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摘要 船舶在航行时，总会产生不同程度的振动。船上发生有害振动会 引起下列不良后果： ( 1 ) 振动及由振动引起的噪声，导致船员和乘客的不舒适，引起 疲劳影响工作和损害健康。 ( 2 ) 过大的振动，使得机器、设备及仪表失灵或者损坏。 ( 3 ) 过大的振动，使高应力区的船体结构出现疲劳裂纹，从而影 响船舶安全。 ( 4 ) 舰船过大的振动导致结构噪声并向水中辐射，对舰艇的隐蔽 性危害极大，对渔船会影响捕鱼作业。 2 9 9 ，5 0 0 吨原油船是我国首次建造的超大型油船，是中国造船史 上一个新的里程碑。大连新船重工有限责任公司为伊朗船东共建造5 艘，并在双方签订的合同对该批量船舶振动提出了严格要求，振动响 应必须落入i s 0 6 9 5 4 ( ( 机械振动和冲击商船振动的综合评价基准 中不可能有害评价区。为了避免船上出现有害振动影响交船，本文在 船舶设计阶段对该类型船舶进行振动预报，预报内容如下： ( 1 ) 船舶总体振动固有频率预报； ( 2 ) 主机一阶和二阶不平衡力矩引起船舶总体振动响应预报； ( 3 ) 螺旋桨诱导的脉动压力引起船舶总体振动响应预报； ( 4 ) 上次建筑整体纵向振动固有频率预报； ( 5 ) 局部结构振动预报。 经该类型船舶五艘船舶振动测试结果，振动预报结果与实测结果 是吻合的。 a b s 眦c t s h i p s a r e p r o n e t oe x c e s s i v e v i b r a t i o n d u r i n g t h e i r v o y a g e s s h i p b o a r dv i b r a t i o ni sc o n s i d e r e do b je c t i o n a b l ea n da sar e s u l t ，i tm a y c a u s es om a n yp r o b l e m s 。 ( 1 ) v i b r a t i o na sw e l la sn o i s ed u et oe x c e s s i v ev i b r a t i o nm a ym a k e c r e wo nb o a r du n c o m f o r t a b l e e v e nr e s u l ti ni n j u r yo fh u m a nh e a l t h ( 2 ) e x c e s s i v ev i b r a t i o nw i l lr e d u c et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n t so l lt h es h i p s ( 3 ) v i b r a t i o nw i l lr e s u l t i ne x c e s s i v es t r e s s e si n s t r u c t u r a lo r m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s ，a d v e r s e l y a f f e c t st h e r e l i a b i l i t y o r m a i n t a i n a b i l i t yo fm a c h i n e so re q u i p m e n ti n s t a l l e da b o a r ds h i p s ( 4 ) n o i s er a d i a t i o n c a u s e db ye x c e s s i v ev i b r a t i o nw i l l d e s t r o y c o n c e a l m e n to fw a r s h i p m a t sm o r et h ei n d u c e dn o i s e sm a yd i s t u r b h o o k e r s n o r m a lw o r k t h em a n u f a c t u r eo f2 9 9 5 0 0d w tc r u d eo i lc a r r i e r si sam i l e s t o n eo f s h i p b u i l d i n gi nc h i n a t h ef i v ev l c cb u i l tb yd a l i a nn e ws h i p y a r d s h o u l ds a r i s f y m e c h a n i c a lv i b r a t i o na n ds h o c k g u i d e l i n e sf o rt h e o v e r a l le v a l u a t i o no fv i b r a t i o ni nm e r c h a n ts h i p s ( i s o6 9 5 4 2 0 0 0 ) t h eg l o b