船体结构振动发展现状

大连理工大学研究生院网络学刊
NETWORK JOURNAL OF GRADUATE SCHOOL OF DUT
船体振动发展现状
摘要：本文主要介绍了2000年以后在船体振动方面的新进展，从发表的论文中归纳出近几年研究船
体振动的新发展。

关键词：总振动；局部振动；参考文献；减振；
0 引言
当船舶在海上航行时，船体结构不可避免地会很出现振动现象。

早在19世纪后期，船体振动就引起了人们的注意。

近年来，随着航运事业的发展，船舶吨位越来越大，主机功率和转速不断提高，引起船体振动的激振力也相应地增大了。

同时，为了减小船舶构建的尺寸，减轻船体的重量，让人们广泛采用高强度钢作为造船材料，这样使得船体结构强度也跟着减小，就更易激起较大的船体振动。

1 船体总振动
计算结构的振动模态，必须首先确定力学模型和计算方法。

用于船体振动计算的力学模型主要有一维梁模型、二维平面模型、三维立体模型和混合模型。

计算方法主要有两类:一类以船梁理论为基础，一类以有限元法为基础。

根据文献“整船结构振动分析中的几个问题”（2006）大概可归纳出整船结构振动计算分析中涉及到的力学模型的建立、模型的结构参数、计算方法等3个问题的研究状况，具体如下：用于计算船舶整体结构振动的力学模型主要有：一维梁模型、双梁及三梁模型、二维平面模型、三维模型和混合模型。

结构参数包括附连水质量和结构的阻尼。

其中，计算附连水质量的主要方法有刘威士、陶德等人的计算公式和图谱的方法，利用Green函数的边界元法以及其它一些方法；结构的阻尼系数主要是由经验和试验获得，目前主要的试验方法有对数衰减法、响应曲线法、相位研究法(相频特性曲线法)、共振最大振幅法。

计算方法的类型主要有通用程序法（包括有限元法和边界元法）、自编程序法（包括有限元法、迁移矩阵法和边界元法）、简易公式法、数据库法。

1.1 关于船体的总振动计算
1.1.1“基于等效静力算法的船舶板架结构动力响应优化设计”（2009）：
文章本文提出了一种将等效静力优化算法和分级优化算法相结合的船舶板架结构动力响应优化方法。

首先利用ANSYS进行结构动力响应分析，以动荷载和等效静荷载产生相同的位移场为基础，将动荷载转化为一系列的等效静荷载；然后利用获得的等效静荷载，在MATLAB中采用分级优化算法，进行一系列的结构静力优化设计；最后再以静力优化得到的结构参数输入到ANSYS，进行下一轮结构动力响应分析，如此迭代直至获得收敛的优化结果计算结果表明，提出的优化方法大大减少了结构动力优化的计算时间，具有较好的收敛效率。

1.1.2“夹层结构振动声辐射特性研究”（2009）：
本文在前人工作的基础上，将芯层垂向压缩变形的影响引入到夹层结构的模型中来，并探讨了考虑芯层垂向压缩变形影响在夹层结构自由振动、响应计算中的合理性。

推导了一种考虑芯层垂向压缩变形影响的夹层梁的动态刚度矩阵，给动态刚度矩阵法提供了一种新的单元类型。

1.1.3“船体薄壁梁弯扭耦合振动的流固耦合分析”（2009）：
文章采用耦合有限元/边界元法计算水中船体的弯扭耦合振动。

文中用一维薄壁梁有限元模拟船体梁，在横剖面处用二维边界元方法计算结构表面声压，推导出表征流体对振动特性影响的附加质量阵，编制了用流固耦合方法求解船体振动模态的程序。

通过与采用ANSYS软件进行耦合场分析以及刘易
第一作者等：文章题目（如黄国平：利用边条涡抑制Y形进气道流场畸变）
斯方法得到的振动模态相比较，验证了文中方法的可行性和应用性。

1.1.4“横向加强构件作用下开口薄壁船体的振动分析”（2008）：
本文主要介绍了薄壁船体的弯扭耦合振动问题，并在此基础上通过使用传递矩阵法来分析大开口薄壁船体中有横向加强构件作用下的结构振动问题。

