对于船舶上建结构局部振动频率的分析

对于船舶上建结构局部振动频率的分析 摘要：当船舶在海上航行时，由于受到风浪波动的影响，船体结构的振动是不 可避免的。船舶振动过大不但会对船上的船用设备产生影响，也会造成船体结 构的损坏，甚至会危害船上人员的生命安全。所以在船舶的设计阶段，必须考 虑船舶局部结构的振动频率问题，并采取办法对其加以控制。本文介绍了船舶 振动的发展现状，具体从船舶振动的危害、现象和振源等方面，针对船舶上建 结构的振动频率问题进行了简要分析。 关键词：船舶振动；局部振动；上建结构；上层建筑整体纵向振动固有频率 在船舶结构的整体设计中，船舶局部振动是不可忽视的一个重要指标。近 年随着我国海上船舶业的蓬勃发展，船舶的设计引入了更多的科技元素，并且 功率越来越大。但是，船舶的上建结构因为有别于传统设计且刚度有所减弱， 所以当船舶振动频率过大时，上建结构就会产生严重振动，威胁整个船体的安 全航行。 一、船舶振动 虽然船舶在海上航行时，受波浪的影响较大。但是船舶振动的主要来源还 是船舶中的各种机械。在船舶内部的机械、轴系、螺旋桨等部件运转的激励下， 船舶的总体或者局部就会引起结构上的振动，这就是船舶振动。 （一）船舶振动的振源 船舶的结构是非常复杂的，它有许多的局部结构和船用设备，并且现在的 船舶加装了许多高精密的电子仪器，对操作环境的要求又很高，所以船舶结构 的振动首先对这些精密的船用设备来说，就是极大的威胁。实际上，船舶结构 就是一种复杂的组合弹性体，如果按照振动的分布范围来说，船舶振动可以分 为总体振动和局部振动；按照船体受力的角度讲，又可以分为自由振动和强迫 振动。 因为在船体中机械众多，所以船舶是一个多振源系统，这种机械给船体带 来的振动动力我们称之为“激励” 。它们都是对船体有害的因素。船舶中主要的 激励来源有螺旋桨、机械（包括主机、发电机、发动机、水泵、通风机等）和 波浪。其中大部分的振动激励来自于螺旋桨。因为在船舶中，螺旋桨桨叶通过 转动将水动力传承给桨轴，再由桨轴传给船体产生轴承力，另外螺旋桨也将水 表面上的脉动水压力传送给船体，所以轴承力和水面的表面力是螺旋桨的主要 激振来源，也就是桨激励的两种形式：轴频激励和叶频激励。影响螺旋桨系统 激励的因素主要和桨叶的形状参数，船尾部的设计造型以及航行速度有关。螺 旋桨在船的尾部工作时，会让桨叶周围的水受到船体运动的影响而产生桨漩涡 涡流，这种追随船体运动的水涡流就叫做伴流，这是由叶频激励产生的。这些 水伴流会在船后形成一股具有轴心向的伴流场。所以说如果将轴向伴流速度设 定为 Ua，进入螺旋桨盘面上的水流速度为 Va，航速为 Vs，那么航速、进速和 轴向伴流速度三者之间的关系就是 Va=Vs-Ua。 船舶是一个复杂的弹性组合体，所以它和局部机械的联系是很多的。例如 和柴油机。船舶柴油机在工作时会对船舶的局部产生干扰力，这主要是由柴油 机运动部件的惯性形成的一种不平衡的力矩，即气体爆炸压力产生的侧向压力 和倾覆力矩。因为柴油机的机座与船体是一个有效的弹性体，所以柴油机在运 行时就会给船体带来扭转振动，这也是一种由船舶内部的动力系统带来的船舶 振动现象。 在船舶振动的问题研究上，从上个世纪初就认为船舶的主要振动来源于螺 旋桨的旋转。70 年代末，船舶业有了更进一步的发展，低转速高效率的螺旋桨 被广泛应用。这种新型的螺旋桨不但转速高、动力大，而且激振力小。另外， 船舶柴油机的使用也改善了发动机的燃油量，降低了发动机的工作负荷从从而 减小了其由动力过大带来的振动，所以相应的发动机的激振力就有所增大。引 起船舶振动的最初因素还是来自于自然，那就是波浪。波浪对于船体的瞬间冲 击力会造成船体结构的振动。由于海上气候变幻莫测，当船舶运行在恶劣天气 的海面上时，不但会造成船体本身的振动，严重时也会直接导致船体损坏这样 的重大事故。