船舶结构振动噪声分析及其进展

【摘要】随着我国船舶事业的不断发展，对船舶结构振动噪声的研究提出了新的要求。本文首先概述了船舶结构振动噪声的相关话题，分析了船舶结构声学的设计方案。最后结合实际，深入探究了船舶振动的特性及计算等相关问题。

【关键词】船舶结构；振动噪声；分析；进展

中图分类号：U663文献标识码： A

一、前言

船舶事业日新月异的发展，要求有关人员对船舶结构的振动噪声做出深入分析，以最大程度地降低噪声的出现。由于船舶是一件大型的运输设备，其结构振动噪声的分析要涉及到多方面因素，对这些因素控制的好坏对该项课题的研究有深远意义。

二、概述

在船舶设计的最早阶段就要考虑声学方面的要求，这是船舶结构声学设计的基本原则。如果在船舶设计的早期阶段就能将涉及声学的各种要求，体现在具体的船舶结构设计中，则可用较少的费用获得较好的降低振动和噪声级的效果。

船体结构辐射噪声的分布规律与结构表面振动速度有密切关系，而结构表面振速的量级与分布，在一定的激励力下，主要取决于结构本身的振动响应特性。利用模态分析识别结构固有特性，找出主导模态，调开船体结构振动共振频率，可以达到降低噪声的目的。然而，这种解决问题的办法所需费用较大，如果在一开始就结合声学要求进行结构设计，则不仅节省开支，而且可以获得更大、更好的效果。因此在船舶设计阶段就进行结构的振动噪声分析是很有意义的。

船舶结构的振动声学分析，对于优化船舶结构的声学设计，具有重要的指导意义。船舶声学设计的基本原则，就是在船舶设计的最早阶段就考虑声学方面的要求。而船舶建造型式直接影响船上声学和振动状况，在船舶设计的早期阶段，选择声学上最佳的船舶建造型式是声学设计的最重要阶段。

船舶振动过大不但会造成船舶结构的损坏，而且会影响船用设备的正常使用。为此，必须在船舶设计阶段对船舶结构的局部振动性能和总体振动性能进行预报，以便在结构设计方面采用合理方案和必要的措施。随着计算机技术的迅猛发展及大型软件的应用，使船舶结构振动成为国内、外舰船振动研究的活跃领域。近年来对船舶振动预报的研究，大致可分为:全船模态分析响应、尾部结构振动及上层建筑振动三个部分。

三、船舶振动特性及计算

1.船舶的振动特性

近一、二十年来，船舶在我国得到了迅速的发展。目前国内营运中的各类船舶，在船体振动方面有两个共同的特点:一是由于自重控制严，故船体结构尺度小，船体刚度较常规船型要弱;二是采用高速机、高速桨，其激励幅值较常规船型大，激励频率又高。故船舶的振动较常规船更为突出，不仅影响旅客的舒适性和船员的工作效率，且较常规船更易在应力过大部位产生疲劳破坏。由于船舶的振动特点，常规船的振动研究成果较难直接用于船舶。船舶由于主机转速高，因而激励频率高，一般不会产生船体低阶总振动共振。如船长20～35m的单体钢质船舶，计算所得的2节点1阶和3节点2阶船体垂向弯曲振动固有频率一般均小于12Hz，而最低激励频率――轴频在额定转速时都常大于14Hz。因而即使在常用转速下，也不会发生1阶共振，故对船舶振动预报有意义的是2阶和3阶固有频率。而目前工程上常用的迁移矩阵法和一维有限元法，其计算所得的总振动垂向弯曲1阶固频精度较高，3阶计算误差就大。计及流固耦合的三维有限元法计算精度可大大提高，但由于计算准备工作量大，需计算机的容量高，耗机时多，计算费用高等特点，难以在一般工程设计中应用。

