船体振动学

船体振动知识点船体振动是指船舶在航行过程中因受到外力作用而产生的振动现象。

船体振动不仅会影响船舶的航行性能和安全性，还会对船员的工作环境产生一定的影响。

因此，了解船体振动的知识点对于船舶设计、航行和维护非常重要。

本文将介绍船体振动的几个主要知识点。

1.振动类型船体振动可以分为几种类型，包括纵向振动、横向振动和垂向振动。

纵向振动是指船舶在航行过程中沿着船体纵轴方向产生的振动；横向振动是指船舶在航行过程中沿着船体横轴方向产生的振动；垂向振动是指船舶在航行过程中沿着船体垂直方向产生的振动。

不同类型的振动会对船舶产生不同的影响。

2.振动原因船体振动的原因主要有以下几个方面。

首先，船舶在航行过程中会受到外界水流的作用，从而产生一定的水动力振动。

其次，船舶的推进装置和船体之间的耦合效应也会引起振动。

此外，船舶载货时的不平衡也会导致船体振动。

了解振动的原因是预防和减少振动的关键。

3.振动影响船体振动对船舶和船员都会产生一定的影响。

首先，振动会影响船舶的航行性能，包括船速和操纵性。

振动还会对船舶的结构安全性产生影响，可能引起船体的疲劳破坏和结构松动。

此外，振动还会对船员的工作环境产生不良影响，可能导致船员的疲劳和不适感。

因此，减少振动对于船舶和船员的安全至关重要。

4.振动控制为了减少船体振动的影响，可以采取一些振动控制措施。

其中一种常见的控制措施是加装振动吸收器。

振动吸收器可以通过吸收和消散振动能量来减少振动的传递。

另外，船体结构的设计和材料的选择也可以影响船体的振动特性。

合理的结构设计和材料选择可以减少船体振动的发生和传递。

5.振动监测与评估为了对船体振动进行监测和评估，可以采用一些现代化的技术手段。

例如，可以使用加速度计和振动传感器进行振动信号的测量和记录。

通过对振动信号的分析，可以评估船体振动的程度和影响范围，从而采取相应的措施进行振动控制和改进。

总结起来，船体振动是船舶在航行过程中产生的振动现象，它对船舶和船员都会产生一定的影响。

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）。

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。

船舶振动复习一、名词解释1.共振：振幅不断增大而趋于无穷的现象2.拍振：振幅变化后的频率是一个小值，因而振幅变化的周期是一个大值，这种振动称为拍振。

3.动力放大系数：振幅与在激振力静态作用下产生的位移的比值。

4.相对阻尼系数：系统实际阻尼系数与临界阻尼系数的比值ζ=C/Cc5.强迫振动：系统由于外界持续激振力所引起的振动。

6.主坐标：描述固有震动的独立变量7.固有振型：表示系统在意Wi的频率做自由振动时，各物块振幅的相对大小[称之第i阶段主振型或主模态]8.正则振型：固有振型Pr乘上一个常数C(r)之后，令ϕr t Pr，满足ϕr t Mϕr=1，此时固有振型Pr 就称为正则振型9.梁的横向振动：细长杆作垂直于轴线方向的振动。

10.节点：在梁的各谐调固有振型上，总是存在着若干在主振动时静止不动的点。

11.状态矢量：各个部件连接点处状态参数所构成的列阵12.船体总振动：指将船体视为一个整体的船体总体振动13.附连水质量：相当于有一部分舷外水与船体一起振动，这部分舷外水的质量称为附连水质量。

14.螺旋桨脉动压力：螺旋桨转动时经水传至船体表面的脉动水压力螺旋桨表面力：螺旋桨脉动压力沿船体表面的积分值。

螺旋桨轴承力：由于伴流在周围分布的不确定性，使作用在桨叶上的流体力发生变化而引起的激振力。

因为它通过桨轴和轴承作用于船体，故称轴承力。

15.叶频：叶片每转过一个大小等于两叶片夹角的转角时，螺旋桨便重复一次受力情况。

所以表面力和轴承力的频率等于叶数与桨轴转速的乘积，即叶频。

16.反共振：使减振器的固有频率与主系统的工作频率（激振力的频率）相等，则主系统的振动将被消除。

17.二、简答题1.简述迁移矩阵法的基本原则答：基本原则是将复杂的弹性系统分解为一些具有简单的弹性与动力性质的部件，再将这些部件的结合点处作为考察点，根据不同问题的要求，列出结合点处后状态矢量，并利用振动时弹性系统各部件之间的传递关系，列出迁移矩阵，利用弹性系统的边界条件，最终求得系统振动时的数值解。

