螺旋桨激励力下的舰船振动特性分析
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进 的方 式航 行。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；螺旋桨；脉动压力；螺旋桨激励力；振动
中 图分 类 号 ：Ｕ ６． ６１４ ６
文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
近年 来 ，随 着船 舶 的大 型化 、快 速化 及 高强度 钢 在船 舶建 造 中 的大 量 使用 ，船 舶 的振动 问题 受 到 越来 越 广泛 的关 注 ＿ ，特别 是 作为船 体 主要 振动源 和 噪声源 之 一 的螺旋 桨 引起 的船体 振动 ［更 是设计 ｌ Ｊ ３ ］
５卷 ２
第 ２期（ 第 １５期 ） 总 ９
中
国
造
船
Ｖｏ ．２ Ｎｏ ２ （ ｅ ｉｌ １ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ １ ５ ．９ ）
Ｊ ｎ ． ０１ ｕｅ２ １
２１年 ６月 ０１
Ｓ Ｉ Ｂ Ｉ ＤＩ ＦＣ Ｎ Ａ Ｈ Ｐ Ｕ Ｌ ＮＧ Ｏ ＨＩ
文 章 编 号 ： １０ ．８２ （０ １ ２０ ０ ．８ ００４ ８ ２ １ ）０ ．０ ８０
＝ ・
Ｓ ＨＰ／ ＯＤ） （ｎ Ｉ
（ ２）
式 中：
为 与桨 叶有 关 的系 数 。
１ 船 舶结 构 的振 动 响应 ． ２ 将 船 体结 构 离散 为有 限个 自由度 后 ， 可用 多 自由度 系 统振 动微 分方 程 的一般 形式 来描 述其 振动 。 便 对 于 多 自由度 系 统 的振动 ］ 振动 微分 方程 可描 述 为 ，其
１ 理 论 基 础
１１ 螺旋 桨激 励 力 ． 螺 旋桨激 扰 力十分 复杂 ［６ ４］ 常 ，螺 旋桨 激励 力按 激励 频率 可分 为两类 ８ －，通 ＿：一 类是 轴频 激励 力 ， ］ 即螺旋 桨 的激 扰 频率 等于 桨轴转 速 的一 阶激励 力 ；另 一类则 是激 扰频 率等 于桨 轴转速 ｎ乘 以桨 叶数 ｚ 或 桨 叶数倍 数 的高阶激 励 力 ，称 为 叶频激 励 力或倍 叶频 激励 力 。 影 响 叶频激 励力 和轴 承力 的 因素很 多 ，一般情 况 下可采 用近 似方 法估 算 。高桥 肇建 议船 舶设 计阶
螺旋 桨激励 力下 的舰船振 动特性分析
朱 理 ，庞福振 ，康逢辉
（． １ 海军驻无锡地 区军事代表局 ，无锡 ２４６ ； １０１
２ 哈 尔滨工程 大学 水下机 器人 国防重点实验 室，哈 尔滨 １ ０ ０ ） ． ５ ０ １
摘
要
考虑 螺旋桨脉 动压 力与轴承力 的影响 ，开展 了螺旋桨激励 力对舰船振 动的影响研 究；分析 了 某舰船 在 最大航速 、巡航 速度 下等不 同航行 状态下 的舰船 振动 ，得 到 了不 同航行状 态下舰船 的振动响应 ；计 算结果 表 明： 高航 速下螺旋桨 激励力对舰船 的振 动有 一定影响 ，低 速时螺旋桨 激励力对舰船 的振动影响不 大；对 于 同一航速 而言 ，双桨 同 时工作 较四桨 同时工 作时 的振 动偏 大，从减小 振动角度 出发 ，宜采用 四桨 同时推
尸 ＝ ． ３ ｐ ・ Ｐ／ Ｄ ） ｍ ５ ７Ｋ ｏＳ （ ７ Ｈ ｎ
ｏ
Fra Baidu bibliotek
（ ） １
式 中：Ｓ ＨＰ为螺 旋 桨轴 功率 （ ） 为轴 转速 ，ｒ ｎ １ ； ／ ；Ｄ 为 螺旋桨 直 径 ，ｍ ； ｇ ｐ 为无 因次 系数 。 ｍｉ 而 设 计阶 段垂 向轴 承 力幅 值可 由式 （ ）给 出： ２
［ 】 ｝ ［ ］ ｝ ［ ｛｝ ｛ ｝ Ｍ ｛ ＋ Ｃ ｛ ＋ Ｋ］ ＝ 厂
一
（） ３
般 情况 下 系统 的 阻尼 阵［ ｑ不 能对 角化 ，如 假 设 阻尼 为 Ｒ ｙｅｇ ａｌｉｈ阻尼 ，即 ：
