第五六七章 船体局部振动、主要振源、振动评价防振与减振
船舶结构的振动及预防措施分析
船舶结构的振动及预防措施分析摘要：本文通过对船舶结构振动的原因进行分析，结合船舶行驶的具体过程，进一步提出预防船舶结构振动的措施，提高船舶运行过程中的安全性。
关键词：船舶；振动；预防措施船舶在运行的过程中，会受到各种外在因素的影响，这些外在影响，可能直接作用在船体的外部结构上，也可能通过间接的作用在船体的表层，从而对船舶本身造成影响。
很多外力因素的对船舶的直接表现形式是引起船舶动荡，造成船舶结构的振动。
影响较小的振动可能会影响船内成员的身体不适，造成乘客的烦恼，降低乘客乘船体验感，但不会对船舶本身造成比较大的危害。
如果出现了比较大的振动，可能会使船舶在运行的过程中出现比较大的损伤，影响船舶的整体结构和各类零部件，造成零部件之间的剧烈的摩擦，使某个部位出现故障，影响船舶整体的运营情况，后期工作人员在维修的过程中，也需要投入大量的资金和人力，来对受振动影响的工作设备进行维修。
为了尽量避免这种情况的发生，我们需要对船舶结构的振动进行分析，提出相应的解决措施，减少对船舶结构造成的危害。
一、船舶结构振动产生的原因通过分析，船舶结构的振动主要原因是螺旋桨，主机，辅机以及其他的外在因素。
这些原因构成了船舶结构振动的振动源，让船舶在行使的过程中产生振动。
由于辅机所造成了振动比较小，所以这里对辅机造成的振动不进行主要的说明。
（一）螺旋桨造成的振动螺旋桨对船舶结构造成的振动有具体的不同的实现路径，通过研究调查，发现主要是以下几个方面。
第一，螺旋桨在旋转的过程中传递给船舶结构的力与力矩。
螺旋桨在运动的过程中，不可避免的会产生振动，在振动过程中，螺旋桨产生的力就会通过轴系传递出去，让船舶因螺旋桨而产生振动。
第二，船尾的压力分布不均匀。
由于船体结构尾部全部浸泡在水中，在运动过程中受到水影响的压力不均匀，造成了压力脉动的现象。
第三，螺旋桨与轴系之间产生的水弹性耦合。
（二）主机造成的振动主机在工作的过程中，除了会产生一次激励外，在某些特殊的情况下，还会产生二次激励。
船体振动学 PPT
Ship Vibration
0.4 振动系统 振动系统三要素：质量，刚度，阻尼。 质量（包括转动惯量）是感受惯性的元件，刚度 是感受弹性的元件，阻尼是耗能元件。
Ship Vibration
0.4 振动系统
振动系统一般可分为连续系统和离散系统。 （1）连续系统（无限多自由度系统，分布参数 系统） 结构参数（质量，刚度，阻尼等）在空间上连续 分布。弹性体是具有无限多自由度的系统，它的 振动规律要用时间和空间坐标的函数来描述，其 振动方程是偏微分方程。 （2）离散系统（多自由度系统） 结构参数为集中参量。所建立的振动方程是常微 分方程。
2梁自由振动和强迫振动的基本理论和计算方法4了解船体总振动和局部振动的力学模型的建立和计算方法5了解船体振动产生的原因6了解船体振动衡准和防振减振措施船体振动学shipvibration4参考教材翁长俭张保玉编
船体振动学
1 课程内容 2 课程目标
3 课程基本要求
4 参考教材
Ship Vibration
Ship Vibration
0.1 基本概念
各个不同领域中的振动现象虽然各有特色，但往 往有着相似的数学力学模型。正是在这种共性的 基础上，有可能建立一种统一的理论来处理各种 振动问题。 振动力学：借助数学、物理、实验和计算技术， 探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便 克服振动的消极因素，利用振动的积极因素，为 合理解决各种振动问题提供理论依据。
Ship Vibration
0.5 振动问题的分类
按激励特性来划分： （1）自由振动 没有外部激励，或者外部激励消失后，系统自身 的振动。 （2）强迫振动 系统在作为时间函数的外部激励下发生的振动， 这种外部激励不受系统运动的影响。 （3）自激振动 系统受其自身运动诱发出来的激励的作用而产生 和维持的振动，例如小提琴发出的乐声，飞机机 翼的颤振等。
船体振动学课程教学大纲
船体振动学课程教学大纲课程代码：74120280课程中文名称：船体振动学课程英文名称：Ship hull vibration学分：3.0 周学时：3.0-0.0面向对象：预修要求：理论力学、材料力学、线性代数、数学物理方程、积分变换、电工学一、课程介绍（一）中文简介船体振动学是船舶与海洋工程技术专业的专业必修课。
课程内容由两部分组成。
第一部分是振动学基本理论（含单自由度振动系统、多自由度振动系统、连续体振动系统）。
第二部分是船体振动理论（含船体总振动、船体局部振动、船舶主要振源、船舶振动测试与评价）。
第一部分是核心，内容相对丰富。
数学上主要涉及二阶常系数微分方程与弦振动方程、傅里叶变换、频率响应函数等。
第二部分是基本内容，主要目的是培养学生理解从一般振动系统到船体振动的概念和现状，以及理论与实践的关系、科学计算与实验的关系。
最后，附加部分含非平稳外载荷谱估计、数据处理、分数阶振动等。
希望能激发学生对船体振动领域的兴趣。