a lv i b r a t i o nl e v e l so nb o a r df u l f i l lt h ei s 0 6 9 5 4 a d v e r s e c o m m e n t sn o tp r o b a b l e c r i t e r i ao nv i b r a t i o no nb o a r ds h i p s t h ep r e d i c t i o no fv i b r a t i o no nt h es t a g eo fd e s i g np r e s e n t e dh e r ec o n s i s t s o f t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) p r e d i c t i o no fn a t u r a lf r e q u e n c yo fh u l lv i b r a t i o n ； ( 2 ) p r e d i c t i o no fr e s p o n s eo fh u l lv i b r a t i o ni n d u c e db y1s ta n d2 n d u n b a l a n c em o m e n to fe n g i n e ； ( 3 ) p r e d i c t i o no fr e s p o n s eo fh u l lv i b r a t i o nt h a ti n d u c e db yi m p u l s e f o r c ei n d u c e db ys c r e wp r o p e l l e r ； ( 4 ) p r e d i c t i o n o fn a t u r a l f r e q u e n c y o f s u p e r s t r u c t u r e g l o b a l l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ； ( 5 ) p r e d i c t i o no fl o c a lv i b r a t i o n i ts h o u l db en o t e dt h a tt h er e s u l t so fm e a s u r e m e n ta r ec o n s i s t e n t w i t ht h a to f p r e d i c t i o no fv i b r a t i o n 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 作者签名： 指导导师签名：丝幽 世上月兰日 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 第一章绪论 2 9 9 5 0 0 吨原油船，是我国首次建造的超大型油船，是中国造船史上一新的里程碑。 该船总长3 3 5 5 m ，两柱间长3 2 0 0 m ，船宽5 8 0 m ，型深3 1 0 m ，设计吃水2 1 0 m ，结构 吃水2 2 2 m 。主机采用s u l z e r7r t a 8 4 t - b 一台，最大持续额定功率( m c r ) 为 2 7 1 6 5 6 k w ，最大连续转速为7 4 r p m 。螺旋桨为4 叶，直径为1 0 m 的中侧斜桨。 。本文以2 9 9 5 0 0 吨原油船为依托，对该船在设计阶段进行振动预报及减振设计研究。 1 1 振动预报流程图 振动预报流程图，如图1 1 和图1 2 所示。 一，j 、锌算项黟。塑窒蔓鳌 图1 1 减振设计流程图( 方案设计初期阶段) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 一， ； 计算项目、 靠箍h 溺熊蓑 中剖面圈ii 率与攮型 瓣 应 董一丫是 掏 ii 横 翻 面 豳 上 层： 熊 筑 豳 术 潇 - 足 主机 型号 主机 安装 位霞 叫嚣蕃嚣卅 去 浣 e 1 0 时，取1 0 ； k ，矿一船体横剖面惯性矩沿船长的变化对垂向振动固有频率影响系数，按式 k ，矿= + 屈c 6 计算；其中，取o 9 0 或0 8 5 ，尼取o 1 0 或0 1 5 ，c 6 为方形系数； c 矿一高强度钢影响系数。当船中部区域内主要结构采用高强度钢时，按式 c 矿= o 7 0 7 1 + 1 0 9 0 0 o ，计算；其中，仃，为高强度钢的标定最小屈报点( m p a ) ，o - o 为 普通钢的标定最小屈服点，取2 3 5 ( m p a ) 巨矿一上层影响系数； 矿一船体梁垂向振动时包括附加水质量在内的船总质量，按下式计算： 小“引2 d ) 伽b 2 + o 1 5 ) | 这里，d 为计算工况时船舶吃水，m ；4 为计算工况时船舶排水量，t ； 6 。矿一回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得； c 一纵舱壁烽。