第5章_船体局部振动

船舶振动及减振措施探讨船舶是一个自由漂浮在水中的弹性体，只要螺旋桨或主机工作，总是会引起船体不同程度的振动。

轻微的振动是允许的，也是不可避免的。

但船体振动过大会导致船体结构产生疲劳破坏，影响船上设备和仪器的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命，严重时还会导致船体断裂乃致沉没；同时船体振动还严重影响着船员和旅客的居住舒适性、船员的工作效率和身体健康。

船舶振动不但与其振源有关，而且与船舶总布置、尾部线型和船体结构直接有关。

而激起船体振动的主要振源（也称激励源）是螺旋浆和主机，它们在运转时将激起周期性干扰力，使船体发生稳态强迫振动，若激励幅值过大或引起了共振，就会产生剧烈的振动。

一、船舶振动产生的原因船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。

船舶振动产生的主要原因有以下几个方面：（一）线型：因为尾部线型对伴流的分布起决定性作用，直接影响螺旋桨来流和去流产生漩涡、伴流等方面的状况，这些都直接与船体振动有关。

（二）船体结构：如船体结构布置、构件取材不合理、刚度不足、结构不连续，这些都会使船体板格固有频率太小，或产生应力集中和惯性矩不能满足要求，特别是若机舱、尾部结构不合理或板材、构件取材太小，刚度不足；另外，甲板开口宽度超过3/4B的内河浅水大开口船，在航行中产生较大扭矩，使轴系偏移，也都会引起船体振动。

（三）螺旋桨的选择及与船体线型匹配。

螺旋桨诱导的表面力和空泡是导致剧烈尾振的原因，而这两者又与螺旋桨的设计如桨叶的倾斜度、盘面比、螺距、厚度分布和叶片数等有关，因而螺旋桨的选择直接影响到船体振动；同时螺旋桨与船体线型是否匹配、间隙是否足够，均与船体振动密切相关，因为若螺旋桨与船体、尾柱、舵托、舵之间的间隙太小，螺旋桨诱导的脉动压力将会剧增，加上伴流不均匀，使螺旋桨的激励力较大，使尾振加剧。

（四）主副机的选择。

因为柴油机运转时作用在船体上的周期性干扰力主要有两种，一是运动部件的惯性力产生的不平衡力和不平衡力矩；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复力矩；若主副机选择不当，会使以上两种周期性干扰力增大，使船体产生强迫振动。

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）。

江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文学院机电与汽车工程学院专业热能与动力工程学生姓名陈阳班级学号1145521209指导教师包振明二零一五年六月江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文10000TEU集装箱船机舱二甲板局部振动计算The 2nd Floor of the Cabin’s Local Vibration Calculation of 10000TEU Container Vessel江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学院名称：机电与汽车工程专业：热能与动力工程学生姓名：陈阳学号：1145521209 指导教师：包振明职称：讲师江苏科技大学本科毕业设计（论文）2015年3月12日江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘要集装箱船越来越受到国际运输市场的青睐，已经成为国际船舶航运市场中的主要船型之一。