（二）英文简介Ship hull vibration is a specialized and obligatory course for undergraduates majored in ship and ocean engineering. The course consists of two parts. The first part plays a key role in the course with contents relatively rich, including systems with single degree of freedom, multi-degree freedom systems, and vibrations of continuum systems. It relates to, in mathematics, differential equations of second order with constant coefficients, beams as a main object from a view of mechanics, and frequency transfer functions in dynamical analysis. The second part is for understanding the profile of ship vibrations globally and locally, with the focuseson the relationships between theory and practice, between scientific computations and testing, between science research and references or standards with respect to wave-induced ship hull vibrations. The additional part, finally, is for practical knowledge in ship vibrations, such as spectrum estimation of nonstationary loading, data processing in vibrations, fractional vibrations and so forth.二、教学目标（一）学习目标本课程涉及学科较多（材料力学、理论力学、船舶结构力学、高等数学、工程数学、数据处理、信号处理等）。
第7章——船舶振动评价、防振与减振
船体振动基础1第7章船舶振动评价、防振与减振一、船舶振动的危害二、船舶振动的标准三、船舶振动的测试四、船舶振动的具体测试方法21一、船体振动的危害P2171.对人体的危害• 振动以及由振动引起的噪声，会导致船员与乘客的不适，引起疲劳甚至损害健康。
• 长期处于振动环境中会影响神经系统的正常工作机能，导致肌肉松弛，血压升高，视觉迟钝等。
3二、船舶振动的标准•• 人体对振动的反应41一、船体振动的危害1.对人体的危害1）人体固有频率：胸腹系统固有频率4~6H z ，2030头、颈、肩固有频率20~30H z ，人体系统固有频率6~9H z ，其中许多频率是船上常见的激励频率。
216~20H z ）环境振动通过接触表面使人感受到振动。
大于，人同时感觉到噪声；大于100H z ，主要是噪声。
367H 5）6~7Hz 的垂向振动会引起晕船症。
水平振动常比垂向振动影响更大，极度影响生活和工作。
一、船体振动的危害2.对船体结构的损害•或产生振动使高应力区的船体结构出现裂缝、或产生疲劳破坏，从而影响其安全性和正常使用。
①当共振时振幅及振动应力急剧放大（例：某船二节点振幅为1mm，振动应力平均为1.0~2.0N/mm2，共振时振幅为18mm，振动应力20 N/mm2）②材料或结构的内在缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹渣等）使其在长期承受振动的过程中可能产生宏观裂纹源，最终导致构件的疲劳破坏。
6一、船体振动的危害2.对船体结构的损害振动使高应力区的船体结构出现裂缝、或产生疲劳破坏，•振动使高应力区的船体结构出现裂缝或产生疲劳破坏，从而影响其安全性和正常使用。
③当实测振动应力为10~20N/mm2时，结构就可能发生损坏。
④尤其在尾部结构、焊缝附近和应力集中的部位更易破坏。
7一、船体振动的危害3.对机器设备的危害•振动使机器仪表和设备失常寿命缩短或损坏• 振动使机器、仪表和设备失常，寿命缩短或损坏。
1）过度的振动使计算机、自动控制的仪表设备失灵或损坏，影响航行安全。
船体振动学
1.系统的自由度：确定振动系统运动所需的独立坐标数目即为系统的自由度数。
2.广义坐标：这种确定系统在空间位置的独立参变量称为广义坐标。
3.线性振动：在这些条件下，系统的振动可以用常系数线性微分方程来描述，称为线性振动。
4.自由振动：系统对初始激励的响应通常称为自由振动。
5.强迫振动：对外部作用力的响应称为强迫振动。
6.干摩擦阻尼力：当系统与外界的固体相接触运动时，即产生摩擦阻力，称为干摩擦阻尼力。
7.粘性阻尼力：它是系统与外界粘性流体接触时，在速度不高的情况下所产生的阻尼力。