对油船，当有一道纵舱壁时，取0 8 6 6 ：有两道纵舱壁时，取 1 0 0 , 有三道时取1 1 2 ；对其他类型船舶，取1 o o ； 瓦一高强度钢影响系数，按下式计算，当采用普通钢时取1 0 ； 厂1 1 ： l 己= c 。i ( 2 5 6 d o o r 。弦( l + 11 5 ) 2 这里，d o 为船舶设计吃水，m ；c 0 为系数：横骨架式船舶取9 2 8 ，纵骨架式油船取8 8 0 ， 纵骨架式干货船、散货船、矿砂船、集装箱船，取9 2 2 。 i o 人连理工人学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 ( 2 ) 方案设计初期阶段水平振动固有频率计算公式 厶= g 、+ b 曲 ( 2 - 3 ) v 凸 式中：而一船体梁f 节点水平振动固有频率，h z ； 口圹回归系数( 斜率) ，根据船舶类型及节点数查表； c ：广高强度钢影响系数，取c 等于g 4 _ 船体梁水平振动时包括附加水质量在内的船舶总质量，t ； 按式a 俨( 1 + 0 5 d b ) 4 + o 5 7 4 d 2 l c b 计算； b 珐回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得。 ( 3 ) 方案设计初期阶段船舶总体振动固有频率计算结果见表2 1 。 表2 1方案设计初期船舶总体振动近似计算结果h z 2 2 2 用船舶主尺度、排水量及剖面要素估算船舶总体振动 ( 1 ) 方案设计终期阶段垂向振动固有频率计算公式 2 、3 节点垂向振动固有频率计算公式 厶= 小骗压地 4 、5 节点垂向振动固有频率计算公式 ( 2 4 ) z v 利如彘慷 ( 2 - 5 ) 式中：厶v _ 船体中剖面对水平轴的惯性矩，m 4 ； 彳厂回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得： 8 ，广回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得： 彳d v _ 船体梁垂向振动时中剖面剪切面积。 ( 2 ) 方案设计终期阶段水平振动固有频率计算公式 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 h = a h+ b 嘞 式中：彳厂回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得： 彳扩一船体梁水平振动时中剖面剪切面积 b 厂回归系数，根据船舶总体自由振动计算方法查得。 ( 3 ) 方案设计终期阶段船舶总体振动固有频率计算结果见表2 2 。 表2 2 方案设计终期船舶总体振动近似计算结果h z ( 2 6 ) 表2 3船舶总体振动固有频率近似公式结果与全船三维有限元模型结果比较 满载工况时固有频率h z压载工况时固有频率h z 方向节点数 方案方案 三维 方案方案 三维 初期终期有限元初期终期 有限元 20 5 8 50 5 1 80 4 8 3 0 7 0 00 6 6 50 6 4 2 3 1 0 8 8 0 9 0 01 0 7 01 4 5 21 2 0 01 4 0 5 垂向 41 8 2 4 1 8 8 91 6 8 42 2 2 72 1 9 22 2 1 6 52 4 1 52 3 7 92 3 1 42 9 62 7 6 93 0 1 2 20 8 7 6 0 8 9 70 8 4 81 2 2 11 2 2 11 4 0 5 31 7 6 71 6 0 01 6 1 62 4 2 52 3 4 82 5 7 8 水平 42 2 5 52 4 9 32 3 8 83 4 8 33 3 2 43 7 7 0 53 1 8 23 3 4 83 4 0 04 7 4 84 5 4 04 7 6 4 2 3 主机激励 本船主机参数： 型号：s u l z e r7 r t a 8 4 t - b s m c r ：2 7 1 6 5 6 k w 7 4 0 r p m n c r ：2 4 4 4 6 1 k w 7 1 4 i u m 1 2 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 表2 4主机激励频率及幅值 主机最大转速 阶数 激励 不平衡力不平衡力矩 ( k n )( 1 洲m ) ( r p m ) ( h z ) vhvh l1 2 3 3 o01 8 72 9 2 7 4 22 4 6 70o 9 1 40 2 4 主机激励引起船体振动响应 2 4 1船舶总体振动固有频率与主机激励频率的关系 hz 3 0 2 0 7 4 02 04 06 08 0r d m 船舶总体垂直振动固有频率与激励关系 hz 5 o 耳o 3 o 2 。o 1 0 7 4 02 04 06 08 0 r pm 船舶总体水平振动固有频率与激励关系 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 2 4 2 频率储备 2 4 2 1标准 为了避免在主机常用转速范围内，船上主机一阶和二阶不平衡力矩的激励频率引起 船舶总体垂向和水平共振，要求主机一阶和二阶不平衡力矩的激励频率与计算出的船舶 总体振动固有频率2 - 5 节点固有频率之间应满足式( 2 7 ) 的条件： i 1 0 0 l ，7 i 式中：刁一频率储备值，由表2 5 查得。 