［ ＝ａＭ 】 Ｎ Ｉ］ Ｃ］ ［ ＋ ￣
则 ，方程 （ ）可 变 为 ３
（） ５
（） ６
这样就可实现系统的解耦 。在求得系统主坐标下的响应 ｛） ， ｚ 后 采用变换 ｛ ｝ ｛） ＝ｅ ｚ 即可求得舰船的振
动 响应 。
２ 螺旋桨激励 下舰 船振动 的计算模型
２ 计算模型简介 ． １
本 文 的研 究对 象为 一大 型船 舶 （ 图 １ 示 ） 如 所 ，该 舰主 船体 及上 层建 筑 均具有 多层 甲板 ；由于 排水
收 稿 日期 ：２ １．８０ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ １—１ ７ ０００ —９ ００１— ０
５ ２卷
第 ２期
（ 第 １５期 ） 总 ９
朱
理 ，等 ：螺旋 桨激 励力 下 的舰 船振动 特 性分析
９
段 ，无 空泡 时螺旋 浆最 大 脉动 压力 Ｐ ，Ｋ ，可 由公式 （ ）给 出 ： ｍ ｎ １
人 员和 使用 人 员关注 的焦 点 ；因此 ，开 展螺 旋桨 对舰 船振 动 的影 响分 析 ，为舰 船 设计提 供参 考 依据 ，
对于 舰船 的设 计 具有十 分 重要 的意义 。 由于船 体结 构 是 由纵 骨 、横梁 、实肋 板 、肋 骨 、舱壁 和 甲板 等结 构体 组成 的复 杂 结构 ，加之 船 舶 种类 繁 多 、尺度 差 异甚 大 ，使得 螺 旋桨激 励 力 引起 的舰船 振动 的理论 分析 变得 十分 困难 ；而 实 船试验 费用 高 昂，且测 量精 度 易受 试验 设 备及试 验 环境 的 限制 。随着 计 算机 技术 和有 限元 技 术 的长 足 发展 ， 船体 的总振 动和 局 部动 响应 的数 值预 报方 法 已 日趋成 熟 ， 因此 ，螺旋 桨激 励 力引起 的舰 船振 动 响应 可 借助 数值 手段 完 成 ，本 文 即采用 数值 分析 手段 对某 舰船 在螺 旋桨 激励 力载荷 下 的响应 进行 了分 析 。
（） ４
［ 】戈 ＋（ Ｅ ］ 【 ） ｝ Ｋ］ ｝ ｆ Ｍ ｛ ） ａＭ ＋ 】｛ ＋［ ｛ ＝｛ ｝ 运用主坐标变换： ｛ ｝ ｅ ｚ 后有 ： ＝ ｛）
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关 键 词 ：船舶、舰船工程；螺旋桨；脉动压力；螺旋桨激励力；振动
中 图分 类 号 ：Ｕ ６． ６１４ ６
文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
近年 来 ，随 着船 舶 的大 型化 、快 速化 及 高强度 钢 在船 舶建 造 中 的大 量 使用 ，船 舶 的振动 问题 受 到 越来 越 广泛 的关 注 ＿ ，特别 是 作为船 体 主要 振动源 和 噪声源 之 一 的螺旋 桨 引起 的船体 振动 ［更 是设计 ｌ Ｊ ３ ］
５卷 ２
第 ２期（ 第 １５期 ） 总 ９
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２１年 ６月 ０１
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（ ２）
式 中：
为 与桨 叶有 关 的系 数 。
１ 船 舶结 构 的振 动 响应 ． ２ 将 船 体结 构 离散 为有 限个 自由度 后 ， 可用 多 自由度 系 统振 动微 分方 程 的一般 形式 来描 述其 振动 。 便 对 于 多 自由度 系 统 的振动 ］ 振动 微分 方程 可描 述 为 ，其
１ 理 论 基 础
１１ 螺旋 桨激 励 力 ． 螺 旋桨激 扰 力十分 复杂 ［６ ４］ 常 ，螺 旋桨 激励 力按 激励 频率 可分 为两类 ８ －，通 ＿：一 类是 轴频 激励 力 ， ］ 即螺旋 桨 的激 扰 频率 等于 桨轴转 速 的一 阶激励 力 ；另 一类则 是激 扰频 率等 于桨 轴转速 ｎ乘 以桨 叶数 ｚ 或 桨 叶数倍 数 的高阶激 励 力 ，称 为 叶频激 励 力或倍 叶频 激励 力 。 影 响 叶频激 励力 和轴 承力 的 因素很 多 ，一般情 况 下可采 用近 似方 法估 算 。高桥 肇建 议船 舶设 计阶