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。

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。

船舶振动学试卷一、判断题1工程共振现象时振幅无穷大 (×)2阻尼消耗能量,使振动减弱 (√)3无阻尼振动系统振动频率比有阻尼的小 （√）二、问答题1、 船体振动的危害？答：1.使船体结构或机械部件在应力过大部分产生疲劳破坏，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。

另外还会激发噪声，对军舰来说还会影响隐蔽性。

2、 船舶振动的激励源因素有哪些？答：主要激励源是螺旋桨和主机，它们以不同的转速运转时都将激起周期性激励，使船体发生稳态强迫振动。

而波浪的冲击、火炮发射的后座力，抛锚等引起的激励则是非周期性的，因为这些激励对船体的作用时间短，只引起船体衰减振动。

其它激励：波浪（抨击，甲板上浪，拍击），轴系，排气脉冲，锚机及其它各种机械设备，管道和泵。

3、 船体总振动的分类？估算的目的是什么？答：分类：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水平方向的弯曲振动）这两者的振动方向均垂直于船体纵向轴线，故又称横振动（铅垂方向的横振动和水平方向的横振动）3扭转振动（船体横剖面绕纵向轴线扭转的振动）4纵向振动（船体横剖面沿其纵向轴线作纵向拉压的往复振动）目的：在船舶设计初期，当选择主机，决定船舶主尺度时，必须考虑避开低阶共振，亦即需要知道船体低阶固有频率，这是船体振动预报的重要内容。

4、 影响船舶总振动的因素有哪些？答：因素：激振力，阻尼，质量，刚度。

有质量和刚度可以推出总振动的模态即频率振型，有激振力和阻尼可以推出船舶响应。

5、 船体的局部振动指哪些振动？答：上层建筑，机舱，尾部，桅杆，甲板，双层底处的振动。

6、 螺旋桨轴承力产生的原因是什么？答：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。

第八章 实船振动试验§8－1 实船振动试验的目的由于理论计算难以全面掌握舰船的振动特性和评价其振动的大小，所以每一艘新船建造好后，必须进行振动测量。

同时，舰船振动量级的衡准值也是建立在大量实船测试结果的基础上，才能是比较合理、现实而先进的。

舰船振动试验可以分为新型号舰船的试验和在役舰船的试验，测量可分为总振动测量和局部振动测量。

实船振动测量的目的主要有：1．确定船体和局部结构的振动特性、振型、固有频率和阻尼。

确定舰船振动的量级是否超过振动衡准规定值，了解振动对船体结构、仪表设备和船员的影响；2．确定引起船体振动的原因及其传递途径，作为制订减振措施的依据；3．积累资料，为制订和修订船舶振动的允许标准、船舶机电电子仪表设备的振动环境条件提供依据；4．验证设计计算方法的可靠性及减振设计的效果；5．为舰船的正确使用提供实验依据，如避开其共振转速、确定合理的用船状态等。

§8－2 实船航行振动的测试条件舰船在航行过程中，受到的激励力是十分复杂的，除推进装置引起的规则振动外，还有波浪的砰击、舵角或偏航引起伴流分布变化引起的振动，螺旋桨的出水会大大增加激振力，因此，不仅各型舰船振动情况不同，同型的各条舰船振动情况不同，而且同一条船在不同试验环境条件下，振动情况也不同。

为了使测试结果具有可比性，便于进行统计归纳，必须统一测试条件。

1．试验水域水深和离岸距离的要求附连水质量在船舶振动的固有频率的计算中是一个不可忽视的重要因素。

附连水的质量根据理论分析和试验结果，可以分别按下式计算。

M KC b av v v =122αρπ(吨/米) 221d KC M H H aH πρα=（吨/米） 其中 M M av aH ,垂向振动和水平振动时单位长度船体上的附连水质量； ρ——水的质量密度（吨/米）；b ——计算剖面处的水线半宽（m ）； 图8－1 水域对附连水质量影响示意图d ——计算剖面处的吃水（m ）；V H C C ⋅——垂向振动、水平振动时计算剖面形状修正系数；K ——船体垂向振动、水平振动的三维流动系数；ααV H ⋅——计算剖面处浅水修正系数和狭航道修正系数。

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。