船舶振动学船体学第0章

1、船体振动学船体振动学Ship Vibration 1 课程内容课程内容 2 课程目标课程目标 3 课程基本要求课程基本要求 4 参考教材参考教材 1课程内容课程内容本课程由振动力学的基本理论和船体振动两部本课程由振动力学的基本理论和船体振动两部分组成。分组成。2课程目标课程目标 掌握振动力学的基本理论和计算方法，能够掌握振动力学的基本理论和计算方法，能够对单自由度系统、简单的多自由度系统和简单的对单自由度系统、简单的多自由度系统和简单的弹性梁进行自由振动的计算和强迫振动的计算。弹性梁进行自由振动的计算和强迫振动的计算。 掌握船体振动的实用计算方法，能够对船体掌握船体振动的实用计算方法，能够对船

2、体及其局部结构进行自由振动的计算和强迫振动的及其局部结构进行自由振动的计算和强迫振动的计算。计算。 Ship Vibration 3课程基本要求课程基本要求（1）掌握无阻尼和有阻尼单自由度系统自由）掌握无阻尼和有阻尼单自由度系统自由振动和强迫振动的基本理论和计算方法振动和强迫振动的基本理论和计算方法（2）掌握多自由度系统自由振动和强迫振动）掌握多自由度系统自由振动和强迫振动的基本理论和计算方法的基本理论和计算方法（3）掌握弹性梁自由振动和强迫振动的基本）掌握弹性梁自由振动和强迫振动的基本理论和计算方法理论和计算方法（4）了解船体总振动和局部振动的力学模型）了解船体总振动和局部振动的力学模型的建

3、立和计算方法的建立和计算方法（5）了解船体振动产生的原因）了解船体振动产生的原因（6）了解船体振动衡准和防振减振措施）了解船体振动衡准和防振减振措施 Ship Vibration 4参考教材参考教材 翁长俭，张保玉编。船体振动学，人民交翁长俭，张保玉编。船体振动学，人民交通出版社，通出版社，1985。 翁长俭，张保玉编。船体振动学，大连海翁长俭，张保玉编。船体振动学，大连海运学院出版社，运学院出版社，1992。Ship Vibration船体振动学船体振动学 第第0 0章章 绪论绪论 Ship Vibration 0.1 基本概念基本概念 0.2 学习目的学习目的 0.3 振动问题的提法振动问

4、题的提法 0.4 振动系统振动系统 0.5 振动问题的分类振动问题的分类 Ship Vibration 0.1 0.1 基本概念基本概念Ship VibrationShip Vibration 0.1 0.1 基本概念基本概念振动振动：从广义上讲，如果表征某种运动的物理量：从广义上讲，如果表征某种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化，这种运动就可作时而增大时而减小的反复变化，这种运动就可以称为振动。以称为振动。如果变化的物理量是一些机械量或力学量，例如如果变化的物理量是一些机械量或力学量，例如物体的位移、速度、加速度、应力及应变等等，物体的位移、速度、加速度、应力及应变等等，这种振动便称为

5、这种振动便称为机械振动机械振动。振动是自然界最普遍的现象之一。例如：振动是自然界最普遍的现象之一。例如：（1）船舶和飞机在航行中的振动；）船舶和飞机在航行中的振动；（2）桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动；）桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动；（3）机床和刀具在加工时的振动；）机床和刀具在加工时的振动；（4）心脏的搏动、耳膜和声带的振动。）心脏的搏动、耳膜和声带的振动。 Ship Vibration 0.1 0.1 基本概念基本概念各个不同领域中的振动现象虽然各有特色，但往各个不同领域中的振动现象虽然各有特色，但往往有着相似的数学力学模型。正是在这种共性的往有着相似的数学力学模型。正是在这种共

6、性的基础上，有可能建立一种统一的理论来处理各种基础上，有可能建立一种统一的理论来处理各种振动问题。振动问题。振动力学振动力学：借助数学、物理、实验和计算技术，：借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用振动的积极因素，为克服振动的消极因素，利用振动的积极因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据。合理解决各种振动问题提供理论依据。 0.2 0.2 学习目的学习目的Ship VibrationShip Vibration 0.2 0.2 学习目的学习目的许多情况下，振动是有害的许多情况下，振动是有害的