作为一种特殊的船舶类型,它的中部设有一个大的开口，直接影响到了它的结构刚度，所以集装箱船的振动问题更加突出。

船上的很多振动问题都是由船体的局部振动产生的。

本文对10000TEU集装箱船机舱的二甲板结构进行局部振动数值仿真计算。

使用有限元软件ANSYS进行模态分析,计算机舱二甲板的各阶的固有频率和振型。

首先针对机舱第二层结构构建计算机模型，然后进行网格划分，创建三维有限元模型。

板（壳）、梁等单元都在有限元模型中采用。

本论文的内容是关于船体结构局部振动的计算，采用ANSYS有限元进行分析，对机舱二甲板结构的局部振动建模并求解，确定机舱二甲板的各阶固有频率和振型。

计算结果表明，10000TEU集装箱船的机舱二甲板结构局部振动的有限元计算结果是可靠的。

关键词：集装箱船；局部振动；有限元；固有频率；振型I江苏科技大学本科毕业设计（论文）AbstractThe container ships are more and more getting in the favor of international transport markets. Many vibration problems on board are local vibration generated by the hull. In order to calculate the local vibration of the third floor of the cabin, finite element analysis software ANSYS is used.However, as a special ship, it features with a large opening directly affects its structural stiffness. In addition, the deck stack the multi-layer containers on, which will cause the height of superstructure is also increased and reduce the stiffness of superstructure. So, for the container ships, its vibration problem become more prominent.In this paper, the vibration of the second deck of 10000TEU container ship is studied, through the finite element software ANSYS. Firstly, the finite element model of a second layer structure for the cabin is built. Shell and beam are used. In the hull of local vibration, finite element software ANSYS is used. The natural frequency and modal shape of the 2nd cabin’s deck is calculatd. Results show that the second deck of the 10000TEU container vessel cabin’s local vibration are accurate.Keyword: container ship；local vibration；finite element；natural frequency；model shapeII江苏科技大学本科毕业设计（论文）目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景和意义 (1)1.2 船体局部振动概述 (2)1.3 船体局部振动国内外研究现状 (3)1.4 本文研究的主要工作以及思路 (5)第2章有限元理论介绍 (6)2.1有限元法的介绍 (6)2.1.1 有限元法的分析过程 (6)2.1.2 有限元法的分析特点 (7)2.1.3 有限元法的基本步骤 (7)2.2 有限元建模的重要性 (8)2.3 有限元建模的基本原则 (8)2.4 有限元法的发展趋势 (9)第3章船舶规格及建模 (10)3.1 船舶规格 (10)3.2 已知参数 (11)3.3 模型分析方法 (12)3.4 有限元模型的建立 (13)3.5 网格划分 (18)第4章局部振动计算分析 (19)4.1 机舱三甲板的固有频率计算和分析 (19)4.2 频率储备和验收标准 (20)4.2.1 频率储备 (20)4.2.2 验收标准 (20)4.2 4.3局部振动的模式形状 (20)结论 (32)III江苏科技大学本科毕业设计（论文）致谢 (33)参考文献 (34)IV第1章绪论1.1论文的研究背景和意义船作为一个复杂的弹性结构,在海里,船体结构将不可避免地产生不同程度的振动,甚至有害的振动。

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。

绪论单元测试1.要产生振动，需要（）。

A:时变作用B:空气C:弹性D:质量答案:ACD2.属于振动的是（）。

A:敲鼓B:钟摆C:心脏搏动D:说话时的声带答案:ABCD3.已知船体结构的动态特性，计算在输入作用下的输出。

属于（）。

A:系统识别B:响应分析C:环境预测D:系统设计答案:B4.在已知外界激励下设计合理的船体系统参数，使系统的动态响应或输出满足要求。

属于（）。

A:系统识别B:响应分析C:系统设计D:环境预测答案:C5.已知系统的输入和输出，求出船体系统的参数。

属于（）。

A:系统识别B:系统设计C:环境预测D:响应分析答案:A6.在已知系统的响应和系统参数的条件下，预测系统的输入。

属于（）。

A:系统识别B:系统设计C:环境预测D:响应分析答案:C第一章测试1.在下图所示的结构中小球质量为m，梁的质量忽略不计，梁的长度为L，截面惯性矩为I，材料的弹性模量为E。

若要使小球的自振频率ω增大，可以（）。

A:增大IB:减小EC:增大mD:增大L答案:A2.如图a所示，梁的质量忽略不计，小球的自振频率；若在小球处添加刚度为k的弹簧，如图b所示，则系统的自振频率ω1为：（）。

A:B:C:D:答案:D3.单自由度系统自由振动的幅值仅取决于系统的（）。

A:固有频率B:质量C:初速度和初位移D:刚度答案:C4.已知某单自由度系统质量为m，刚度为k，阻尼系数为c，阻尼因子为ξ。

若令系统刚度为4k，则下列说法正确的是（）。

A:新的阻尼因子为1/2 ξB:新的阻尼因子为1/4 ξC:新的阻尼系数为1/2 cD:新的阻尼系数为1/4 c答案:A5.单自由度系统只有当阻尼比时，才会产生振动现象。

（）A:ξ<1B:ξ≤1C:ξ>1D:ξ=1答案:A6.已知结构的自振周期T=0.3s，阻尼比ξ=0.04，质量m在y0=3mm，v0=0的初始条件下开始振动，则至少经过个周期后，振幅可以衰减到0.1mm以下。

（）A:14B:13C:12D:11答案:A7.速度导纳的单位是（）。

船体防震及减振船体振动设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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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。

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。