2.船舶的振动计算

为了提高船体总振动高阶固有频率的计算精度，而又不致增加过多的计算工作量，二维总振动计算程序程序固体采用由平面梁元、平面杆元和二维等参元组成的二维有限元模型;流体采用自由表面速度势为零和考虑线性自由表面两种二维流体边界元，应用改进的行列式搜索法解流固耦合振动。经实船测试数据考核，高阶固有频率计算精度，较工程中常用的迁移矩阵法计算结果大为提高。该程序不仅适用于排水或半排水型单体钢质船舶，还可推广用于其它船型。针对船舶结构特点的板梁组合结构振动计算程序固体采用平面应力4节点等参元、空间梁单元和非协调板弯曲单元。附连水质量计算既可应用传统的图谱，也可采用三维流体边界元求解。可用于求各种边界条件下的船体板架以及加筋板的固有频率，还具有从板架振动中识别板模态的功能，避免了人为确定板的边界条件而带来的计算误差。

四、船舶结构声学设计方案

当船体结构受到振动激励时，由于在共振频率附近机械阻抗的降低，振动响应将十分强烈，产生不能允许的高振动级。消除危险共振的基本方法就是，将船舶结构振动的频率和激励力的频率相互调开，这有两个可行的原则方案。第一种方案是改变激励力频谱（如设备的转速）。而如果振动源的旋转频率是不可改变的（对船舶辅机来说，常有这种情况），剩下的只有另一种方案，就是调开这一频率与船体结构弯曲振动模态频率。改变船体结构弯曲振动模态频率的最有效方法是，适当地改变其抗弯曲刚度。

1.激振力

在利用有限元法计算船舶结构振动时，施加准确的各种激励力是计算结果正确与否的关键问题之一，因此，应该施加尽可能准确的各种激励力。引起船舶整体和局部结构振动的主要激振力有:由螺旋桨工作引起的螺旋桨叶频激振力(螺旋桨转速􀀁叶片数);主、辅柴油机产生的缸频激振力(柴油机转速􀀁气缸数)以及齿轮箱和空压机的激振力。螺旋桨激振力频率:螺旋桨额定转速为210r/min，桨叶数为5，则叶频激振力频率为17.5Hz。主柴油机激振力频率:主柴油机为16缸机，主机额定转速为1050r/min，其缸频激振力频率为280Hz。辅柴油机激振力频率:辅柴油机为12缸机，辅机额定转速为1500r/min，其缸频激振力频率为300Hz。

2.船舶结构振动位移响应

利用本文所述的计算公式和建立的整个船舶结构三维有限元模型(包括机舱动力设备)以及船舶尾部结构三维有限元和梁组合的模型，可以计算船舶在螺旋桨，主、辅柴油机及齿轮箱简谐激励力作用下，船舶结构振动位移、速度、应力、应变响应由于此船舶的机舱在其中部，而机舱部位已经简化为梁模型，因而只能在此梁上施加等效的激励力。对于本文的整个船舶结构三维有限元模型则可以施加较为准确的激励力，由于每个激励力均可以施加在其原始位置。另一方面，船舶各层甲板和船体的不同部位的厚度以及不同位置梁的面积、惯性矩等是不一样的，因而实际船舶的各个横截面刚度是不同的。但组合梁模型不可能反映这种变化，而整个船舶结构三维有限元模型则可以。

3.辅柴油机隔振器的减振效果计算

本船舶上主推进柴油机采用单层隔振器，而柴油发电机组则采用双层隔振器。通常考虑主、辅柴油机隔振器的减振效果都是首先在实验室将柴油机安装在隔振器上对其进行测试，等船舶建造好以后，然后再在实船上进行测试工作。当然在实验室测试的结果与在实船上的测试结果不尽相同。因为船舶本身是一个弹性体，它对隔振器的减振效果有一定的影响。如果等船舶建造好以后发现隔振器的减振效果不理想时，再采取补救措施，往往很难取得较好的效果。

五、结束语

通过对船舶结构振动噪声分析及其进展的研究，我们可以发现，在船舶结构中，会造成振动噪声的因素是诸多的。究其原因，就有设计方面的原因，也有运行操作过程中的原因，有关人员应深入探究，以掌握最优的降低船舶结构振动噪声的方法。

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