通过编制分析程序，和有限元法进行比较，进而来证实本文所述的方法的有效性和可靠性。

1.1.5“动态刚度阵法在船体总振动计算中的应用”（2007）：
文章采用动态刚度阵法计算船体总振动的固有频率。

该方法不但能简化计算模型，而且能获得较高精度的高阶固有频率。

首先通过直接求解等直Timoshenko梁单元的运动微分方程，导出考虑剪切变形和转动惯量影响的平面梁单元动态刚度阵的解析表达形式；其次采用Wittrick-Williams算法结合二分法求解特征值；最后采用本方法计算299500DWT超大型油船船体总振动的固有频率，并分别与一维梁有限元法和三维全船有限元法计算结果以及实测值进行比较，验证了方法的精确性和有效性。

1.1.6“船舶总振动建模方法研究”（2006）：
该文献中，构造了一个由板单元和膜单元建立的薄壁箱梁模型，通过对简单薄壁箱梁结构的一维梁模型和三维空间箱梁模型的固有频率计算和比较后，提出了一种考虑剪切滞后影响的新的频率修正系数，应用到船体总振动特性计算中，提高了船体一维梁模型计算固有频率的精度。

1.1.7“带液舱水面船舶振动和声辐射的计算与分析”（2005）：
对于大型油船或其它设置液舱的水面船舶，船内液体介质对船体振动和舷外水中声辐射的影响不容忽视。

本文首先给出了矩形剖面液腔中水对弹性底板振动影响的附连水质量计算公式，定性分析了不同波数范围液腔流体介质附连水质量的变化，以及声腔模态与结构振动模态的耦合；运用NASTRAN软件的“虚质量”计算和结构模拟分析功能，完成内、外均有流体载荷作用时船体振动的湿模态分析及尾部给定激励下的振动响应计算；采用边界元计算方法和水面反对称声学边界条件，运用SYSNOISE软件完成船舶的水下声场和辐射声功率的计算。

结果表明，在所计算频率范围的高频区间，液舱中高水位的液体增大了船体的局部振动和水下噪声。

1.1.8 “结构物动态载荷识别时域方法研究”（2004）：
针对模态参数辨识、动态载荷识别的频域方法较为成熟，但频域法中数据变换带来的截断误差却无法避免的现状，着重对模态参数辨识，尤其是动态载荷识别的时域方法作了一定的探讨。

为那些无法直接测量外部载荷的结构系统提供了一种动态载荷识别的有效方法。

1.1.9“大型及超大型油船总体振动分析方法研究”（1997）：
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;同时将多梁模型与常用的单梁模型、经验公式进行了比较.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有更好的逼近.这为大型船舶总体振动预报提供了一个实用的方法.
1.2 关于船体总振动的减振
1.2.1“30000t大湖型散货船有害振动的诊断及治理”（2009）：
文章针对30000t大湖型散货船有害振动问题，通过振动测试、模型试验和三维有限元计算，找出主要的激励源是螺旋桨诱导的脉动压力，并准确进行了艉部伴流场评估和脉动压力预报。

最后从船体结构上采取合理优化的减振措施，获得了明显的减振效果，使该船得以顺利交船。

同时在船舶振动诊断与治理方面，取得了有益的经验，并对今后的船舶减振设计提出建议。

1.2.2“排水型方尾船加装尾板前后振动性能分析”（2005）：
文章采用大型通用有限元分析软件和流体边界元方法,对某排水型方尾船加装尾板前后的总体振动特性和尾部振动响应进行了分析计算和比较,得出了加装尾板对该型船总体振动特性和尾部振动响应影响很小的结论.
1.3 新船型的振动问题
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1.3.1“铝合金穿浪双体船波激振动响应计算研究”（2010）：
文章对穿浪型双体船在波浪中航行时的受载状况进行研究，采用规则波理论计算其所受波浪外载荷。

利用有限元法建立了铝合金穿浪双体船波激振动响应数值计算模型。

基于水弹性理论，采用所建立的数值模型对某全铝合金穿浪双体船高海情试验进行了数值模拟，将数值模拟结果与实船试验数据进行了比较，证明本文方法可靠。

进行了该船受6级海况波浪激励的振动响应计算，发现全铝合金穿浪双体船波激振动位移响应较大，远大于常规单体船。

还发现高海情中航行时的波激振动应力响应值亦较大。

1.3.2“小水线面双体船船体总振动固有频率预报研究”（2009）：
本文采用三维有限元模型对该船船体总振动进行计算，得到船体垂向、横向和扭转固有频率，并与船体主要干扰力频率进行比较，按相关规范对计算结果进行了分析。

1.3.3“基于多梁模型的三体船波激响应”（2009）：
本文将铁木辛柯梁理论与迁移矩阵法相结合，运用到三体船水弹性分析中，总结出一个较为理想的分析多体船的方法。

