船舶振动学复习

1、自由振动一一系统对初始激励的响应通常称为自由振动。强迫振动系统对外部作用力的响应称为强迫振动。粘性阻尼力一一系统与外界的粘性流体接触时，在速度不高的情况下所产生的阻尼力。它 与接触的材料无关，而与运动体的大小、形状及流体的粘性有关，其方向与运动方向相 反，与振动体的运动速度成正比，又称线性粘性阻力。流体动力阻尼力一一系统与外界的粘性流体接触，且速度较高，并在粘性较小的流体中运 动时，即发生与速度平方成正比的阻力，称为流体动力阻力或高次阻力，其方向与运动 方向相反，又称为非线性粘性阻力。材料内阻尼力一一是由于实际的材料并不是完全弹性而引起的，所以又称为材料的非弹性 阻尼力。结构内阻尼力一一由于系

2、统本身结构装配或连接而引起的，比前者大得多以上两者属于内阻尼力，是由于系统内部的原因引起的均匀直梁弯曲自由振动的特性均匀直梁是具有分布质量及抗弯刚度的无限自由度系统固有频率和固有振型是结构的固有特性不仅与材料的性质、结构的刚度等因数有关 而且还和边界条件有关当梁做任一主振动时类似于单自由度系统的振动在所讨论的线性振动范围内 均匀直梁弯曲自由振动是无限多个主振动的线性叠加 梁中任一点的运动则是各主振动所引起运动的总和。固有振型具有正交性 即各固有振型之间是相互独立的。转动惯量和剪切变形对梁的横向振动的影响转动惯量使系统的有效质量增加，剪切的作用使系统的刚度下降，均使系统的固有频率 降低，其中剪切

3、变形的影响大于转动惯量的影响，对于细而长的梁或梁的高阶振动必须 计及剪切和转动惯量的影响。船体总振动及分类整个船体的振动称为总振动，这时将船体视为一根两端自由支持的变截面空心梁。包括:1垂向振动，在船体的纵中剖面内的垂向弯曲振动；2水平振动，在船体的水线面内的弯曲振动；3扭转振动，船体横剖面绕纵向轴线的振动；4纵向振动，船体横剖面沿其纵向轴线作纵向抗压的往复振动。计算船体总振动的力学模型一维梁模型：船体梁总振动的梁模型，是有一排船体梁单元（一般在10-20个单元）通 过结点相互联接而形成的，每一单元质量和刚度性质均有船舶实际情况简化而成，船 体梁的质量应包括附连水质量。二维平面模型：是将空间的

4、船体结构向中纵压缩后构成的平面。三维立体模型：把船体视为一根漂浮在水中、两端完全自由、质量及剖面惯性矩沿船长 变化的变截面梁。混合模型：船尾采用三维有限元模型，而船体的前部采用船体梁，两者通过适当的处理予 以连接而形成的一种杂交的三维模型。船体局部振动一一船体局部结构如板架、梁、板等对于整个船体所作的附加振动称为局部 振动。船体梁振动的外阻尼和外阻尼一一外阻尼主要是指船体振动时水产生的阻尼（空气阻尼一般可忽略）.内阻尼是指船体构件之间的摩擦引起的阻尼，材料的非弹性引起的迟滞 阻尼和船舶所装货物之间的摩擦及货物与船体之间的摩擦产生的阻尼。舷外水对船体总振动的影响一一主要是重力的影响，阻尼的影响和

5、惯性的影响三个方面。 重力的影响归结为船体所受浮力的变化。由于浮力作用船体梁就如同置于一个弹性基础上的梁一样，对水平振动和扭转振动的影响不存在，对垂向振动的影响较小。舷外水的阻尼包括摩擦阻尼和兴波阻尼两部分。一般来说，阻尼对自由振动的影响很小， 可忽略不计。惯性的影响反应在参与船体振动时等效质量的改变，一部分舷外水与船体一起振动，称为 附连水质量，具有与船体质量同阶甚至更大的量值，可使船体自由振动频率大大降低。当船体发生低谐调振动和高谐调振动时，如何有效的减小船体总振动？高谐调的主振动具有较多的节点，较高的频率，较短的周期；较低谐调的主振动具有较 少的节点，较低的频率，较长的周期。降低船体振动