8.流体动力阻力：当系统与外界的粘性流体接触，且速度较高，并在粘性较小的流体中运动时，即发生与速度平方成正比的阻力，称为流体动力阻力。
9.材料内阻尼力：是因为实际材料并不是完全弹性而引起的，又称材料的非弹性阻尼。
10.结构内阻尼力：是因为系统本身结构装配或连接而引起的。
11.准周期振动：这种由于振动系统受到阻尼力作用，造成能量损失而使振幅逐渐减小的振动称为衰减振动，或称为准周期振动。
12.均匀直梁弯曲自由振动的特性：（1）均匀直梁是具有分布质量及抗弯刚度的无限自由度系统（2）固有频率和固有振形是结构的固有特性，不仅与材料的性质、结构的刚度等因数有关，而且还和边界条件有关（3）当梁作任一主振动时，类似于单自由度系统的振动（4）在所讨论的线性振动范围内，均匀直梁弯曲自由振动是无限多个主振动的线性叠加，梁中任一点的运动则是各主振动所引起运动的总和。
（5）固有振形具有正交性，即各固有振形之间是相互独立的。
13.Timoshenko梁理论：一般的梁单元,是基于初等力学中的平截面变形假定,在这个假定中,实际上认为弯曲变形是主要的变形,剪切变形是次要的变形,因而可以不计,这对于高度远小于跨度的实腹梁来说,不会引起显著的误差,但对于有些空腹梁或都高跨比不是很小的梁来说,就不太精确了,所以有必要计及剪切变形，Timoshenko梁就是能考虑剪切变形的梁。
船舶设计中的抗震性能评估
船舶设计中的抗震性能评估在广袤无垠的海洋中，船舶作为重要的交通工具和工程设施，面临着各种各样的挑战和威胁。
其中，地震作为一种不可预测的自然灾害，可能会对船舶的结构完整性和安全性造成严重影响。
因此，在船舶设计阶段进行抗震性能评估是至关重要的，这不仅关系到船舶的正常运行和人员的生命安全，也关系到海洋运输和海洋工程的可持续发展。
船舶在海上航行时，会受到海浪、风、水流等多种外力的作用。
而地震产生的地震波会通过海床传递到船舶底部，引发船体的振动和变形。
如果船舶的抗震性能不足，可能会导致船体结构的损坏、设备的故障甚至船舶的沉没。
因此，为了确保船舶在地震中的安全性，必须在设计阶段就对其抗震性能进行全面、准确的评估。
船舶抗震性能评估的第一步是对地震荷载的分析。
地震荷载是指地震作用在船舶上的力和加速度。
由于地震的复杂性和不确定性，准确地确定地震荷载是一项具有挑战性的任务。
目前，常用的方法是基于地震学和统计学的原理，结合历史地震数据和场地条件，来估计可能发生的地震强度和地震波特征。
例如，通过分析地震震级、震中距离、场地土壤类型等因素，可以计算出船舶所在位置可能受到的地震加速度和地震力。
在确定了地震荷载之后，就需要对船舶的结构进行建模和分析。
船舶结构通常是由船体、甲板、舱壁、骨架等部件组成的复杂空间结构。
为了准确地评估其抗震性能，需要采用先进的有限元分析方法或其他数值模拟技术，将船舶结构离散成大量的单元和节点，并建立相应的力学模型。
通过输入地震荷载，计算出船舶结构在地震作用下的应力、应变和位移分布。
在建模过程中，需要考虑船舶结构的几何形状、材料特性、连接方式等因素，以确保模型的准确性和可靠性。
船舶的材料特性对其抗震性能也有着重要的影响。
船舶结构常用的材料包括钢材、铝合金等。
这些材料的强度、韧性、弹性模量等力学性能直接决定了船舶在地震中的承载能力和变形能力。
因此，在抗震性能评估中，需要对材料的性能进行准确的测试和分析，并将其纳入到结构分析模型中。
船体振动[高效]
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1简述什么是共振现象,什么是拍振现象。
当激振力的频率与系统的固有频率相等时，振幅不断增大而趋于无穷的现象称为共振。
当激振力的频率与系统的固有频率相当接近，但并不相等，又会发生另一种现象，即系统的振幅时而增大，时而减小，该现象称为拍振现象。
2简述什么是固有振型。
在某一特定的初始条件下，系统的质量在振动时同时达到最大位移和同时通过平衡位置，或者系统的所有移动部分作同相位同频率振动时，各质量的位移存在着特定的比例关系，它表示了振动的状态，这种状态称为系统振动的固有振形。
3简述什么是主坐标，什么是主振动。
在系统的每一个固有振动中只有一个独立变量，因而表示一个固有振动只需要一个独立坐标，描述固有振动的独立变量称为主坐标。
在某一特定的初始条件下，系统的质量在振动时同时达到最大位移和同时通过平衡位置，或者系统的所有移动部分作同相位同频率振动，这种振动即为主振动。
（1）写出横梁振动的质量正交条件，及并解释其物理意义。
物理意义：由于横梁振动的所有主振动是彼此独立的，因此一个主振动的惯性力对其他主振动的挠度不做功。
（2）简述弹性体势能形式的正交条件，并解释其物理意义。
物理意义：由于横梁振动的所有主振动是彼此独立的，因此一个主振动的弹性力对其他主振动的弹性变位上不做功。
(3)简述什么是动力放大系数，并分别给出单自由度系统有，无阻尼时动力放大系数公式。
动力放大系数α是指动力所产生的最大动位移和将此动力的最大值视为静力时所产生的静位移的比值。
无阻尼时，有阻尼时。
(4)船体垂向振动附连水的计算公式为: ;-水平振动附连水的计算公式为: 。
4通常将船体振动分为总振动和局部振动。
