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