6、的主要原则是低频振动时要避免共 振，高频时要减小激振力。当船体发生共振和未发生共振时，需不需要考虑由总振动引起的附加应力及其原因？ 需要考虑。船体梁是浮在水面上的，当它振动时，环绕船体周围的水也将处于运动状态 而产生附加应力。附加应力包括由于舷外水对船体总振动的影响而引起的复原力、附加 阻尼力和附加惯性力。她们会吸收船体的一部分能量，从而使船体总振动频率降低。当 船体发生共振时，其降低后总振动频率（固有频率）趋近于激振力频率。当船体未发生 共振时，其降低后的固有频率远离激振力频率。考虑附加应力后，可以为有效避免船体 共振提供依据。船体振动的危害及其控制振动的主要措施危害：1 .振动及由振动引起

7、的噪声使船员和旅客感到不舒适，容易疲劳，工作效率降低， 甚至影响身体健康；2.影响船上设备、仪表的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿 命；3振动易使高应力区的船体结构等出现裂缝或疲劳损坏；4.振动及其产生的噪声 对军用舰只的作战和隐蔽性能危害极大。措施：1、防止共振防止船体梁共振。使船体梁第一、二谐摇固有频率与激振力频率 分别错开、15%和20%；改变船上载荷的分布来调整固有频率；改变船体梁的刚度来 调整固有频率防止局部共振。板架、梁加强，改变支持或质量，采用频率储备。2、 减小螺旋桨激励。通过改变螺旋桨与船体的间隙，桨叶数，螺距，盘面比，桨的形状 等来减小其激励；使用导流鳍，隧道尾，导管桨来

8、使螺旋桨盘面内的伴流均匀，U型 尾有利于减小螺旋桨激励3、减小主机激振。选择平衡性好的主机；选择恰当的安装 位置；安装平衡补偿4、减小激振力的传递。减小柴油机激振力的传递，如在机座下 安装减震器；减小螺旋桨激振力的传递，如采用弹性尾轴管，避振穴。避振穴的主要 作用是利用橡皮膜及空气室吸收螺旋桨传来的脉动压力船体总振动估算的目的在船体设计初期，为避开低阶共振，在选择主机，决定船体主尺度时，就需要对船体梁 的固有频率进行估算。但在设计初期，详细计算所需要的一些原始数据均还未得到，要 对船体振动进行详细的计算是不可能的，而且设计的方案很多，计算工作量将相当大， 故一般选用经验公式进行估算。船体产生振

9、动过大的原因1、设计问题。设计时考虑不周或计算错误。船舶主尺度与主机的选择，螺旋桨与船体及 附属体间隙以及尾部线型的配合，布置和结构的连续性等；2、建造质量问题。螺旋桨 制造质量差，轴线对中不良，结构连续性破坏，焊接残余应力与初挠度等；3、营运管 理问题。船体装载不当，轴系变形，主机各缸燃烧不均匀，机件磨损，松动，螺旋桨受 损等。螺旋桨工作时所引起的干扰力（轴频干扰力、叶频干扰力、表面力、轴承力）的概念、 产生的原因、与那些因素有关螺旋桨工作时所引起的干扰力与螺旋桨的形状参数，船体（包括附体）后体线型和航 速有关。轴频干扰力：概念：激振频率等于桨轴转速的一阶激振力，它是由螺旋桨的机械不平衡引起

10、的（与制造 质量有关）；产生原因：A.机械静力不平衡（加工不准确，材料不均匀，工艺工差分布不均匀，桨叶 形状不同等）B.机械动力不平衡（各桨叶在轴线方向略有错开，而使各桨叶的重 心不在同一盘面内）C.水动力不平衡（各桨叶的几何要素不相同，就会产生水动 力不平衡的情况）叶频干扰力：概念:激振频率等于桨轴转速n乘以桨叶数或桨叶数倍数的高阶激振力，它是由螺旋桨 在不均匀流场中工作引起的（与制造质量无关）。分类：表面力：概念：螺旋桨转动时经水传至船体表面的脉动水压力（称为螺旋桨脉动压力），沿其船体 表面的积分值（合力）称为表面力。产生原因：叶面叶背压力差使水流在叶梢处形成螺旋涡系；叶厚效应 主要影响因

