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。

14.转动惯量和剪切变形对梁固有频率的影响：从物理意义上说，剪切的作用使系统的刚度下

降，转动惯量使系统的有效质量增加，这两方面的影响均使系统的固有频率降低。其中剪切的影响大于转动惯量的影响。

15.船体总振动：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。

16.局部振动：船体局部结构，如板架、梁、板等对于整个船体所作的附加振动称为局部振动。

（1）垂向振动：平行于垂向轴的的直线振动（2）横向振动：平行于左右方向的水平振动（3）纵向振动：平行于首尾方向的水平振动。

17.随机振动：这种在任何未来时刻表征振动物理量的瞬时值不能预先精确地加以判断的非周

期性的持续振动；波击振动：当波浪的遭遇频率与船体的首谐垂向固有频率相等时，会出现由波浪对船体的非冲击性水动力作用引起的全船稳态垂向垂向两节点振动；浪击振动：是非周期性的振动，是船体受波浪冲击而出现的弯曲振动现象。

18.节点：船体总振动时振幅为零的横截面（较高谐调的主振动具有较多的节点，较高的频率，

较短的周期；较低谐调的主振动具有较少的节点，较低的频率，较长的周期。）

19.船体总振动阻尼的特点：当激振力的频率与船体振动的某一固有频率相等时，船体将发生

共振，第一谐调共振时，峰值最高而且曲线很陡，随着阶数的增加，共振时峰值越来越小，曲线也越来越平坦，船体总振动的阻尼与振动频率有关，频率越高，阻尼越大。

20.船体总振动减少的原理：改变结构的固有频率或激励频率以避免共振；减小激励的幅值与

减小激励的传递以降低强迫振动的程度；增加结构刚度和阻尼以降低响应等。

21.舷外水对船体总振动的影响：（1）重力的影响：归结为船体所受浮力的变化，或者说是船

体梁振动时如同在一个弹性基础梁上一样；（2）阻尼的影响：是指舷外水给船体振动以介质阻尼使船体振动衰减的影响；（3）惯性的影响：反映在参与船体振动的等效质量的改变。

22.估算船体自由振动频率的必要性：在船舶设计初期，为避开低谐共振，在选择主机，决定

船体主尺度时，就需要对船体梁的固有频率进行估算。

23.船体振动的危害：（1）使船体结构或机械部件在应力过大部位产生疲劳破坏，影响航行安

全，（2）影响船员和旅客的居住舒适性，影响船员的工作效率，甚至身体健康；（3）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。

24.船体振动产生的原因：外因：船体作为一个自由漂浮在水上的空心弹性梁，在营运过程中

必然会受到各种激励如螺旋桨激励、柴油机激励、波浪激励作用，激起船体的总振动和局部振动；内因：船体结构的响应。

25.螺旋桨轴频干扰力：（螺旋桨工作时所引起的干扰力与螺旋桨的形状参数，船体（包括附

体）后体线型和航速有关）轴频干扰力即螺旋桨的干扰频率等于桨轴转速的一阶干扰力；

叶频干扰力是干扰频率等于桨轴转速n乘以桨叶数Z或桨叶数倍数的高阶干扰力。引起轴频干扰力的原因是螺旋桨的机械静力不平衡，机械动力不平衡及水动力不平衡。26.螺旋桨叶频干扰力矩：螺旋桨诱导的高频激励，其频率等于桨轴转速n乘以桨叶数Z或

桨叶倍数，也称叶频激励或倍叶激励。它与螺旋桨的制造质量无关，可分为两类：一是螺旋桨转动时经水传至船体表面的脉动水压力，称为螺旋桨脉动压力（螺旋桨脉动压力的产生是因为载荷效应和叶厚效应，其大小的影响因素主要是螺旋桨叶梢与尾壳板之间的间隙的大小及螺旋桨的叶数，它作用的范围主要是螺旋桨正上方的外板），其船体沿表面的积分值称为表面力;二是螺旋桨在船后工作时，由于伴流在周向分布的不均匀性，使作用在桨叶上的流体力发生变化而引起激振力，因它通过桨轴和轴承作用于船体故称轴承力。27.主机不平衡力和力矩：主机是往复式运动机械，因此存在着不平衡力和力矩。作用在船体

上的激振力主要有两种：一是运动部件的惯性力产生的不平衡力和力矩。二是气缸内气体爆炸压力产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾覆力矩。

28.主动侧向力和倾覆力矩：气缸内气体爆炸压力产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾覆力矩。

29.强迫振动的因素：强迫振动，不论对总体或局部结构，其振动大小除和激振力大小有关外，

还和结构本身的刚度、质量和阻尼有关。其中以刚度影响最大，刚度小者则振动大。30.船上板的振动特性：船上板是由骨架支持的连续板，边界条件：弹性固定；船上板存在初

始缺陷，船上有些板单面或双面与水接触，船底外板、甲板等存在中面力；相同尺寸的板固有频率会不同。

31.减小船体振动的措施；一、防止共振。应使船体结构的固有频率与激励频率保持一定的差

距，即使船体结构具有一定的频率储备。二、尾型与螺旋桨。使螺旋桨来流和去流畅顺，尽可能避免涡旋的形成，使伴流尽可能均匀。单桨船U型尾的轴向伴流较V型尾均匀，球型尾和开式尾间隙大，伴流变化小，脉动压力小，推力系数高。三、柴油机及其减振。

柴油机是引起船体振动的主要激励源之一。在满足功率、转速、尺寸、质量等指标的情况下，应注意选择具有较小不平衡力和不平衡力矩的柴油机作为主机。柴油机的缸数越多，其一般平衡性就好。选择主机还要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。近年来随着巨型船舶的发展，主机功率的增大以及尾机型船舶越来越来多，这就使得主机和螺旋桨两种激励源集中到一起，因此还要特别注意他们的阶次和相位，是否将激起船体的剧烈振动。四、结构设计与其它减振措施。为了提高固有频率，防止共振的发生，并减小强迫振动的振幅，在结构设计时应注意补偿所损失的刚度。补偿垂向惯性矩的办法是设置从一舷到另一舷，并有大量纵向板的尾楼；补偿水平惯性矩则可设置平台；为了补偿剪切刚度，则可在整个机舱长度上设置边舱。尾悬体在舵