7、。振动有时是造成机械和结构破坏和失效的直接原振动有时是造成机械和结构破坏和失效的直接原因。例如：因。例如： 1940年美国的年美国的Tacoma Narrows（塔科马）吊（塔科马）吊桥因桥身扭转振动和上下振动导致倒塌；桥因桥身扭转振动和上下振动导致倒塌； 1958年美国第一颗人造卫星年美国第一颗人造卫星“探险者探险者I号号”因因天线的振动导致卫星自旋运动不稳天线的振动导致卫星自旋运动不稳 ； 1972年日本海南电厂的一台年日本海南电厂的一台66万千瓦的气轮发万千瓦的气轮发电机组因异常振动导致全机毁坏；电机组因异常振动导致全机毁坏；学习振动力学的目的之一学习振动力学的目的之一：掌握振动的基本理

8、论：掌握振动的基本理论和计算方法，从而确定和限制振动对工程结构和和计算方法，从而确定和限制振动对工程结构和机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。 Ship Vibration 0.2 0.2 学习目的学习目的振动也有它积极的一方面，是可以利用的振动也有它积极的一方面，是可以利用的。例如：例如： 振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础；振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础； 工业用的振动筛、振动沉桩、振动输送等都是工业用的振动筛、振动沉桩、振动输送等都是利用振动利用振动 。学习振动力学的目的之二学习振动力学的目的之二：利用振动理论去创造：利用振动理论去

9、创造和设计新型的振动设备、仪器及自动化装置。和设计新型的振动设备、仪器及自动化装置。 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法Ship VibrationShip Vibration 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法工程上称振动问题的研究对象为工程上称振动问题的研究对象为系统系统，它可以是，它可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等。等。外部激振力等因素称为外部激振力等因素称为激励激励（输入）（输入）系统发生的振动称为系统发生的振动称为响应响应（输出）（输出）激励（输入）响应（输出）系统Ship Vibration 0.3 0

10、.3 振动问题的提法振动问题的提法振动问题按这三个环节可分为三类问题振动问题按这三个环节可分为三类问题第一类：已知激励和系统，求响应；第一类：已知激励和系统，求响应；第二类：已知激励和响应，求系统；第二类：已知激励和响应，求系统；第三类：已知系统和响应，求激励。第三类：已知系统和响应，求激励。 激励（输入）响应（输出）系统Ship Vibration 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法第一类：已知激励和系统，求响应第一类：已知激励和系统，求响应 正问题正问题；动力响应分析动力响应分析 主要任务是验算结构、产品等在工作时的动力响应主要任务是验算结构、产品等在工作时的动力响应（如位移、应

11、力等）是否满足预定的安全要求和其（如位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要求。它要求。在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验算，若不满足预定要求再作修改，直到达到要求而算，若不满足预定要求再作修改，直到达到要求而最终确定设计方案，这一过程就是所谓的最终确定设计方案，这一过程就是所谓的振动设计振动设计。 激励（输入）响应（输出）系统?Ship Vibration 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法第二类：已知激励和响应，求系统第二类：已知激励和响应，求系统第一类逆问题第一类逆问题；系统识别，系统辨识系统识别，系统辨识 主要任务是估

12、计系统的物理参数（如质量、刚度主要任务是估计系统的物理参数（如质量、刚度和阻尼系数等）和系统振动的固有特性（如固有和阻尼系数等）和系统振动的固有特性（如固有频率、固有振型等）。频率、固有振型等）。以估计系统的物理参数为任务的叫做以估计系统的物理参数为任务的叫做物理参数辨物理参数辨识识，以估计系统振动的固有特性为任务的叫做，以估计系统振动的固有特性为任务的叫做模模态参数辨识态参数辨识或者或者试验模态分析试验模态分析。 激励（输入）响应（输出）系统?Ship Vibration 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法第三类：已知系统和响应，求激励第三类：已知系统和响应，求激励第二类逆问题第二