石一激励频率，h z 俨船舶总体f 节点振动的固有频率计算值，h z 表2 5 频率储备值刁 n 节点数i 方案设计初期方案设计终期 21 51 2 32 01 5 4 2 5 2 0 53 0 2 5 2 4 2 2 本文船舶总体振动固有频率储备计算结果 ( 1 ) 满载状态 本文给出方案设计终期阶段频率储备结果，见表2 6 。 表2 6满载状态下船舶总体振动固有频率储备 ( 2 7 ) 主机激励固有频率频率储备刀( ) 方向 评价 阶数频率h z节点数频率h z计算值标准值 l 1 2 3 35 8 2o 5 1 8 1 2 满足 22 4 6 77 9 垂11 2 3 3 2 7 30 9 0 0 1 5 满足 22 4 6 76 4 l 1 2 3 35 3 4 1 8 8 92 0 满足 向22 4 6 72 3 11 2 3 39 3 满足 52 3 7 9 2 5 2 2 4 6 7 4 不满足 1 4 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 11 2 3 320 8 9 7 2 71 2 满足 水 l1 2 3 331 6 0 0 3 01 5 满足 l1 2 3 3 4 2 4 9 3 1 0 22 0满足 平 11 2 3 353 。3 4 8 1 7 22 5 满足 ( 2 ) 压载状态 本文给出方案设计终期阶段频率储备结果，见表2 7 。 表2 7 压载状态下船舶总体振动固有频率储备 主机激励 固有频率频率储备刁( ) 方向 评价 阶数频率h z 节点数频率h z计算值标准值 11 2 3 34 6 20 6 6 51 2 满足 2 2 4 6 77 3 垂 11 2 3 33不满足 31 2 0 0 1 5 2 2 4 6 7 5 1 满足 11 2 3 37 8 满足 42 1 9 22 0 向22 4 6 7 1 l 不满足 11 2 3 3 1 2 5 满足 52 7 6 92 5 22 4 6 71 2不满足 11 2 3 321 2 2 111 2不满足 11 2 3 332 。3 4 89 01 5满足 水平 11 2 3 343 3 2 41 7 02 0满足 11 2 3 354 5 4 02 6 82 5满足 2 4 3 2主机低阶激励引起船舶总体振动响应 船舶在方案设计阶段主机激励引起船舶总体振动响应按下列公式计算 铲掣a2 f 。 。4i 虬 ( 2 8 ) 铲掣附m 协9 ， 1 。4l 。 式中：口厂主机激励引起船体梁f 节点共振加速度值，r n s 2 ； ，g 。) 一船舶总体i 节点振动的振型在计算剖面处( x 孔) 处的坐标值； g d ) 一船舶总体；节点振动的振型在集中力f 作用处( 炉嘞) 处的坐标值； 大连理工大学工程硕士学位论文；超大型油船振动分析研究 y 肛d ) 一船舶总体f 节点振动的振型在集中力矩m 作用处( 炉勘) 处的转角， r a d m ； 广振型图上的横坐标值，并规定从尾垂线向船首量起； p 一主机不平衡力，k n ； 朋l 主机不平衡力矩，i 斟m ； 4i 一包括附加水质量在内的船舶总质量，t ，对垂直振动取al = a v ，对于水平振 动取4l = ah ； 卜主机某阶激励引起船舶总体发生f 节点共振时，对应的主机转速，r m i n ； i 广主机额定转速，r m i n l 万厂对数衰减率，按式( 2 1 0 ) 计算； c 厂f 节点振型系数， 最= 0 0 2 7 7 5 ( 2 1 0 ) 表2 8 主机激励引起船体共振响应 主机转主机激振动节响应m m $ 状态方向评价 速r p m 励阶数点数计算值标准值 垂向 6 513 1 2 7 5 4 满足 满载 垂向 7 1 4251 8 9 0 4 满足 垂向 7 4131 6 2 0 4 满足 压载 水平 7 4123 6 9 2 4 满足 1 6 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 第三章控制螺旋桨诱导的激励引起主船体振动响应的 减振设计方法 3 1尾部减振设计流程 螺旋桨在尾端伴流不均匀的流场中工作，产生轴承力和表面力。表面力是引起船体 振动的最主要的激励。本文只讨论表面力引起的船体振动问题。表面力的主要频率是叶 频。叶频激励引起船体梁高阶垂向共振，高阶共振响应峰值平坦。如果产生有害振动， 不能采用避开共振区的办法。螺旋桨激励产生的根本原因在于尾部伴流场的不均匀性。 船尾伴流场的不均匀性，又主要取决于船体尾部水下部分的线型。对单桨船来说，又主 要取决于船体尾部横剖面肋骨形状及尾部水下部分的去流角。因此，在作船体线型设计 时，应尽量避免选极v 形的尾部船型，并要求螺旋桨上方o 7 r 处水线去流角小于2 5 0 减振设计流程见图3 1 。 