率及上层建筑振动响应曲线,并根据具体算例对各种模型化方法的效果进行了评价。

船舶振动计算方法随着计算机技术的发展而五彩纷呈。

有限元的研究、振动耦合计算(弯扭耦合、流固耦合等)的研究、计算程序的研究、计算与实测或试验的对比研究等,国内已发表了不少论文。

通常计算船体弯扭耦合振动的方法有两种:采用通用的有限元程序计算;采用基于薄壁杆件理论发展起来的薄壁梁有限元方法。

后一种方法考虑了翘曲、剪切和剖面转动的影响,尤其注意考虑了结构的不对称性和不连续性的问题。

论文[10]针对航空母舰这种具有不对称结构的船型,采用上述后一种方法进行了弯扭耦合振动计算和试验。

分析比较结果证明了计算模型的合理性和适用性,以及试验手段和方法的可行性。

基于Mindlin 板理论提出的双壳船结构分析的有限单元,能反映纵桁和肋板离散性以及各构件的膜力状态,比正交异性板精度高,比平面单元计算量小。

论文[11]中应用双壳有限元给出了板架的静力和振动分析算例,并与正交异性板元和平面单元进行了比较,说明该单元性态良好,进一步发展成壳体单元可用于空间船体静力和动力分析。

论文[12]用有限元法分析了Timo shenko 梁元的非梁因素对结构动态特性的影响,重点推导出考虑剪切变形的平移惯量和转动惯量的单元一致质量阵。

并讨论了剪切变形对刚度、剪切变形对平移惯量的一致质量、转动惯量(不考虑剪切变形)对质量、剪切变形对转动惯量等各项影响对结构固有频率的灵敏度,分析了在考虑或忽略它们中任意项时频率产生的误差。

论文[13]研究了板、梁单元构造组合有限元模型,提出了用板、梁单元建立加筋圆柱壳体组合有限元模型的方法。

计算和实验表明:该方法能满足环肋偏加筋圆柱壳体结构的振动有限元分析。

论文[14]通过对深潜器的强度和稳定性的分析,提出了舱段总稳定性是深潜器安全性的主要技术指示,并对环肋圆柱壳在空气和水中的总振动固有频率进行计算分析,并模拟实际深潜器的结构、装载、安装的设备、制造公差及腐蚀等,进行了一系列的有限元计算和实验验证,从而证明了利用振动固有频6942卷　第3期(总第154期) 翁长俭:我国船舶振动冲击与噪声研究近年进展 70中 国 造 船专题评述率来进行安全性检测的可行性。

论文[15]针对船体板架固有频率计算模型的特点,对影响板架固有频率的参数进行了分级,提出了板架固有频率对参数的有限差商敏感性(FDS)概念,编制了进行有限差商敏感度计算、连续进行FDS 分析的程序(SEN)。

应用表明,该方法合理、可行而有效。

船舶在海上营运时,船体板架处在中拱和中垂复杂的弯曲状态之中,以往在船体板架振动计算时都忽略了这种影响。

论文[16]将有限元方法和原理应用于这类计算,推导了板架局部振动的计算方法,给出了计算实例。

通过计算表明,该方法可用于实用计算,为舰船振动校核计算提供了手段。

论文[17]利用等参元法,推导了粘弹性单元的刚度阵,讨论了边界条件对粘弹性结构的影响和影响结构刚度的因素。

最后给出了直接影响振动控制效果的阻尼面积和位置确定的优化方法。

论文[18]利用Wilson-0法,分离刚体位移求解船体自由梁的振动响应,并给出算例分析。

论文[19]利用结构和流体有限元法,计算沉浸在有限水深内有限流场中板的固有频率。

算例表明,工程中单面和双面附连水质量计算所得值较流固耦合计算所得值小,从高临界避免共振的角度,工程公式规定偏于安全。

论文[20]将上层建筑假定为根部弹性固定的阶梯形变载面的高腹梁模型,研究了上层建筑根部弹性支座的刚性系数的计算方法,进而导出了一种简化的上层建筑纵向振动固有频率计算方法。

经实船振动试验验证,计算和试验值吻合较好。

除了应用通用的大型软件对船体结构进行动力分析外,近年来国内一些单位还开发了一些专用软件。

论文[21]介绍了一种面向用户的的船体静、动力分析软件SDASH。

该软件基于船体阶梯形薄壁有限元,采用薄壁杆件理论计算船体剖面的弯曲和扭转特性,并计及横向抗扭箱、横向甲板条等横向抗扭结构对船体刚度产生的影响。

该软件能根据各主要船级社的规范计算出船体弯扭合成应力,还可进行船体静挠度和振动模态分析计算。

论文[22]介绍了高速船振动计算程序系统SVAP,该系统的总振动部分包括预报公式、迁移矩阵法、一维有限元法和二维有限元法等各个子程序。

附连水质量既可用图谱,也可用二维边界元,以适应不同设计阶段及不同计算精度的要求。

局部振动程序计及流体影响的板架、板和加筋板的固有频率和振形。

该程序系统有较强的前后处理功能,它包括单元节点坐标的自动生成,有限元和边界元特性参数的输入及任意阶模态图形动画显示等。

此外,论文[23]指出了SAP5源程序中至今尚未被发现的错误,这个错误会影响某些非线性振动的计算结果;该文从理论上说明了错误的原因,并给出了在源程序中改正的方法,对SAP5的使用和研究均有重要意义。

(三)　高速船振动特性及计算1.高速船的振动特性近一、二十年来,高速船在我国得到了迅速的发展。

目前国内营运中的各类高速船,在船体振动方面有两个共同的特点:一是由于自重控制严,故船体结构尺度小,船体刚度较常规船型要弱;二是采用高速机、高速桨,其激励幅值较常规船型大,激励频率又高[24]。

故高速船的振动较常规船更为突出,不仅影响旅客的舒适性和船员的工作效率,且较常规船更易在应力过大部位产生疲劳破坏。

由于高速船的振动特点,常规船的振动研究成果较难直接用于高速船。

文献[25]指出:高速船由于主机转速高,因而激励频率高,一般不会产生船体低阶总振动共振。

如船长20～35m的单体钢质高速船,计算所得的2节点1阶和3节点2阶船体垂向弯曲振动固有频率一般均小于12H z,而最低激励频率——轴频在额定转速时都常大于14Hz。

因而即使在常用转速下,也不会发生1阶共振,故对高速船振动预报有意义的是2阶和3阶固有频率。

而目前工程上常用的迁移矩阵法和一维有限元法,其计算所得的总振动垂向弯曲1阶固频精度较高,3阶计算误差就大。

计及流固耦合的三维有限元法计算精度可大大提高,但由于计算准备工作量大,需计算机的容量高,耗机时多,计算费用高等特点,难以在一般工程设计中应用。

另外,相对于总振动,高速船局部振动较为突出,局部振动共振的机会也增多,质量较大的局部结构振动还可能和高阶总振动耦合。

2.高速船的振动计算为了提高船体总振动高阶固有频率的计算精度,而又不致增加过多的计算工作量,文献[22,26,27]中介绍了新开发的二维总振动计算程序。