5降低船体振动的主要原则是：低频振动时要避免共振，高频时要减小激振力。
6附连水对船体振动影响主要分为重力，阻尼，惯性。
7船体总振动的计算方法主要包括能量法，迁移矩阵法，有限元法。
较简便的方法是迁移矩阵法，较精确的方法是有限元法。
8对于船舶总体或局部结构的强迫振动，其大小除和激振力大小有关外，还和结构本身的刚度（弯曲和剪切刚度），质量和阻尼有关。
浅谈内河船舶振动及减振措施
浅谈内河船舶振动及减振措施提要目前内河船舶的振动日趋严重，不仅降低了舒适性，而且还严重影响航运安全，必须予以足够重视。
本文根据大量的理论和实船资料，分析了内河船舶振动产生的原因，并对如何减振提出了具体措施，可供船舶设计、制造、航运、船检等部门参考。
随着航运事业的发展，人们逐渐要求内河船舶装载量大、吃水浅、航速快，必然促使船舶向肥大、浅水、大功率方向发展，同时为了尽量减少船舶自重，船体用板及构件相对减薄和减少，从而导致结构刚度不足，所有这些都使船体振动加剧，船体振动已成为航运界一个突出的问题。
船舶是一个自由漂浮在水中的弹性体，只要螺旋桨或主机工作，总是会引起船体不同程度的振动。
轻微的振动是允许的，也是不可避免的。
但船体振动过大会导致船体结构产生疲劳破坏，影响船上设备和仪器的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命，严重时还会导致船体断裂乃致沉没；同时船体振动还严重影响着船员和旅客的居住舒适性、船员的工作效率和身体健康。
船舶振动不但与其振源有关，而且与船舶总布置、尾部线型和船体结构直接有关。
而激起船体振动的主要振源（也称激励源）是螺旋浆和主机，它们在运转时将激起周期性干扰力，使船体发生稳态强迫振动，若激励幅值过大或引起了共振，就会产生剧烈的振动。
一、船舶振动产生的主要原因船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。
船舶振动产生的主要原因有以下几个方面：(一) 线型：因为尾部线型对伴流的分布起决定性作用，直接影响螺旋桨来流和去流产生漩涡、伴流等方面的状况，这些都直接与船体振动有关。
（二）船体结构：如船体结构布置、构件取材不合理、刚度不足、结构不连续，这些都会使船体板格固有频率太小，或产生应力集中和惯性矩不能满足要求，特别是若机舱、尾部结构不合理或板材、构件取材太小，刚度不足；另外，甲板开口宽度超过3/4B的内河浅水大开口船，在航行中产生较大扭矩，使轴系偏移，也都会引起船体振动。
（三）螺旋桨的选择及与船体线型匹配。
船舶振动学复习
自由振动——系统对初始激励的响应通常称为自由振动。
强迫振动——系统对外部作用力的响应称为强迫振动。
粘性阻尼力——系统与外界的粘性流体接触时，在速度不高的情况下所产生的阻尼力。
它与接触的材料无关，而与运动体的大小、形状及流体的粘性有关，其方向与运动方向相反，与振动体的运动速度成正比，又称线性粘性阻力。
流体动力阻尼力——系统与外界的粘性流体接触，且速度较高，并在粘性较小的流体中运动时，即发生与速度平方成正比的阻力，称为流体动力阻力或高次阻力，其方向与运动方向相反，又称为非线性粘性阻力。
材料内阻尼力——是由于实际的材料并不是完全弹性而引起的，所以又称为材料的非弹性阻尼力。
结构内阻尼力——由于系统本身结构装配或连接而引起的，比前者大得多以上两者属于内阻尼力，是由于系统内部的原因引起的均匀直梁弯曲自由振动的特性a.均匀直梁是具有分布质量及抗弯刚度的无限自由度系统b.固有频率和固有振型是结构的固有特性不仅与材料的性质、结构的刚度等因数有关而且还和边界条件有关c.当梁做任一主振动时类似于单自由度系统的振动d.在所讨论的线性振动范围内均匀直梁弯曲自由振动是无限多个主振动的线性叠加梁中任一点的运动则是各主振动所引起运动的总和。
e.固有振型具有正交性即各固有振型之间是相互独立的。
转动惯量和剪切变形对梁的横向振动的影响转动惯量使系统的有效质量增加，剪切的作用使系统的刚度下降，均使系统的固有频率降低，其中剪切变形的影响大于转动惯量的影响，对于细而长的梁或梁的高阶振动必须计及剪切和转动惯量的影响。
船体总振动及分类整个船体的振动称为总振动，这时将船体视为一根两端自由支持的变截面空心梁。
包括：1垂向振动，在船体的纵中剖面内的垂向弯曲振动；2水平振动，在船体的水线面内的弯曲振动；3扭转振动，船体横剖面绕纵向轴线的振动；4纵向振动，船体横剖面沿其纵向轴线作纵向抗压的往复振动。
计算船体总振动的力学模型一维梁模型：船体梁总振动的梁模型，是有一排船体梁单元（一般在10-20个单元）通过结点相互联接而形成的，每一单元质量和刚度性质均有船舶实际情况简化而成，船体梁的质量应包括附连水质量。
内河船舶的振动分析及减震对策
内河船舶的振动分析及减震对策作者：杜松林来源：《科学大众·教师版》2019年第08期摘要：船舶的有害振动是影响船舶安全营运的重要问题。
因此船舶防振和减振已是目前造船界和航运界极为关注的内容，对振动研究的目的是确保船舶不会产生有害的振动问题，以保证船舶安全营运。
关键词：内河船舶; 振动分析; 减震对策中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2019）8-196-001随着航运事业的发展和水陆空交通的竞争，人们逐渐要求内河船舶吨位载重量大、航速高，必然促使内河船舶向船型宽大和主机功率大的方向发展。