11、素：螺旋桨叶梢与艉壳板的间隙大小；螺旋桨的叶数轴承力：概念：螺旋桨在船后工作时，由于伴流在周向分布的不均匀性，使作用于桨叶上的流体 力发生变化而引起的激振力，因它通过桨轴和轴承作用于船体，故称为轴承力。轴承 力只在不均匀的流场中存在，伴流越不均匀，轴承力就越大。螺旋桨脉动压力的产生是因为载荷效应和叶厚效应，其大小的影响因素主要是螺旋桨叶梢与 尾壳板的间隙大小及螺旋桨的叶数。它作用在外板的范围主要在螺旋桨正上方。柴油机运转时作用在船体上的周期干扰力：不平衡力和平衡力矩、侧向压力和倾覆力矩 的概念、产生的原因、与那些因素有关运动部件的惯性力产生的不平衡力和不平衡力矩，其幅值及频率取决于这运动部件的

12、质 量、发火顺序、缸数、冲程数、曲柄排列顺序及转速等。气缸内气体爆炸压力产生的对 气缸侧壁的侧向压力和倾覆力矩，其幅值及频率取决于缸径、工作压力、曲柄连杆长度 比、缸数和冲程数。船上板的横向振动的特点：（1）船上有些板单面或双面与水接触 （2）船上板是由骨架 支持的连续板，与边界条件有关（3）船体外板、内底板、甲板等存在中面力（4）船上板存在初始缺陷（5）相同尺寸的板固有频率不同（船上板是由骨架支持的连续板， 边界条件，弹性固定，船上板存在初始缺陷，船上有些板单面或双面与水接触，船底外 板、甲板等存在中面力，相同尺寸的板固有频率会不同）。23、船体防振与减振措施的基本原理1、防止共振防止船体梁

13、共振。使船体梁第一、二谐摇固有频率与激振力频率分别错开 15%和20%；改变船上载荷的分布来调整固有频率；改变船体梁的刚度来调整固有频率 防止局部共振。板架、梁加强，改变支持或质量，采用频率储备。2、减小螺旋桨激励。通过改变螺旋桨与船体的间隙，桨叶数，螺距，盘面比，桨的形状等 来减小其激励；使用导流鳍，隧道尾，导管桨来使螺旋桨盘面内的伴流均匀，U型尾有 利于减小螺旋桨激励。3、减小主机激振。选择平衡性好的主机；选择恰当的安装位置；安装平衡补偿4、减小激振力的传递。减小柴油机激振力的传递，如在机座下安装减震器；减小螺旋桨激 振力的传递，如采用弹性尾轴管，避振穴。避振穴的主要作用是利用橡皮膜及空气

14、室吸 收螺旋桨传来的脉动压力系统自由度：确定振动系统的运动所需的独立坐标数目即为系统的自由度数。若一个系统 只需要用一个坐标来确定，则为单自由度系统。广义坐标：确定系统在空间位置的独立参变量称为广义坐标线性振动：系统的振动可以用常系数线性微分方程来描述，称为线性振动固有振动：系统除受重力影响外，只受到弹簧恢复力作用，而不受其他外力的作用固有频率：对应固有振动，仅取决于系统的固有性质，与初始条件无关干摩擦阻尼力：系统与外界的固体相接触运动时，即产生摩擦阻尼，称干摩擦阻尼，也称 为库伦阻尼，方向与运动方向相反，大小取决于正压力N与干摩擦系数 （与静摩擦力 类似）准周期振动：由若干个简谐振动所组成的

15、振动虽不是周期性的，但它的特性基本上与周期 性的振动相接近，称为准周期性振动。（若任意两个谐振频率之比均为有理数，则此振动 是周期性的）稳态振动部分：由于振动的存在，自由振动部分很快消失，最后剩下的振动仅为强迫振 动，称为稳态振动部分或稳态响应。铁木辛柯梁理论：一般的梁单元是基于初等力学中的平断面变形的假定，在这个假定中， 实际上认为弯曲变形是主要的变形，剪切变形是次要的变形，可以不计。这对高度远小 于跨度的实腹板梁来说不会引起显著的误差，但对于有些空腹梁或者高度跨度比不是很 小的梁来说，就不太精确了，所以有必要计及剪切变形。迁移矩阵法基于此。铁木辛柯梁变断面计及剪切变 形计及转动惯 量计及附连水质量普通等直梁等断面不计剪切变 形不计转动惯量不计附连水质量欧拉梁（纯 弯）船体总振动阻尼的特性:船舶振动所受的力有干扰力、弹性恢复力、惯性力和阻尼力。阻尼 力的数值相对较弱，对低阶振动的主振动形式与频率影响不大，故可当做无阻尼振动考 虑。高阶振动阻尼影响增大，必须予以计及。船体总振动减小的原理：改变结构的固有频率或激励频率以避免共振；减小激励的幅值与 减小激励的