[科普中国]-总振动

简介

船体振动按受力情况可分为自由振动、强迫振动和共振。

船体受外力作用产生振动，在除去该力后继续存留的振动称为自由振动，它以船体固有频率振动。

一直受周期性干扰力作用的船体振动称为强迫振动，这种振动是以干扰力频率振动。

引起船体振动的周期性干扰力，当其作用频率与船体的某一固有振动频率趋近时，船体将出现很大的振幅与振动加速度，这种船体振动称为共振。

由于舰船的结构相当复杂，其质量分布很不规则，因此，当船体受到干扰而振动时，情况非常复杂。通常，将船体振动分为总振动和局部振动两大类，总振动将船体视为一根两端完全自由的变截面梁，在干扰力作用下，经过其平衡位置来回往复运动。而局部振动是指船体某一部分结构在干扰力作用下经过它们各自的平衡位置做来回往复运动。实际上这两类振动同时存在而相互关联。2

总振动形式舰船总振动有四种不同的形式：

(1)垂直平面的弯曲振动(垂直振动)；

(2)水平面内的弯曲振动(水平振动)；

(3)绕纵向轴线的扭转振动(扭转振动)；

(4)绕纵向轴线的纵振动(纵向振动)。

通常这四种振动并不是以单一形式出现，水平振动与扭转振动、纵向振动与垂直振动同时出现。扭转振动和纵向振动由波浪作用而引起，一般说，没有垂直和水平两种振动严重。但大开口船应注意扭转振动的危险性。垂直振动最容易发生，是最常见的船体振动，它与两端完全自由杆的振动是相同的，有双节点和三节点等振动形式。1

考虑因素研究船体总振动必须考虑：

(1)随船体运动的一部分水的质量；

(2)船体从艏至艉的横剖面惯性矩变化；

(3)弯曲振动时，船体横剖面的转动；

(4)剪切对弯曲振动的影响。

引起船体总振动的干扰力，主要应考虑螺旋桨工作产生的一阶和叶频干扰力，以及主机的一阶、二阶不平衡力和力矩。

目前在船体总振动计算中以计算自由振动频率为主，经常以船体梁作为计算模型，采用迁移矩阵法计算，也可建立平面有限元计算模型，采用结构分析程序来汁算。也可以将船体处理为三维模型进行详细计算。船体第一、二、三谐固有振动频率计算值要求与干扰力频率分别错开8%～10%、10%～12%、12%～15%：

实船发生共振时，宜使干扰力频率与船体第一、二、三谐固有振动频率分别错开3%～5%、5%～7%、7%～10%，或采取其他有效措施以满足要求。1

降振措施减小舰船总振动的主要措施包括：

(1)降低干扰力的大小。提高螺旋桨的制造质造、稍为改变螺旋桨的转速和应用消振器能降低由螺旋桨流体动力不平衡性引起的首阶航行总振动水平。增加船体与螺旋桨叶片之间的间隙、增加螺旋桨叶片数以及采用特殊形状的螺旋桨能减小叶片阶谐调航行总振动。此外，将螺旋桨布置在靠近高频率振动形状的艉部节点附近，可以大大降低叶片阶的振动水平。

(2)改变舰船的动力特性。这种方法效果较差，要显著改变船体的动力特性是非常复杂的。在螺旋桨盘面处船体尾部局部刚度的加强有利于降低尾封板处的船体高频率振动水平。

(3)将船体与周期性力隔离。将船体与引起振动的干扰力隔离需要采用专门的设备，其中包括在舰体底部和螺旋桨之间产生空气幕的设备，在脉动压力作用最大区域的螺旋桨上方设置有水密围壁的龛，在船体外板上设置带有附加质量的附加板、采用可调节的和不可调节的消振器等等，这些设备能使螺旋桨与船体之间形成隔离的弹性层，从而减小船体振动。

上述减小航行总振动的方法在实船上不是总能实现的，因为在舰船设计时，要综合考虑舰船的各种性能，这就限制了显著降低振动水平的可能性。1