由于造船技术的进步和优化设计等因素，船体用板及构件相对减薄和减小，结构刚度不足，所有这些都使船体振动加剧，船体振动已成为一个突出的问题。
船舶振动的产生有建造和营运方面的原因，目前在内河船舶的设计阶段，对船舶振动问题还没有给予足够的重视，若建成的船舶一旦投入营运后才发现有严重的振动问题，再寻求对策，要想彻底根除一般是很困难的，且花的代价也相当大，往往是浪费人力和物力，也不易收到满意的结果。
为了防患于未然，要求在设计阶段就进行必要的振动研究，并采取有效的预防措施。
这就要求设计者在设计时应了解船舶的主要激励源和影响振动的其他因素，对船舶的快速性、动力装置、结构设计等全面考虑，选出较好的方案。
船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。
主要原因及减振或避振措施如下：一、共振及减振措施船舶同其他弹性体一样，即使激励的幅值较小，但在共振时也会有大的响应。
对内河船舶来说，虽然主机的转速一般较高，在常用工况下发生低速共振的现象并不多见，但为了节能，提高推进效率，往往采用减速齿轮箱，以降低尾轴转速，加大螺旋桨直径，这就使主机在常用工况下出现船体低谐共振的可能性大大增加。
为了避开共振，就需要改变固有频率和激励频率。
改变船舶的固有频率可以从船体梁的刚度考虑，如增大船体梁剖面惯性矩、合理设计上层建筑，采用弹性接头可降低总振动的程度。
船体防震及减振船体振动设计流程
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在进行船体防震及减振设计之前，需要开展一系列准备工作。
大型船舶振动分析
• 一般情况下纵向振动可以不考虑； • 对于大开口船舶应考虑水平弯曲振动与扭转振动之间的耦合。
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船体总振动分析
船体总振动类型 非梁振动
当船体振动的模态数上升或频率较高时，船体 梁节点间距已经小于或接近于船宽或型深，船体的 剪切变形已上升到重要地位，并且还伴随着发生船 体横截面内的变形；由于双层底、上层建筑和其它 一些局部结构振动的参与及耦合作用增强，船体总 振动会与梁的性质发生很大差异，这时的振动称为 非梁振动。
动力载荷使结构的质量产生加速度，从而引起了惯性力，故需要考虑 动力载荷和惯性力两者共同作用的影响。
动力载荷与内力和位移之间一般是非线性关系，有时很小的动力载荷 就会引起很大的内力和位移。
船上振动概述
振动问题的类型
激励 已知
系统特性 已知
响应 待求
激励 已知
系统特性 待求
响应 已知
激励 待求
系统特性 已知
序 号
评价衡准
本船数据
1
Wmax<0.75、Wmax<Cb
Wmax=0.70
2
Wmax<1.7 W0.7R
3
θWPB>θB θB =(360º/Z)+10º
4
n
9.903 D / 2 Zd
0.051nD2
TA
W
Wmax Wmin 1W
1.0 R
5
1 d / d r / R 1W
1.0
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船体总振动分析
对于船舶上建结构局部振动频率及分析
对于船舶上建结构局部振动频率的分析摘要：当船舶在海上航行时，由于受到风浪波动的影响，船体结构的振动是不可避免的。
船舶振动过大不但会对船上的船用设备产生影响，也会造成船体结构的损坏，甚至会危害船上人员的生命安全。
所以在船舶的设计阶段，必须考虑船舶局部结构的振动频率问题，并采取办法对其加以控制。
本文介绍了船舶振动的发展现状，具体从船舶振动的危害、现象和振源等方面，针对船舶上建结构的振动频率问题进行了简要分析。
关键词：船舶振动；局部振动；上建结构；上层建筑整体纵向振动固有频率在船舶结构的整体设计中，船舶局部振动是不可忽视的一个重要指标。
近年随着我国海上船舶业的蓬勃发展，船舶的设计引入了更多的科技元素，并且功率越来越大。
但是，船舶的上建结构因为有别于传统设计且刚度有所减弱，所以当船舶振动频率过大时，上建结构就会产生严重振动，威胁整个船体的安全航行。
一、船舶振动虽然船舶在海上航行时，受波浪的影响较大。
但是船舶振动的主要来源还是船舶中的各种机械。
在船舶内部的机械、轴系、螺旋桨等部件运转的激励下，船舶的总体或者局部就会引起结构上的振动，这就是船舶振动。
（一）船舶振动的振源船舶的结构是非常复杂的，它有许多的局部结构和船用设备，并且现在的船舶加装了许多高精密的电子仪器，对操作环境的要求又很高，所以船舶结构的振动首先对这些精密的船用设备来说，就是极大的威胁。
实际上，船舶结构就是一种复杂的组合弹性体，如果按照振动的分布范围来说，船舶振动可以分为总体振动和局部振动；按照船体受力的角度讲，又可以分为自由振动和强迫振动。
因为在船体中机械众多，所以船舶是一个多振源系统，这种机械给船体带来的振动动力我们称之为“激励”。
它们都是对船体有害的因素。
船舶中主要的激励来源有螺旋桨、机械（包括主机、发电机、发动机、水泵、通风机等）和波浪。