船体尾郏振现晌 ；矗 改螺 耍歌桨类盟ij 改变浆叶致 图3 1 尾部减振设计流程 3 2 尾部线型设计与伴流场 3 2 1 伴流场衡准 为避免在营运船舶上因螺旋桨激励引起船上有害振动，首先要在船型设计时，控制 尾部伴流场的不均匀性，这是选择船体线型优劣的主要指标之一。为此，本研究采用英 国b s r a 制定的评价伴流衡准。 a 轴向最大伴流值 1 7 烈 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 图3 20 角区域的定义 在螺旋桨盘面上方铭= 1 0 。+ 3 2 6 0 和o 4 r 1 1 5 rg g en ，按船模伴流场试验测得轴 向最大伴流值应满足下列两个不等式中的小者。 既戤 o 7 5 c b 其中：z l 桨叶数； 戤一轴向最大伴流值； c 产方形系数。 b 最大可接受的伴流峰值 既“ 1 7 朋 式中：呒，珈7 尺处平均伴流。 c 伴流峰值宽度 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 伴流峰值宽度0 w v b ( 见图3 3 不得小于图3 2 中口b 值) 。 图3 3 伴流峰及其宽度的定义 d 伴流不均匀衡准 根据按式( 3 3 ) 计算出的螺旋桨叶梢部的空泡数口一和根据船模伴流场试验，按式 ( 3 4 ) 得出的伴流梯度肌所确定的工作点( 矾，口n ) 应落在可接受区域内，见图( 3 4 ) 所示。 图3 4 伴流不均匀衡准 9 9 0 3 一d 2 - 乙+ 兀 o r 2 飞丽瓦萨 式中：d 一螺旋桨直径，m ； z 产螺旋桨轴至基线距离，m ； 乃一船舶尾吃水，m ； 1 9 ( 3 3 ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 一螺旋桨转数，r s 。 巩：f 斗堕1 ( 3 - 4 ) 4 l l 一 儿足 式中：旷一1 0 r 半径上轴向伴流分数的周向平均值： 扩一1 o r 半径上轴向伴流分数的最大值； i n _ 1 o r 半径上轴向伴流分数的最小值。 e 对于空泡敏感的螺旋桨，即上述参数确定的工作点落在图3 4 的阴影区的螺旋 桨，在口口角度内0 7 r 至1 5 r 区间的各处还应满足式( 3 5 ) 南l 酬“。 式中：卜轴向伴流分数，即对应于口度角位置的值： 护一目占区间的角，r a d ； r 一螺旋桨半径，m ； 广- 计算半径，m 。 3 2 2 船体型伴流场试验及评价 对该型船船模型伴流场试验，用b s r a 衡准评价，结果见表3 1 和3 2 。 表3 1满载状态尾部伴流场评价 ( 3 - 5 ) 序号评价衡准本船数据评价 彤n 觚 o 7 5 l觚= o 7 8 0不满足 双 c 6 2 戤 eb 曰w p b = o 3满足 口口= ( 3 6 0 。z ) + i o 。 矽占= 1 0 0 0 9 9 0 3 一d 2 - - 一z u + l 5 o 0 5 1 切d ) 2 仃。= o 2 7 1 满足 4 = o 8 2 3 _ ( 与旁也足 5 上i ( 1 一矽) i 一“ i ( 1 一矿) | - l 石二2 2 不满足 ( o 7 r i 1 5 r ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 表3 2压载状态尾部伴流场评价 序号 评价衡准 本船数据评价 w r e a k 0 7 5 1o 7 0 满足 r v m a x c b 2 w m 缸 o s0w p s = 9 5 0 3 不满足 eb = ( 3 6 0 0 z ) + 1 0 0 护占= 1 0 0 0 9 9 0 3 一d 2 一z d + 瓦 4 仃n2 0 0 5 1 ( 砌) z “o n = o 1 3 3 不满足 = ( 等蛔l = 0 5 4 7 5 上l ( 1 一矿) i “一 0 9 1 2 满足 ( 0 7 r 一1 1 5 r ) 3 3 螺旋桨诱导的脉动压力及评价 3 3 1 螺旋桨诱导的脉动压力 a 无空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量 a p = 等古( 别 协6 ， 式中：凹一无空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量幅值，n m 2 ； ，广螺旋桨转数，r m i n ； d 厂螺旋桨直径，m ； z 一桨叶数； d 卜当桨叶位于正上方时，从0 9 r 处到计算点的距离，m ，见图( 3 5 ) 所示。 计算点e 是指桨叶正上方处浸入水中船壳板上的点。 肠一系数，按式( 3 7 ) 计算： k o = 1 8 + o 4 睾 7 ， i 卜螺旋桨半径，m 。 2 1 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 图3 5 未定义 b 空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量 必：盟22 型鹫2 丫上r 1 4 0 吃+ 1 0 。