船体振动学 PPT

船舶振动第九章第九章船舶的主要激励船上出现的有害振动主要是由螺旋桨、机器（主机、发电机、发动机、泵、通风机）和波浪激励引起的。

§9-1 螺旋桨的激励一.概述1.有害振动70%是由桨激励引起的。

2.因激励幅值过大或者虽然激励幅值不算太大，但却激起船舶总体或者局部结构共振，都将造成振动响应过大，在船上产生有害振动。

3.桨产生的激励有两种：1）轴频激励（一阶激励或一阶干扰）由桨叶静力、动力不平衡引起的轴频激励，其激励频率等于桨轴转速，它与桨的制造质量有关，与水动力不平衡有关。

2）叶频激励：桨在不均匀流场中运转而诱导出的高阶激励（叶频、倍叶频），其激励频率等于桨叶数的整数倍，即叶频、2倍叶频等，有表面力和轴承力两种。

4.影响桨激励的因素：1）桨的形状参数；2）船尾部线型、附体；3）航速。

5.轴承力和表面力：1）表面力：桨旋转时经水传至船体表面的脉动水压力。

2）轴承力：因伴流不均匀导致桨叶上承受周期性变化的力，该力通过桨轴和轴承作用于船上。

注：一般表面力是主要的，即脉动压力主要。

6.桨脉动压力产生的原因：1）螺旋涡系：桨工作时，叶面与叶背的压力差在叶梢处形成螺旋涡系，使桨附近水中各点的压力周期性变化，压力场内船体结构受周期性脉压作用。

桨载荷（推力和力矩）不同，涡旋强度亦不同。

2）叶厚效应：桨叶有厚度，在流场中运动时，该场中某一点P处的压力将随着桨叶的接近和远离该点而发生周期性变化，由此形成对结构的脉动压力，这种效应称为叶厚效应。

注：（敞水均匀流场，脉动压力仍存在，船后不均匀流场脉压波动加大）3）空泡：空泡体积变化、生与灭，造成脉压幅值变化，它对表面力的影响很大。

二.螺旋桨静力、动力不平衡引起的轴频激励1.静力不平衡：原因：1）桨制造误差（各叶间夹角、叶宽及叶厚不尽相同）；2）桨叶空泡剥蚀。

力学特征：桨整体质心不在回转轴线上，当桨转动时，就有垂直于桨轴的离心惯性力产生，该周期性激励其频率等于桨轴转速。

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。

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。