其中大部分的振动激励来自于螺旋桨。
因为在船舶中，螺旋桨桨叶通过转动将水动力传承给桨轴，再由桨轴传给船体产生轴承力，另外螺旋桨也将水表面上的脉动水压力传送给船体，所以轴承力和水面的表面力是螺旋桨的主要激振来源，也就是桨激励的两种形式：轴频激励和叶频激励。
第5章_船体局部振动
第5章船体局部振动局部振动：船上各种局部结构的振动，包括梁、板、板格、加筋板和板架，大到船舶的机舱、上层建筑以及整个尾部区域，还有船舶设备(桅杆)、附体(艉轴架)等的振动。
船体局部振动与船体总振动总是互相耦合并一起发生的。
局部振动与总振动的耦合：局部振动系统有效参与质量远小于船体总振动质量，两者耦合较小。
局部振动的计算或预报：• 首要的、大量的工作一般是确定局部结构的模态特性，即确定固有频率和固有振型。
•有时也要计算振动响应。
•分析的方法既可以采用解析的方法或近似的方法，也可以采用有限元的方法。
对各种复杂的船体局部振动，有限元方法称为当然的选择。
第5章：船体局部振动第一讲：第讲上层建筑的振动上层建筑结构的整体振动：将上层建筑结构视为一个整体所发生的三种体上层建筑振动振动模态：纵向振动、横向振动和扭转振动。
【1】上层建筑范围内各层甲板结构、围壁结构和上层建筑结构的局部振动：舱壁结构的振动。
①采用艉楼的布置设计。
靠近船舶的两个主要振源(螺旋桨和主机)。
②为了减小驾驶盲区上层建筑往往【2】现代船舶的上层建筑设计的趋势和特点为了减小驾驶盲区，上层建筑往往设计的高而短。
——纵向刚度偏低。
③为了降低上层建筑舱室内的噪声污染常采用将上层建筑与机舱棚烟囱染，常采用将上层建筑与机舱棚、烟囱分离的形式。
——整体纵向频率降低。
上层建筑的整体振动形式中，纵向振动是最受关注的。
【3】上层建筑纵向振动频率估算• 在船舶设计的早期阶段，常通过简单的计算来估计上层建筑的固有频率，以便错开其激励频率。
• 上层建筑整体纵向振动固有频率一般在6~15H Z。
与高阶船体垂向总振动的模态会有一定程度的耦合，但是，在上层建筑纵向振动频率估算时，可以不考虑它们之间的耦合作用。
1、简化的理论计算方法：• 理论和试验研究表明，影响上层建筑整体纵向固有频率的主要要素是上层建筑的剪切和弯曲刚度、上层建筑的质量及其分布以及主船体对上层建筑的支撑刚度。
小型船舶船体振动的原因及对策
小型船舶船体振动的原因及对策摘要∶船体会在主机以及螺旋桨等外界干扰下产生一定的振动，尤其是小型船舶，受到的振动影响更为剧烈，而且一旦振动过大，会影响到船舶的正常航行。
基于此，本文首先提出船体设计、主机引发船体振动以及螺旋桨引发的船体振动等问题，其次，通过优化船体设计、主机减震、螺旋桨减震等方面，就小型船舶船体振动原因及其解决对策进行简要分析，并提出自己一点看法。
关键词∶小型船舶;船体振动;减震措施引言船体的振动能够对小型船舶造成非常大的伤害，不仅会影响到船员在航行过程中的舒适度，还会影响到船上设备的正常运行，从而导致船上设备的损坏，造成小型船舶无法正常航行的情况出现，如果不能及时解决，严重的甚至会对船员生命产生威胁。
因此，对于小型船舶船体振动的研究，已经具备非常重要的意义。
一、振动的危害及其原因严重振动对船舶的危害主要有以下几点。
使船体结构或机械设备在应力过大时产生疲劳破坏，景响航行安全。
影响船员和旅客的居住舒适性，影响船员的工作效率，危害身体健康。
影响船上设备、仪表的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命。
另外振动还会激发噪声。
因此研究船舶振动的原因，采取有效措施进行减振十分必要。
船体作为自由漂浮在水上的空心弹性梁，在营运过程中必然会受到各种冲击的作用，激起船体总振动和局部振动。
船体产生振动过大的主要原因可归结为下述 3个方面。
设计时考虑不周，如船舶.主尺度与主机的选择，螺旋桨与船体及附属体间隙以及与尾部线型的配合，船体结构尺寸、布置和结构的连续性等。
建造质量的问题，如螺旋桨制造质量差，轴线对中不良，结构连续性被破坏，焊接残余应力与初挠度等。
营运管理问题，如船体的装（压）载不当，轴系变形，主机各缸燃烧不均，机件损坏、松动，螺旋桨受损等。
二、船舶振动特性及计算2.1船舶的振动特性近一、二十年来，船舶在我压得到了迅速的发展。
目前国内营运中的各类船舶，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。
船舶机械振动及控制
船舶机械振动及控制对船舶的机械有害振动的控制措施主要有防振和减振两个方面，防振是指在船舶设计阶段就考虑到振动的容许标准而采取降低振动的措施，减振则是指使营运船舶的振动下降到容许的标准。
防振措施和减振措施仅仅是对象的差异及处理的角度有些不同，其基本原理是一样的，即：(1)避免共振。
改变结构的固有频率或激励频率防止共振的产生。
(2 )减小激励力。
进行动平衡或结构改型减小激励幅值。
(3)减小振动或激励力的传递。
增加阻尼以防止吸收振动能量，装设减振装置以达到减小幅值的目的。
柴油机振动控制柴油机时引起船体振动的主要激励源之一，因此在船舶设计初期，选择什么样的机型是至尖重要的。
在满足功率等指标的情况下，应注意选择具有较小不平衡力和不平衡力矩的柴油机做主机。