波浪对船体的冲击也是船舶振动的最原始影响因素。如果船舶的 上建结构不够稳定和坚固，那么当波浪来袭，它所带来的瞬态振动就会让船体 产生剧烈的振动，这种流体冲击载荷作用下瞬态响应的剧烈程度和航速以及船 舶上建结构的设计有关。 （二）船舶振动的危害 船舶振动是影响船舶寿命的直接因素。在剧烈的振动下，船体结构会处于 疲劳状态。在连续振动发生后还会产生船体的断裂，尤其是船舶的上建结构更 易受损。而在船上的船用设备仪器会由于振动的影响不能正常工作，直接给船 舶的航行带来危险。过大的振动更会影响船上人员的工作效率和日常生活。有 研究表明，强烈的振动可以引起人机体的不适，主要表现在人的手眼配合有误、 注意力不集中、空间定位感变差等，严重时会导致人的交感神经处于紧张、血 压上升、脉搏增快、心搏出血量减少、心肌局部缺血、心电图发生改变、心室 震颤、胃部蠕动异常、腹部压力增高等等后果，直接影响海上船员的工作效率 和生命安全。另外，船舶振动中船内机械振动所带来的噪音，也会影响人的健 康。 二、上建结构 船舶的结构复杂，主要包括船壳、船体骨架、甲板、船舱和上建结构。其 中船舶的上建结构就是上层建筑，即船舶主甲板以上的建筑。上层建筑主要用 来布置不同用途的船舱舱室，主要包括生活区、工作区、储藏区和仪器设备区。 上层建筑包括首楼、桥楼和尾楼，其他的建筑被称为甲板室。整体被称为 “船楼” 。 （一）上建结构的局部振动 船舶业的发展给船舶的设计带来了更多新鲜的理念，船舶上建结构作为整 个船体中最为重要的部分之一，在目前的设计中也存在安全问题。比如目前船 舶的上层建筑设计趋于高大化，我们可以看见一些船舶的船楼设计的非常高， 虽然可以增加船体的空间用来布置更多的仪器设备和生活空间，但是船舶的上 层建筑越高，它本身的刚性也就越低，如果在遭受严重的船舶振动时，很可能 发生危险。近年来，国内外由于船舶上层建筑的振动而发生的海上事故屡见不 鲜，根据挪威船级社的报道，在去年 70 艘船的统计中，就有 34 艘船舶发生了 上层建筑的严重振动。可见船舶的上层建筑振动所带来的影响不可忽视。引起 船舶上层建筑振动的原因主要由外界激振力频率与上层建筑固有频率发生共振 两种。其中上层建筑固有频率较高和螺旋桨以及主机产生激振力有关。 （二）上建结构振动频率的分析 对船舶振动频率的估算可以帮助船舶设计从而减小振动对船舶带来的影响。 目前在世界船舶领域对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率的算法有两种：一 种主要是从上建结构的尺度入手，包括船体上层建筑的总高度、长度和各层建 筑的高度以及层数等；另一种是将上层建筑根部固定在船体上的剪弯振动固有 频率和刚体回转振动固有频率两个参数，采用公式计算出上层建筑整体的纵向 固有频率。即： 。在此公式中，fc 是上层建筑 的整体纵向振动固有频率，fs 是指上层建筑根部的纵向剪弯振动固有频率， fr 是刚体回转振动固有频率。根据上层建筑根本固定时，上层建筑会产生剪切振 动，所以它的固有频率应该是： 其中 H 是 甲板以上上层建筑的总高度，m 和 n 是上层建筑的总层数， i 是由下而上的层数， Mi 是第 i 层上层建筑质量， 为第 i 层质量系数，Si 为第 i 层剪切面积，G 为 材料的剪切面。所以我们可以得出： 对于上层建筑整体纵向振动固有频率的计算为： 。此公式可以通过刚度参数、等效刚性 系数、弯曲振动系数、剪弯振动固有频率和刚体回转振动固有频率等具体数值， 计算出上层建筑纵向振动固有频率的最终值，并可与实测值进行对比验证其准 确性。 总结： 船舶振动对于船体本身和船上人员都会带来很大影响，本文通过对于船舶 振动各方面的介绍和其上建结构的固有振动频率进行了简要的分析，表明了如 果能够在船舶航行时掌握其局部的振动频率参数，对于未来