通过分析单个船体梁，利用迁移矩阵法将三个船体梁考虑成一个整体来求解，在干模态下分析振动问题，并将波浪力简化成节点力的形式，从而求得固有频率。

1.3.4“双体穿浪船船体振动特性分析”（2006）：
文章针对非常规船型的双体穿浪船,应用整船有限元模型进行了船体总振动和局部振动的计算分析,得到了有别于常规船型的复杂的双体船振动特性,并据此提出了一些双体船的减振对策。

1.3.5“不对称船体结构的非线性响应研究”（2003）：
文章提到了针对计算常规船舶结构动态特性的方法不适用于左右不对称横剖面船体梁动态特性的问题，本文将船体视为薄壁梁并离散成梁段，采用迁移矩阵法，在考虑剪切效应、转动惯量和翘曲影响下，推导出迭代求解破损结构的固有频率和固有振型的公式系统的多种点迁移矩阵和场迁移矩阵，分析并计算了破损程度对结构的弯扭藕合振动的影响。

通过计算实例，证明了用迁移矩阵式法求解不对称结构的动态特性是可行的。

1.4 补充
文献“9000马力远洋拖船总振动及局部结构强度分析”（2005）利用迁移矩阵法对9000马力远洋拖船进行了自由振动频率的计算；
文献“大型自卸船船体振动研究”（2003）着重介绍了大型自卸船在不同的设计阶段的船体振动予报与控制，评判标准是采用ISO6954的标准；
文献“内河肥大型集装箱船的船体振动及消振方法”（2002）针对内河肥大型集装箱船(方形系数大于0.8)存在的船艉振动问题，提出要在船艉线型设计中兼顾纵剖面线与水线的平顺,螺旋桨设计应作特殊考虑；
文献“集装箱船振动及响应分析”（2004）以6800t多用途集装箱船为目标船。

建立全船结构三维有限元模型，用频率响应方法进行精确的船体结构振动响应特性预报，得到结构速度和加速度响应峰值。

计算采用MSC/NASTRAN程序；
文献“用混合有限元模型分析船体振动问题研究”（2004）对混合有限元模型应用于船体振动分析的方法进行了讨论，并建立了某船的混合有限元模型，分别对其船体总振动和局部振动进行了计算。

2 船体局部振动
船上出现的许多影响船舶使用的振动问题是由船体局部结构产生的振动所引起的。

船体的局部震动不仅会妨碍船上各种设备和仪表的正常工作，也会使船上人员感到疲劳影响舒适性，而且可能对船体局部强度产生很大的影响，甚至导致结构的损坏。

局部振动大多数是由梁、杆及其组合构成的。

分析时，通常是对上述单独构件或它们的组合结构
第一作者等：文章题目（如黄国平：利用边条涡抑制Y形进气道流场畸变）
来进行的。

2.1 关于船体的局部振动计算
2.1.1“2750TEU集装箱船的局部振动评估”（2008）：
文章通过半解析法和有限元法对一艘2750TEU集装箱船进行了机舱、尾部及甲板室的局部振动预报，包括板格、筋和板架的首阶固有频率以及罗经甲板和舷侧板架的固有频率和振动模态。

计算表明，2750TEU集装箱船的局部振动性能良好，满足亚临界动态设计的设计衡准。

指出对采用低速机的船舶而言，用亚临界动态设计方法是可行的。

2.1.2“机舱区域底部板架振动计算研究”（2006）：
文章根据影响机舱底部板架振动模态的各种因素，建立不同范围、边界条件的有限元模型进行振动模态分析，探讨了机舱底部板架模态计算有限元分析方法，得出了一些具有实用价值的结论。

2.1.3“桅杆振动计算边界条件研究”（2005）：
文章通过对多种边界条件的模型进行振动模态计算，探讨了影响桅杆一阶振动频率的因素，并且通过增加弹簧支撑来代替桅杆底部和侧面的支撑船体结构，结果令人满意。

同时探讨了一种更加简化的桅杆模型来进行振动模态计算，使计算量大大减少，方便了桅杆设计。

2.1.4“船体板梁组合结构频率禁区动力优化研究”（2005）：
准确预报各甲板的局部振动固有特性具有重要意义。

在准确预报各甲板的局部振动固有特性的基础上，如何合理的设计各部分结构，以错开频率禁区、避免共振发生，又是一个至关重要的问题。

以往对结构的动力设计都是凭经验，采用试凑的方法进行的，这种方法费时、费力，还不一定能找到最佳方案。

本文提出船体板梁组合结构频率禁区动力优化设计的方法，从动力学的角度找到了结构避开频率禁区的最优解，节省了设计时间、节约了造船成本。

2.1.5“船舶上层建筑整体纵向固有频率算法研究”（2001）：
将上层建筑视为弹性固定在主船体上的阶梯形变断而高腹梁，采用力学方法推导出了上层建筑整体纵向振动固有频率公式。