柴油机的缸数越多，其一般平衡性就越好。
(一)防止共振选择主机时应配合螺旋桨考虑是否与船体发生低阶共振的可能性，尤其应避免在主机常用转速下的低阶共振问题。
在设计阶段，先计算船体总振动的几个主要谐次的固有频率，以避免与柴油机和螺旋桨的各阶激励力共振。
主机的选型应与减速齿轮箱、螺旋桨在一起考虑，在改变主机营运转速较困难时，也可改变变齿轮箱减速比或改变螺旋桨页数以达到改变激励频率的目的。
(二)减小激励力对于存在外部不平衡力或者不平衡力矩柴油机，可以通过安装平衡补偿装置来减小振动激励力。
这是一种普遍应用的防止有害振动的措施。
平衡补偿装置是使偏心质量以与主机激励频率相同的转速旋转，产生补偿力或者力矩以抵消柴油机的不平衡力，减少他们对振动的影响。
按运转驱动方式可将平衡器分为两大类：一是由电动机驱动，或称电动平衡器；二是由曲轴驱动直接附装在主机上。
按被平衡激励的形式又可以分为一次力矩平衡器、二次力矩平衡器和组合平衡器。
电动平衡器一般安装在船体垂向振动振幅相当大的舵机底甲板上。
（三）减小振动传递对于不平衡的主机或辅机可以在机座下装设隔振器，以减小主机激励力对船体的传递。
所要求的减震器应该柔软些，这通常只有对高速柴油机才能实现。
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2019/12/18
上层建筑局部振动的有限元法
板梁组合模型： 用板单元来描述甲板板和桁材(强横梁 和纵桁)； 用空间梁单元来描述扶强材(纵骨和普 通横梁)。
2019/12/18
5.2 板的振动
对矩形平板来说： 一般只有特定的边界条件（四边自由支持），才 能求得精确解； 其它情况均可采用近似方法（有限元法）求解。
对于实船来说，板的边界条件的确定较困难。 实测表明，绝大部分的船板其测量值介于四边简 支板和四边刚性固定板的计算值之间； 且大多偏向于简支计算值； 因此，在船体振动计算中，常近似地取为四边简 支。
2019/12/18
5.2 板的振动
船体外板一般都承受中面力作用，中面拉力使船板的 固有频率_____，而压力则使船板的固有频率_____。
甲板板或船底板在中拱或中垂的不同状态下的固有频 率会产生相应的变化，进而也会影响到船板的响应。
影响船舶板中面应力的其它因素还有板架弯曲板的初 始挠度以及由焊接而引起的板的初始应力数值等，这 些影响具有一定的随机性。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
上层建筑总振动固有频率的计算方法： 经验公式； 有限元方法。
2019/12/18
上层建筑纵向振动频率的近似估算
上层建筑纵向振动的第一阶固有频率估算(P168)：
1 f2
1
f
2 a
1
f
2 b
f
f
2 a
1
fa fb
2
K—上层建筑后端的弹性支承刚度(N/m)，取决
于船体结构布置；
r —质量回转半径(m)，对一般上层建筑可按下式
计算：
r 0.6H
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上层建筑纵向振动频率的近似估算
在方案设计阶段，还可以选用广渡智雪根据大量 实船上层建筑的数据提出的近似估计方法：
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上层建筑整体振动的有限元法
10
6
h
1 a2
1 b2
板的固有频率估算
f01
3.08
10
6
h
1 a2
1 b2
矩形板在水中的固有频率(Hz)：
f1 1 f01
附连水质量系数：
1 1/
1 h
C
1 a2
1 b2
其中C为系数，板单面浸水时取0.04，板双面浸
水时取0.08。
G—剪切模量，取0.81×1011N/m2；
C—弯曲变形修正系数。
C
1 1 0.2 GAs H 2
EI
I—上层建筑剖面惯性矩(m4)； 2019/12E/1—8 弹性模量，取2.01×1011N/m2。
上层建筑纵向振动频率的近似估算
fb
1
2
KL2 r2M
L—上层建筑长度(m)；
整个尾分段与尾楼的振动
大型海船多采用尾机型与尾桥楼结构，尾部 振动具有重要性和复杂性： 主机、螺旋桨、轴系等振源集中于此 人员、设备等也皆于此
2019/12/18
5.5 尾部振动
尾部振动的表现形式是船体低阶 总振动响应的叠加。
一般船体梁前几阶振动在尾部产 生的位移都是同相位的，故叠加 后尾部的振幅相当大；
2019/12/18
船体产生振动过大的主要原因
设计时考虑不周或计算的错误： 船舶主尺度与主机的选择； 船体结构尺寸、布置和结构的连续性等。
建造质量问题： 螺旋桨制造质量差、轴线对中不良； 结构连续性破坏、焊接残余应力与初挠度等。
营运管理问题： 船体的装（压）载不当； 轴系变形； 主机各缸燃烧不均匀； 机件磨损、松动，螺旋桨受损等。
局部结构包括梁、板、板架、上层建筑 和尾部等空间结构。
板的振动； 船舶上层建筑的振动； 双层底的振动； 尾部振动。
2019/12/18
5.1 局部振动的特点和计算
局部结构的范围可能很小，也可能很大，如 一根梁、一块板，或者整个机舱或整个上层 建筑；
分析局部振动的首要问题是合理地确定这部 分结构的范围和它的边界条件；
