第五六七章 船体局部振动、主要振源、振动评价防振与减振
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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
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。
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
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；
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)；
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
常见的几种有限元模型： 上层建筑的三维有限元模型； 包括整个船体尾段在内的上层建筑三维有限元 模型； 全船三维有限元模型。
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)。
2.45
10
6
h
1 a2
1 b2
式中：a,b,h—板的长边长度、短边长度、厚度(mm)
四边固定矩形板的首阶固有频率(Hz)：
f01
5.4
10
6
h
1 a2
1 b2
由纵横骨架支持的船上矩形连续板首阶固有频
率(Hz)：
2019/12/18
f01
3.08
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。
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。
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。
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；
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。
主讲：夏利娟
Email: xialj@sjtu.edu.cn
2019/12/18
回顾过去
• 船体振动的分类 • 附连水质量 • 影响船体总振动固有频率的参数及其确定 • 船体总振动固有频率的特点 • 船体总振动的近似计算
• 设计初期的近似估算 • 设计后期的详细计算
2019/12/18
新的篇章（1）
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
5.3 船舶上层建筑的振动
尾上层建筑 高度较高，纵向固有频率较低； 应计及与船体总振动高阶模态的耦合作用；
对于层数较多、长度较短的上层建筑，相当于 悬臂梁，其纵向振动频率降低，常与螺旋桨叶 频及主机高阶激励频率相接近，引起上层建筑 纵向振动（亦即上层建筑总振动）将较大。
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
2019/12/18
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：
2019/12/18
上层建筑整体振动的有限元法
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。
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；
边界条件： 对甲板结构的四周围壁、内部钢质隔 壁处，限制垂向线位移和沿壁面方向 的角位移； 对于上下贯通的支柱处仅限制垂向线 位移。
2019/12/18
5.4 双层底的振动
机舱是主机激励直接作用区，双层底结构是主机的 基础。
若机舱双层底结构设计不合理，则将导致主机振动， 也会造成双层底结构疲劳破坏。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
上层建筑对船体的弹性质量效应可引起两种振型：
上层建筑和船体振动同相位的振型；
不同相位的振型；
图1-12
这取决于激励频率与上层建筑 固有频率之间的大小关系：
若 / n 1 ，则位移与激 励同相位（差一相角θ ）；
若 1 ，则相位相反。
• 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
为什么？
现象1：机舱内结构尺寸相同的板，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பைடு நூலகம்能停止振动，而另一块板 却可能振动起来。
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
机舱双层底有限元模型的边界条件
为了较准确地计算出主机机架和双层底系统的固有频 率和固有振型，可将舷侧结构计入该系统；
假定舷侧肋骨上端与主甲板交点处为简支或固定边界 条件；
机舱双层底的前端和后端各向外伸出一个舱段，延长 2的019/底12/部18 结构其边界条件可假定为简支或固支。
5.5 尾部振动
f —上层建筑整体纵向固有频率(Hz)；
fa—上层建筑根部固定时剪弯固有频率(Hz)； fb—上层建筑本身视作刚体，后端有弹性支承时回
转振动固有频率(Hz)。
2019/12/18
上层建筑纵向振动频率的近似估算
fa
1 4
GAs C HM
As—剪切面积(m2)；H—上层建筑高度(m)； M—上层建筑的质量(Kg)；
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
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
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。
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
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；
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)；
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
常见的几种有限元模型： 上层建筑的三维有限元模型； 包括整个船体尾段在内的上层建筑三维有限元 模型； 全船三维有限元模型。
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)。
2.45
10
6
h
1 a2
1 b2
式中：a,b,h—板的长边长度、短边长度、厚度(mm)
四边固定矩形板的首阶固有频率(Hz)：
f01
5.4
10
6
h
1 a2
1 b2
由纵横骨架支持的船上矩形连续板首阶固有频
率(Hz)：
2019/12/18
f01
3.08
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。
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。
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。
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；
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。
主讲：夏利娟
Email: xialj@sjtu.edu.cn
2019/12/18
回顾过去
• 船体振动的分类 • 附连水质量 • 影响船体总振动固有频率的参数及其确定 • 船体总振动固有频率的特点 • 船体总振动的近似计算
• 设计初期的近似估算 • 设计后期的详细计算
2019/12/18
新的篇章（1）
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
5.3 船舶上层建筑的振动
尾上层建筑 高度较高，纵向固有频率较低； 应计及与船体总振动高阶模态的耦合作用；
对于层数较多、长度较短的上层建筑，相当于 悬臂梁，其纵向振动频率降低，常与螺旋桨叶 频及主机高阶激励频率相接近，引起上层建筑 纵向振动（亦即上层建筑总振动）将较大。
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
2019/12/18
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：
2019/12/18
上层建筑整体振动的有限元法
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。
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；
边界条件： 对甲板结构的四周围壁、内部钢质隔 壁处，限制垂向线位移和沿壁面方向 的角位移； 对于上下贯通的支柱处仅限制垂向线 位移。
2019/12/18
5.4 双层底的振动
机舱是主机激励直接作用区，双层底结构是主机的 基础。
若机舱双层底结构设计不合理，则将导致主机振动， 也会造成双层底结构疲劳破坏。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
上层建筑对船体的弹性质量效应可引起两种振型：
上层建筑和船体振动同相位的振型；
不同相位的振型；
图1-12
这取决于激励频率与上层建筑 固有频率之间的大小关系：
若 / n 1 ，则位移与激 励同相位（差一相角θ ）；
若 1 ，则相位相反。
• 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
为什么？
现象1：机舱内结构尺寸相同的板，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பைடு நூலகம்能停止振动，而另一块板 却可能振动起来。
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
机舱双层底有限元模型的边界条件
为了较准确地计算出主机机架和双层底系统的固有频 率和固有振型，可将舷侧结构计入该系统；
假定舷侧肋骨上端与主甲板交点处为简支或固定边界 条件；
机舱双层底的前端和后端各向外伸出一个舱段，延长 2的019/底12/部18 结构其边界条件可假定为简支或固支。
5.5 尾部振动
f —上层建筑整体纵向固有频率(Hz)；
fa—上层建筑根部固定时剪弯固有频率(Hz)； fb—上层建筑本身视作刚体，后端有弹性支承时回
转振动固有频率(Hz)。
2019/12/18
上层建筑纵向振动频率的近似估算
fa
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GAs C HM
As—剪切面积(m2)；H—上层建筑高度(m)； M—上层建筑的质量(Kg)；
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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。
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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。
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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)：
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