推导中，仍将上层建筑整体纵向固有频率视为由下述两部分串联合成：上层建筑根部刚性固定在主船体上的剪弯振动固有频率；上层建筑根部弹性固定在主船体上的刚体转动固有频率。

本文重点研究了上层建筑刚体转动固有频率算法。

经实船振动测试，证明本文提出的算法是可行的。

2.1.6“船舶尾板振动性能研究”（2000）：
船舶尾板能改善舰部伴流是提高船舶航速的有效措施之一。

本文通过应用有限元法和流体边界元法对船舶尾板的振动性能作较全面的分析研究，从而了解尾板自身的振动特性以及尾板对船体结构振动响应的影响，为尾板的设计提供结构动力性能方面的依据。

2.1.7“舰艇结构局部振动计算模型研究”（2000）：
文章对舰艇结构局部振动计算模型进行较全面的分析研究，探讨了建立振动计算模型的一些关键性问题，同时结合我国新一代舰艇的设计和建造，充分考虑了多种舰艇结构局部振动的特点及其规律性，具体分析了各种舰艇结构的计算模型。

根据所建立的计算模型，可对舰艇结构局部振动性能进行预报。

2.1.8“舰船尾部振动分析整船混合有限元模型的集成方法研究”（1999）：
文章对舰船尾部振动分析中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分析、比较，提出了一个较为简便、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，得出了满意的结果。

本文结论可推广到采用整船混合有限元离散模型对舰船总体振动和局部振动的分析计算中。

2.2 关于船体局部振动的减振
2.2.1“基于光纤光栅传感的浮筏筏体变形分布式测量”（2010）：
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本文旨在通过对常规浮筏建立有限元理论模型，并进行仿真计算得到系统的动力学特性，从而分析了浮筏结构的非刚性对系统隔振效果的影响。

针对结构简化后有限元模型的有效性问题，通过模态实验对板式筏体结构理论计算结果进行了验证。

提出了一种依据有限元计算结果确定光纤光栅传感器安装位置的方法，并对结构动态应变进行了分布式测量，为深入研究系统的隔振特性、隔振器的合理布置和控制参数的设定提供了依据。

2.2.2“浮筏隔振装置参数对船舶振动与声辐射特性的影响分析”（2008）：
本文针对某型船舶机舱段浮筏隔振装置，采用有限元结合边界元方法，计算分析浮筏隔振装置系统参数的变化对船体振动传递及水下声辐射的影响，对优化浮筏隔振装置系统设计具有一定的借鉴意义。

2.2.3“浮筏隔振系统隔振特性与筏体拓扑优化研究”（2007）：
本文用有限元法深入对浮筏隔振系统中影响隔振效果的各因素进行了探讨，研究了不同筏体结构对隔振效果的影响，并根据给定的筏体设计空间对筏体结构进行拓扑优化。

2.2.4“舰船减振浮筏动力特性研究”（2005）：
论文以舰船浮筏隔振系统为研究对象，在初步掌握系统隔振机理和结构有限元的基础上，通过理论计算并结合实验，研究了舰船浮筏主要结构参数对系统隔振性能的影响。

2.2.5“沿海小型旅游观光船艉部结构振动与减振”（2004）：
文章解决已投人营运的小型旅游船的振动问题，通过舰部整流减小螺旋桨激振力是行之有效的方法之一。

2.2.6“减小船体艉部振动的动力吸振器研究”（2001）：
文章采用有限元法研究了动力吸振器减小船体梁结构谐波振动响应的有效性。

在本文研究中利用其它文献给出的最优调谐参数，采用直接法计算谐波激励下船体结构的频率响应特征。

本文分析了动力吸振器三种不同配置的情况，用来研究它们对减小船体谐波响应的敏感性和适用性，为动力吸振器的实船应用提供了理论依据。

3 其他
3.1 关于海洋平台的振动
3.1.1“一种海洋平台甲板结构有频率约束的动力拓扑优化方法”（2007）：
文章利用浙进优化的原理进行海洋平台甲板结构的动力优化。

对海洋平台甲板建立具有频率禁区约束的结构动力优化设计的三维有限元模型；计算原结构的灵敏度，采用在灵敏度高的区域，加强原构件及增加构件的方法，使结构避开频率禁区，避免共振;在此基础上，通过删除构件，改变结构的拓扑形状，对结构进行渐进优化。