• 船体局部振动的特点和计算 • 板的振动 • 船舶上层建筑的振动 •双层底的振动 • 尾部振动
• 船体振动的原因 • 螺旋桨、柴油机、波浪等的激励 • 结构响应和振源分析
2019/12/18
新的篇章（2）
• 船体振动评价基准 • 船体振动测试
•振动测试目的 •振动测试设备 •振动测试方法 • 船舶的防振与减振 •防止共振 •减小螺旋桨和主机的激励 2019/12/18•结构设计与其它减振措施
2019/12/18
5.2 板的振动
船板还可能与水或其它液体接触，因此在计算 时还需考虑单面或双面附连水质量的影响，附 连水质量使板的固有频率_____；
想一想
为什，在同一主 机营运工况下，有的板处于共振状态，或振动 很大，有的板却振动很小；
现象2：当主机转速改变后，可明显地改变振 动中心，某一块板可能停止振动，而另一块板 却可能振动起来。
机舱双层底和周围结构的振动模态在很大程度上取 决于主机和结构布置。
2019/12/18
机舱双层底的有限元模型(P176)
将机舱双层底的内底板、外底板、肋板和纵桁划分成 板单元；
基座面板和腹板、横隔板也划分成板单元； 主机气缸部分用壳单元，其余机架部分采用板单元； 2主019/机12/机18 架与基座连接的贯穿螺栓可假定为刚性连接。
b—板架或板的宽度（短边长）； k—系数，取决于板架或板的边长比。
2019/12/18
局部振动的附连水质量
ma k b (4.6)
若结构两面都与液体接触，则附连水质量值 2019为/12/式18 （4.6）的两倍。
板的固有频率估算
四边简支矩形板的首阶固有频率(Hz)：
f01
其次是分析与总振动的耦合作用： 若质量相对较小、频率相对较高，则可以 不考虑与总振动的耦合，分开计算； 反之，如上层建筑及尾机型船的尾部立体 分段，则应考虑与总振动的耦合作用。
2019/12/18
5.2 板的振动
船舶平板振动的研究和计算具有现实意义： 船体是由板和梁组成的，而且许多大型高 腹板梁也可以看成是由板组成的； 从船舶的实际振动情况来看，在机器和螺 旋桨工作区附近的船舶平板，常发生剧烈 的振动，特别是内河船舶，振裂事故屡见 不鲜； 振动标准和内河钢船建造规范都规定了上 述区域平板的允许振幅。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
船舶上层建筑振动包括两部分： 整个上层建筑在外界激励作用下沿船 长方向的纵向振动（也称上层建筑总 振动）； 上层建筑内部各部分板架、板和骨架 （即梁）等结构的局部振动。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
影响上层建筑总振动固有频率的主要因素： 上层建筑的弯曲、剪切刚度及其分布； 上层建筑质量及其分布； 上层建筑总高度及主船体对上层建筑支承刚度。
2019/12/18
局部振动的附连水质量
对于局部振动计算，若结构与液体接触 （如船底板架与船底板及液体舱的舱壁 等），当这些结构振动时，与它们相接 触的液体（水或油）也随同一起振动， 或者说这部分液体也吸收了振动能量；
需要按实际情况计入单面或双面附连水 质量，即为对应于局部结构的质量而增 加的虚质量；
第五章 船体局部振动
2019/12/18
5.1 局部振动的特点和计算
目前船舶上所出现的、影响船舶使用的振 动问题大部分是局部振动问题；
会妨碍设备、仪表的正常工作，影响船员 和旅客居住的舒适性；
常对船体局部强度产生很大的影响，甚至 可能使结构造成损伤。
2019/12/18
5.1 局部振动的特点和计算
2019/12/18
局部振动的附连水质量
大量的实验和计算表明：
局部结构的附连水质量甚至可达结构自身 质量的5～6倍，甚至更大些；
它对结构固有频率的影响相当大，在计算 时也必须计入。
2019/12/18
局部振动的附连水质量
对于一个表面与水相接触的板架或板，其单 位面积上的附连水质量为： ma kb
又由于刚度随着靠近尾端而逐渐 减小，故尾端振幅自然变大；
扇形振动
2019/12/18
混合有限元模型
第六章 船舶的主要振源
2019/12/18
6.1 概述
激起船体振动的主要激励源（也称振源）： 螺旋桨和主机 激起周期性激励，使船体发生稳态强迫振动
波浪的冲击、火炮发射的后座力，抛锚等引起的激 励是非周期性的，对船体的作用时间短，只引起船 体的____振动。
2019/12/18
螺旋桨轴频激励
引起螺旋桨轴频激励的原因： 机械静力不平衡； 机械动力不平衡； 水动力不平衡。
螺旋桨的静力平衡和动力平衡 统称为螺旋桨的机械平衡。
2019/12/18
螺旋桨静力不平衡
螺旋桨制造偏差，如加工不准确，材料不均 匀，桨叶形状不同等，都会引起各桨叶质量 不等，而使螺旋桨的质心不在回转轴上，即 螺旋桨静力不平衡；
2019/12/18
6.2 螺旋桨激励
螺旋桨工作时所引起的激励很复杂： 与螺旋桨的形状参数、船体（包括附属体） 后体线型和航速等有关
按激励的频率，螺旋桨的激励可分为两类： 轴频激励（一阶激励）：其频率等于桨轴的 转速； 叶频激励（倍叶激励）：是螺旋桨诱导的高 频激励，其激励频率等于桨轴转速乘以桨叶 数或桨叶倍数。