螺旋 桨激励 力下 的舰船振 动特性分析
朱 理 ，庞福振 ，康逢辉
（． １ 海军驻无锡地 区军事代表局 ，无锡 ２４６ ； １０１
２ 哈 尔滨工程 大学 水下机 器人 国防重点实验 室，哈 尔滨 １ ０ ０ ） ． ５ ０ １
摘
要
考虑 螺旋桨脉 动压 力与轴承力 的影响 ，开展 了螺旋桨激励 力对舰船振 动的影响研 究；分析 了 某舰船 在 最大航速 、巡航 速度 下等不 同航行 状态下 的舰船 振动 ，得 到 了不 同航行状 态下舰船 的振动响应 ；计 算结果 表 明： 高航 速下螺旋桨 激励力对舰船 的振 动有 一定影响 ，低 速时螺旋桨 激励力对舰船 的振动影响不 大；对 于 同一航速 而言 ，双桨 同 时工作 较四桨 同时工 作时 的振 动偏 大，从减小 振动角度 出发 ，宜采用 四桨 同时推
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式 中：Ｓ ＨＰ为螺 旋 桨轴 功率 （ ） 为轴 转速 ，ｒ ｎ １ ； ／ ；Ｄ 为 螺旋桨 直 径 ，ｍ ； ｇ ｐ 为无 因次 系数 。 ｍｉ 而 设 计阶 段垂 向轴 承 力幅 值可 由式 （ ）给 出： ２
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这样就可实现系统的解耦 。在求得系统主坐标下的响应 ｛） ， ｚ 后 采用变换 ｛ ｝ ｛） ＝ｅ ｚ 即可求得舰船的振
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２ 螺旋桨激励 下舰 船振动 的计算模型
２ 计算模型简介 ． １
本 文 的研 究对 象为 一大 型船 舶 （ 图 １ 示 ） 如 所 ，该 舰主 船体 及上 层建 筑 均具有 多层 甲板 ；由于 排水
收 稿 日期 ：２ １．８０ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ １—１ ７ ０００ —９ ００１— ０
５ ２卷
第 ２期
（ 第 １５期 ） 总 ９
朱
理 ，等 ：螺旋 桨激 励力 下 的舰 船振动 特 性分析
９
段 ，无 空泡 时螺旋 浆最 大 脉动 压力 Ｐ ，Ｋ ，可 由公式 （ ）给 出 ： ｍ ｎ １
人 员和 使用 人 员关注 的焦 点 ；因此 ，开 展螺 旋桨 对舰 船振 动 的影 响分 析 ，为舰 船 设计提 供参 考 依据 ，
对于 舰船 的设 计 具有十 分 重要 的意义 。 由于船 体结 构 是 由纵 骨 、横梁 、实肋 板 、肋 骨 、舱壁 和 甲板 等结 构体 组成 的复 杂 结构 ，加之 船 舶 种类 繁 多 、尺度 差 异甚 大 ，使得 螺 旋桨激 励 力 引起 的舰船 振动 的理论 分析 变得 十分 困难 ；而 实 船试验 费用 高 昂，且测 量精 度 易受 试验 设 备及试 验 环境 的 限制 。随着 计 算机 技术 和有 限元 技 术 的长 足 发展 ， 船体 的总振 动和 局 部动 响应 的数 值预 报方 法 已 日趋成 熟 ， 因此 ，螺旋 桨激 励 力引起 的舰 船振 动 响应 可 借助 数值 手段 完 成 ，本 文 即采用 数值 分析 手段 对某 舰船 在螺 旋桨 激励 力载荷 下 的响应 进行 了分 析 。
（） ４
［ 】戈 ＋（ Ｅ ］ 【 ） ｝ Ｋ］ ｝ ｆ Ｍ ｛ ） ａＭ ＋ 】｛ ＋［ ｛ ＝｛ ｝ 运用主坐标变换： ｛ ｝ ｅ ｚ 后有 ： ＝ ｛）
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