可达到满足结构动力要求，减小结构质量的目的。

3.1.2“ETMD减振系统及其在海洋平台振动控制中的应用”（2006）：
扩展调谐质量阻尼器(ETMD)减振系统是TMD减振系统的延伸，是利用装置内部设备进行装置振动被动控制的技术。

理论分析表明，随着ETMD与剩余平台质量比和频率比的增加，振动控制的频率使用范围扩大，共振的频带缩小。

3.1.3“水深对超大型FPSO水弹性响应的影响”（2006）：
文章结合三维势流理论和有限水深复合格林函数，计算了浅水超大型浮式生产储油系统(FPSO)水弹性响应。

该方法首先实现有限水深复合格林函数及其偏导数的数值算法，将其根植于三维势流理论中，形成了用于浅水海洋浮式结构物三维水弹性分析的方法。

本文对一艘浅水超大型FPSO进行了数值计算,计算结果表明，船体的振动效应对不同波浪载荷产生不同的影响。

3.2 关于减振的其他的方法
3.2.1“基于滑模控制的作动器研究”（2009）：
第一作者等：文章题目（如黄国平：利用边条涡抑制Y形进气道流场畸变）
为有效地消除船甲板由于发动机或螺旋桨不平衡矩所引起的振动，研制了一种新型作动器，其激振频率及激励力幅值均可实现在线调节，由于这种激励幅值的在线调节，使得整个系统的控制方程为非线性，为了消除控制系统参数变化和外部扰动对其跟踪性能的影响，将滑模控制引入其伺服跟踪控制，同时为了减小滑模控制器的颤抖采用了基于趋近律的位置及速度跟踪.仿真及实验结果表明滑模控制器具有较强的鲁棒性和跟踪性能，能有效地控制船甲板的振动.
3.2.2“船舶动力系统隔振技术研究”（2008）：
文章建立了浮筏系统力学模型，并以降低系统结构振动的隔振传递率为目标，对简谐激励作用下浮筏系统的振动特性进行了分析。

通过系统结构参数的优化，探讨了实现良好隔振特性的途径，为舰船的减振降噪设计提供了依据。

3.2.3“基于MSC.Patran的浮筏隔振系统性能分析”（2008）：
文章采用Pro/Engineer和MSC.Patran相结合的方法创建浮筏隔振系统的有限元模型，通过MSC.Nastr an对浮筏隔振系统做频域响应分析，并采用能量平均法对隔振效果进行评估，进一步研究浮筏隔振系统中主要结构参数变化对隔振性能的影响。

3.2.4“对螺旋桨引起的谐鸣、振动的探讨与实践”（2001）：
文中介绍船舶营运中因螺旋桨的问题而引起的船体振动或谐鸣现象并探讨其解决办法。

3.2.5“一种船用汽轮机组激振力分析计算方法”（2000）：
文章介绍了一种船用汽轮机组激振力的分析计算方法。

该方法以汽轮机组部件不平衡力为引起振动的主要原因，分析计算汽轮机组激振力的频率和幅值，并根据实船振动实测数据进行校正。

3.3 固有频率的测试
3.3.1“船体自由振动虚拟测试技术研究”（2009）：
本文对船体自由振动虚拟测试技术进行了研究，该技术可以利用虚拟测试模型深入了解船体结构振动特征(固有频率和振型等)，通过这些数据，可以对船体结构的动力学性能进行优化设计，以采取措施减少或避免有害振动。

3.3.2“船体固有频率预报及实验验证”（2004）：
文章以J型巡逻艇作为研究对象,并利用比利时LMS公司的SCADAIII数据采集器及CADA X信号分析系统对其进行激振实验和模态分析.利用美国ANSYS大型结构分析软件,以三维有限元模型为基础,利用三维有限元方法,做模态计算,对其进行总振动预报.将激振实验获得的数据和有限元法获得的计算结果进行比较,验证了三维有限元法的可靠性,并获得了一些关于全船振动的有意义的研究成果.
3.3.3“实船设备结构振动和水声声强测试分析及噪声源的判别”（2003）：
通过对船上设备和船体的振动、近远场水噪声声压以及主机舱左舷外水声声强分布的测量和对振动与声的相干分析,判断主、辅机激振的耦合对产生声的影响。

通过近场声强分布,分析结构和声场耦合、能量交换和有效辐射。

提出用声强分布计算频带内噪声辐射声功率占总声功率的比例,结合主、辅机振动谱综合分析方法,实现噪声主要激振源的判断。