4i 以r ) 式中：空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量幅值，n m 2 ： 嗍速，m s ； j l z 厂桨轴沉深，m ； 肠一系数： 当d f l r 1 时，丘- 1 7 0 7 d s r ； 当盔侬1 时，砭= 1 o ： 肱m 。x - 轴向最大伴流分数，取测量值； 路一平均轴向实效伴流分数，对单桨无导管桨船舶，可按下式计算： w e = 0 7 眠+ + 暇) 式中：晒，按图3 - 6 查得。 注；l - - 水线长；黟一水线宽；d 一嫘旋桨直径；6 一方形系数 图3 - 6 单桨船的尾流系数 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 c 螺旋桨诱导的总脉动压力叶频分量幅值，n m 2 。 必= 扛蕊 ( 3 。1 0 ) 式中：ap z - 螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量合成幅值，n n 1 2 。 3 3 2 脉动压力衡淮 用( 3 1 0 ) 式计算出的脉动压力叶频分量p ：，应满足下式： 必 8 k n m 2 3 3 3 本船计算结果 本船螺旋桨诱导脉动压力计算结果见表3 3 。 表3 3螺旋桨诱导的脉动压力 尾吃水 螺旋桨螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量，p a 状态转速 无空泡有空泡合成 ( m ) 试验值标准值评价 ( r p m )a p a p c a p z 满载 2 1 07 47 9 53 1 4 7 83 2 4 6 62 8 4 9 58 0 0 0 满足 压载 1 1 47 47 9 52 7 4 9 22 8 6 1 98 0 0 0满足 3 4 螺旋桨激励引起的船体振动响应近似计算方法 3 4 。1 螺旋桨无空泡情况 堋舶帮劳嘉。击 式中：a e l 一无空泡时螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量7 1 起船体梁上甲板尾端垂向加速 度，m s 2 矾伴流梯度，按式( 3 4 ) 计算： 4l 包括附加水在内的船舶总质量，按式3 1 2 计算； c 一叶梢间隙，见图3 7 所示； d 一螺旋桨直径，r n ； z _ 螺旋桨叶数； ，z o 一船舶满载工况，主机为额定转数时，螺旋桨的转数，r s ： 俨螺旋桨上方船体肋骨倾角度数，按图3 8 量取； 尸广螺旋桨轴功率，k w ，按式( 3 1 3 ) 计算。 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 式中：4 一船舶排水量，t ； 磊一船舶平均吃水，m ； 廖一船宽，m 。 卟( 1 2 + 抖 ( 3 1 2 ) 。母只。i 丢 协 式中：尸矿一船舶满载工况，主机为额定转数时，螺旋桨轴功率，k w ； o _ 船舶满载工况时船舶排水量，t ； 扩螺旋桨实际转数，r s 。 图3 7 螺旋桨间隙图3 8口角定义 3 4 2 螺旋桨有空泡情况 纠4 埘等。粉，劳古百1 ( 3 - 1 4 ) 式中：吼厂有空泡时螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量引起船体梁上甲板尾端垂向加速 度，m s 2 ； o r 1 一空泡数。 3 4 3 本船计算结果 本文对两种典型装载状态进行了螺旋桨激励引起的船体梁尾端点振动响应计算，结 果如表3 4 ： 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 表3 4螺旋桨激励引起的船体梁尾端点振动响应 尾吃水尾端点振动响应响应标准 状态排水量( t )空泡判别评价 ( m )( m r n s )l i l m f s 无空泡时0 9 6 8 4 满足 满载2 1 o3 4 2 5 1 5 有空泡时2 2 9 8 i 2 1z 时，取乜= 2 0 ： 当上层建筑第一层甲板室长度l l = l ，且烟囱突出在3 层以上或近似于d 型，取 缸；1 。4 5 ； 其他情况， 图4 2l 的确定 2 8 = 岛 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 4 2 2 上层建筑整体纵向振动固有频率近似计算结果 ( 1 ) 本船上层建筑尺寸概况 上层建筑层数 n = 6 上层建筑总高度胙1 8 8 7 m 上层建筑各层长度i i = 2 4 6 5 m ，1 2 = 1 3 = 1 4 = j s = 1 2 7 5 m ，b 6 = 1 5 m 上层建筑各层宽度 b t = b 2 = b 3 = b 4 = b s = 2 5 2 m ，1 6 = 1 5 m 上层建筑内连续纵壁和侧围壁数之和2 ，_ 3 支持上层建筑根部的主船体两横舱壁间距离l - - 2 4 6 5 m 上层建筑所在位置船宽 b = 5 8 m ( 2 ) 计算结果 按式( 4 1 ) 计算结果，上层建筑整体纵向振动固有频率为7 6 8 h z 。 ( 3 ) 其他估算方法 日本海事( n k ) 协会估算方法估算结果： 产6 8 h z 挪威船级社( d n v ) 估算方法估算结果： 产9 1 i - i z 英国劳氏船级社( l r ) 估算方法估算结果： 产9 1 h z 英国船舶研究协会( b s r a ) 估算方法估算结果：产8 h z 三井造船公司富田汉估算结果： 产8 8 h z 所有估算结果取平均值为 产8 2 h z 4 3 上层建筑整体振动固有频率储备 ( 1 ) 频率储备系数 刁= 要 式中：n 一上层建筑整体振动固有频率储备系数。 r l 1 1 5 或r l 1 1 5满足 主机7 阶 6 5 77 5 8 3 7 6 81 0 1 3 0 8 5 不满足 3 0 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 第五章船体局部振动 5 1 引言 船体局部振动是指船上各种局部构件的振动。局部振动常发生在尾部、机舱和上层 建筑等区域。在各种激励作用下，有时会引起船体结构中的梁、板、加筋板、板架等结 构产生有害振动，有时也会导致桅杆和上层建筑结构整体发生有害振动。 机动船舶上出现局部振动现象是经常发生的，但应避免有害的局部振动。因为有害 的局部振动不仅会影响船上各种设备和仪表的正常工作，使船上人员疲劳和不舒适，有 时还会引起局部结构损伤。 船体局部振动与船体总振动是互相耦合的，当两者固有频率相差较大时，可以不考 虑两者的耦合，即从整个船体结构中分离出上层建筑、桅杆、尾部结构立体舱段、机舱 结构立体舱段计算模型，将其周边连接结构当作需要计算结构的边界条件处理。有时这 种立体舱段模型计算出的振动特性难以分清各部位的振动模态。为此，通常再将立体舱 段分割成甲板结构、舷侧结构、舱壁结构、底部结构和平台结构等计算模型。为了计算 方便，有时又将上述结构简化成板、加筋板和板架以进行振动计算。 船上的局部构件很多，欲详尽无遗地对所有构件进行振动分析，既实现困难也无必 要。为此，本文主要研究上层建筑、尾部和机舱区域的局部结构的振动计算，对其中的 板和加筋板按固有频率公式计算，对各种复杂局部结构，用有限元方法进行振动分析。 5 2 板的固有频率 5 2 1 引言 船体是由板和骨架组成，而且许多大型骨架( 构件) 也是由板组成。因此板的振动 计算也是船舶振动计算的一个重要内容。板的振动可能是由直接作用在板上的激励所引 起的，如在螺旋桨上方的船壳外板：也可能是由板的边界振动所引起的，如机舱底部中 内底板和外底板。 船上的板，多数是用纵横骨架支持的连续板，若骨架有足够刚度时，可把骨架作为 板的支座。当板振动时，骨架和相邻板都阻止板边相互靠近，使板中面发生变形而产生 悬链应力，板呈现有限刚性板的特性，这种板振动是属于非线性问题。工程上通常都忽 略板中的悬链应力，把板视为刚性板，按线性振动计算。若内架刚度不足时，把骨架看 作板的扶强材，按具有扶强材加强的板格计算，见图5 1 所示。 骨架支持的连续板，振动时可呈现两种形状。对称形状，见图5 2 ( a ) 所示，这种 情况，可当作刚性固定在骨架上的板处理。当振动形状为反对称形状时，见图5 2 ( b ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 所示，这时可当作自由支持在骨架上的板来处理。但骨架抗扭刚性很大时，则对板的振 动是有一定影响的。所以骨架支持的连续板，是处于自由支持与刚性固定之间。 5 2 2 矩形板固有频率 5 2 2 1 在空气中矩形板首阶固有频率 ( 1 )四边简支矩形板首阶固有频率 ：l _ 一 图5 3 四边简支矩形板 舻2 舶川6 r ( 古+ 古) 式中：兀。矩形板在空气中首阶固有频率，h z ； r 板的长边，m m ： 沪一板的短边，m m ： ( 5 1 ) 一 一潞f 蛐 _一 蔓 配 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 t - - - - 板的厚度，m i l l 。 ( 2 )四边刚性固定矩形板首阶固有频率 驴5 触r ( 吉+ 古) 图5 4 四边固定矩形板 ( 5 2 ) ( 3 ) 由纵横骨架支持的船上连续板 这种连续板的固有频率介于四边简支和四边刚性固定之间，又由于板的中面存在悬 链应力，本预报方法，根据船上连续板实测的固有频率，采用回归分析方法，获得船上 连续板首阶固有频率公式为： 舻3 鹏川6 吉+ 古) 3 ， 5 2 2 2 在水中矩形板首阶固有频率 石= 矾 式中：p 附连水系数； 矽= 式中：c r _ 一系数，板两面浸水时，取c = 0 0 8 ，板一面浸水时，取c = o 0 4 。 5 2 3 具有一个方向加强的四边简支矩形板格固有频率 ( 1 ) 在空气中固有频率 生一 图5 5 四边简支加筋板 3 3 ( 5 - 4 ) 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 f o = - 等x 1 0 5 褊 5 ， 式中：五i 矩形板格在空气中首阶固有频率，h z ； 卜加强板的宽度，c m ； r 加强板的长度，c m ； 。 