13、类逆问题；环境预测环境预测 例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要通过实地开车记录汽车振动和产品振动，来估计通过实地开车记录汽车振动和产品振动，来估计运输过程中的振动环境是怎样的，运输过程对于运输过程中的振动环境是怎样的，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根据的为产产品是怎样的一种激励，这样才能有根据的为产品设计可靠的减振包装。品设计可靠的减振包装。激励（输入）响应（输出）系统?Ship Vibration 0.3 0.3 振动问题的提法振动问题的提法上述三类问题基本囊括了现实振动中的所有问题。上述三类问题基本囊括了现实振动中的所有问题。

14、本课程仅介绍第一类问题。本课程仅介绍第一类问题。 激励（输入）响应（输出）系统?激励（输入）响应（输出）系统?激励（输入）响应（输出）系统? 0.4 0.4 振动系统振动系统Ship VibrationShip Vibration 0.4 0.4 振动系统振动系统振动系统三要素振动系统三要素：质量，刚度，阻尼。：质量，刚度，阻尼。质量（包括转动惯量）是感受惯性的元件，刚度质量（包括转动惯量）是感受惯性的元件，刚度是感受弹性的元件，阻尼是耗能元件。是感受弹性的元件，阻尼是耗能元件。Ship Vibration 0.4 0.4 振动系统振动系统振动系统一般可分为连续系统和离散系统。振动系统一般可分

15、为连续系统和离散系统。（1）连续系统连续系统（无限多自由度系统，分布参数（无限多自由度系统，分布参数系统）系统） 结构参数（质量，刚度，阻尼等）在空间上连续结构参数（质量，刚度，阻尼等）在空间上连续分布。弹性体是具有无限多自由度的系统，它的分布。弹性体是具有无限多自由度的系统，它的振动规律要用时间和空间坐标的函数来描述，其振动规律要用时间和空间坐标的函数来描述，其振动方程是振动方程是偏微分方程偏微分方程。（2）离散系统离散系统（多自由度系统）（多自由度系统）结构参数为集中参量。所建立的振动方程是结构参数为集中参量。所建立的振动方程是常微常微分方程分方程。 0.5 0.5 振动问题的分类振动问题

16、的分类Ship VibrationShip Vibration 0.5 0.5 振动问题的分类振动问题的分类按系统的自由度来划分：按系统的自由度来划分：（1）单自由度系统的振动单自由度系统的振动 具有一个自由度的系统的振动。具有一个自由度的系统的振动。（2）多自由度系统的振动多自由度系统的振动 具有两个或两个以上自由度的系统的振动。具有两个或两个以上自由度的系统的振动。（3）连续系统的振动连续系统的振动 连续弹性体的振动。这种系统具有无穷多个自由连续弹性体的振动。这种系统具有无穷多个自由度。度。 Ship Vibration 0.5 0.5 振动问题的分类振动问题的分类按系统特性或运动微分方程

17、的类型来划分：按系统特性或运动微分方程的类型来划分：（1）线性振动线性振动 系统的运动微分方程为系统的运动微分方程为线性方程线性方程的振动。相应的的振动。相应的系统称为系统称为线性系统线性系统。线性振动的一个重要特性是。线性振动的一个重要特性是线性叠加原理成立线性叠加原理成立。（2）非线性振动非线性振动 系统的运动微分方程为系统的运动微分方程为非线性方程非线性方程的振动。相应的振动。相应的系统称为的系统称为非线性系统非线性系统。对于非线性振动，线性。对于非线性振动，线性叠加原理不成立。叠加原理不成立。本课程仅介绍线性振动。本课程仅介绍线性振动。 Ship Vibration 0.5 0.5 振动问题的分类振动问题的分类按激励特性来划分：按激励特性来划分：（1）自由振动自由振动 没有外部激励，或者外部激励消失后，系统自身没有外部激励，或者外部激励消失后，系统自身的振动。的振动。（2）强迫振动强迫振动 系统在作为时间函数的外部激励下发生的振动，系统在作为时间函数的外部激励下发生的振动，这种外部激励不受系统运动的影响。这种外部激励不受系统运动的影响。（3）自激振动自激振动 系统受其自身运动诱发出来的激励的作用而产生系统受其自身运动诱发出来的激励的作用而产生和维持的振动，例如小提琴发出的乐声，飞机机和维持的振动，例如小提琴发出的乐声，飞机机翼的颤振等。翼的颤振等。S