r 加强筋间距，c m ： r 加强筋个数； 卜一计及附连带板的加强筋的惯性矩，c m 4 ； f 广板的等效厚度，c m ； a ，z t e 引+ 而而 其中：卜板厚，c m ； 么加强筋自身面积，c 优2 ； 卜修正系数，加强筋截面为对称形时取1 0 ，非对称形时取0 8 5 。 ( 2 ) 有一个方向加强的四边简支的矩形板格在水中首阶固有频率 = 等枷5 捅曲： 6 ， 式中：0 2 附连水系数 2 = 其中：c _ 系数，两侧浸入水中c - - 0 0 8 ；一侧浸入水中c = 0 0 4 。 5 2 4 板架的固有频率 ( 5 7 ) 5 2 4 1 引言 船体构架可分为甲板板架、底部板架、舷侧板架、支柱及平台等，它们之间相互连 接，构成空间构架，用有限元法能获得较高精度的固有频率，但此方法工作量大，在设 计阶段按振动要求来设计船体构架有一定困难。为此可将船体构架分成甲板板架、底部 板架、舷侧板架、舱壁板架、平台板架等平面板架。现在一般用有限元法计算固有频率 和振型。 大连理工查兰三堡堡主兰堡笙茎! 塑奎型垫丝堡垫坌堑堕壅一 一一 5 2 4 2 用有限元法求数根交叉构件组成的任意形状的板架固有频率a 其步骤如下： ( 1 ) 板架振动微分方程式 ； 王哩巷 ? 磐。j ? ? 翌i ? 。 ： ， ； ： 拿雩囝 ； ， ；交 e ： ， ，5 ， 7 ； 囝“ ； j i ! 。j i 。1 _ 二? 。1 。：i 。i 、? ? ：= = ：二一一 图5 6 任意形状板架 支粱 船舶板架是由主向梁和交叉梁组成的交叉梁系。应用有限元法时，首先将板架交叉 梁系“离散化，成为由许多梁单元所组成的集合体，并把各梁单元的交结点视为结点， 如图所示为由二根交叉梁和三根主向梁组成的平面板架，现将它“离散化 为1 7 个号 亮梁组成的结构，图中编号的点为结点，结点之间为单元体。当然还可以将载荷作用点 以及其它某种需要所确定的点作为结点，划分为更小的梁单元，这要根据实际问题的需 要和求解精度而定，一般单元划分愈小，则愈接近精确解。但工作量增大。 将结构离散化”以后，就把板架这个无限个自由度振动系统化为有限个自由度系 统的振动问题。 有限个自由度系统自由振动方程式为 阻剜+ 陋) ：0 ( 5 - 8 ) 式中：嗍结构总质量矩阵； 【圃结构总刚度矩阵； 研各结点的位移矢量； 妙l 各结点的加速度矢量。 黑犄霍兰嚣磐躲不同的离散化方法，一致质量矩阵和集中质量矩阵，本文采用 质量矩阵一般有两种不同的离散化方法，一致质量矩阵和集甲j 页重炬p 牛，令义术川 集中质量矩阵。 | - m 0 1 0 l 阶l眠2 1 l 0 m o j 式中：m 击= 朋f o4 - 肌f ， 犬连理工大学工程硕= e 学位论文：超大型油船振动分析研究 其中：m f o _ 机器或者货物构成作用在结点之上的集中质量，k g ； m f 广板架本身质量凝聚在结点之上的集中质量，蚝。 ( 3 ) 刚度矩阵 圈 ( a ) 梁单元刚度矩阵 陋】= k 】r 匠k 】 式中： 胎卜一总座标0 - x y z 中的单元杆刚度矩阵； a 】座标转换矩阵 。1 2 e y 以= 帚 其中：彳广腹板面积( 剪切面积) ，c m 2 ； 广_ 一具有带板的梁截面惯性矩，c m 4 ； 卜单元长度，c m | 卜剪切弹性模数，n c m 。 f 。t m c i m y t f 日 m q m 岈 而1 2 e 丽i y 。 ，3 ( 1 + 矽：) 。 o 里 z 一而6 e 丽i y 。，2 ( 1 + 丸) 。 一而1 2 e 碉i y 。，3 ( 1 + 丸) 。 o一旦 z 褊12 。 ( 1 + 矽：) 。 图5 7 座标系 6 e y 1 2 ( 1 + 丸) o ( 4 + 矽z 归， 三( 1 + 屯) 6 e ly 1 2 ( 1 + 丸) o ( 2 一矽：) 彤， z ( 1 + ：) 3 6 x i 一褊。 ，3 ( 1 + 矽，) 。 ；0一g j z ；褊1 2 。 ( 1 + ：) 。 1 3 罱0 。 + 丸) 。 io 旦 ， 一褊1 2 。 一_ _ _ _ - _ _ - _ i _ ：- _ 一 i ( 1 + ，) 。 6 e ， 1 2 ( 1 + ：) u ( 2 一痧z ) e i ， ，( 1 + 丸) 6 e y 1 2 ( 1 + 丸) 0 媳+ 咖t 、e i ， ，( 1 + 丸) 6 z l 矽耐 9 y t 6 q 矽掣 9 1 1 i 大连理工大学工程硕士学位论文：超大型油船振动分析研究 缩写成 忸。) = 匠】 玑 ( 5 - 9 ) ( b ) 结构总刚度矩阵 由于本文采用集中质量矩阵，在单元刚度矩阵形成总刚度矩阵后，总刚度矩阵要进 行曲减缩，其结构总刚度矩阵为： r - - k 桫 ( 5 1 0 ) 式中：7 】结构总刚度矩阵，即 k 】= 足i 砭。k 乏 e 。： k ：， k 幺 k ：n ( 5 1 1 ) ( c ) 边界条件 上面求得的结构总刚度矩阵是一个未受约束的结构刚度矩阵，为了确定板架结构弹 性振动模态，必须去掉刚体运动，所以应加上约束，即必须