船体振动的衡准及减振方法

第四章船体振动的衡准及减振方法防振与减振措施4．3船体防振与减振措施4．3．1概述防振是指在船舶设计阶段，对船体的动力特性与响应进行预报并采取适当的途径与方法，确保船体振动能满足衡准的要求。尽管船舶在设计阶段已经采取了防振措施，但由于建造和营运等方面的原因，船舶在建成营运后仍有可能发生剧烈的振动。这时需对营运的船舶进行振动测量，对振源进行分析，寻找产生振动的原因，采取必要的减振措施。

无论是船舶设计阶段的防振措施还是营运船舶的减振措施，两者都是通过改变结构的固有频率或激振力频率以避免共振、减小激振力的幅值与减小激振力的传递以降低强迫振动的程度、增加结构刚度和阻尼等方法来减小船体的振动。4．3．2防止共振当激振力频率已知后，为避免共振就必须使船体结构的固有频率与激振力频率保持一定的差距(一般前者大于后者)，亦即使船体结构具有一定的频率储备。为了避免共振，常使第一、二谐调固有频率与激振力频率分别错开10％和20％，便可收到很好的效果。当能提出有根据的强迫振动计算结果时，还可使以上百分数降低。

需要指出的是船长是由船舶的性能所决定的，船舶排水量也不是从振动角度上考虑的，因而它们一旦确定之后，船体梁的固有频率就不易改变了。这时可考虑改变船上载荷的分布来调整固有频率，此外还可考虑改变船体梁的刚性来调整固有频率，这只有在船舶设计早期才可行，而且这种方法很不经济，应慎重考虑合理地设计上层建筑也可改变船体梁的刚性如果改变船体梁的固有频率仍难以避开共振时，也可以采用改变激振力频率的方法。改变激振力频率可从选择主机、减速箱、螺旋桨入手，其中改变减速箱的减速比、螺旋桨叶数是比较容易做到的。

4．3．3减小螺旋桨的激励1．螺旋桨与船体的间隙

螺旋桨与船体的间隙直接影响螺旋桨激振力的大小，对此各国船级社都有明确的最小值规定。实船试验证明，保证间隙特别是适当增大梢隙，将使螺旋桨的激振力得到改善。对此我国1996年《钢质海船入级与建造规范》规定，推进口与艉柱、舵柱之间的最小间隙建议不得小于从梢隙统计看尾部振动较小的单桨船，c值多在0.16D左右。单桨船的螺旋桨桨叶与外板的间隙建议不小于0.1D(为螺旋桨直径)。隧道型船舶的螺旋桨桨叶与外板的间隙可适当减小。用导流管和喷水推进装置的船舶，该间隙不受上述要求限制。2．螺旋桨叶数螺旋桨叶数的多少不但影响激振力的大小，而且影响激振力的频率，因此选择叶数应尽量避免干扰力频率与船体或局部结构固有频率相近。

在无空泡情况下螺旋桨所激起的表面力的大小，随叶数的增加而减小，所以从振动角度出发，应尽可能地选用多叶螺旋桨，但随着叶数的增多，推进效率可能降低，叶数的增加还可能引起上层建筑结构的共振，故叶数的选择必须全面考虑。

3．螺距改善螺距可以改善螺旋桨径向载荷分布，例如外半径叶剖面采用较小的螺距和拱度，可卸掉叶梢载荷，有时效果较好。

4．盘面比盘面比主要对由于桨盘面处流速不均匀而产生的轴承力有影响。减小盘面比可大大减小推力和扭矩的脉动幅值，同时使垂向和水平弯矩及水平横向激振力也略有减小。

5．螺旋桨形状

采用大侧斜桨叶，它能减小导边进入高伴流区时导边的冲击效应，同时增大了叶梢与船壳板的间隙，因而可以在很大程度上减小螺旋桨的激振力。但叶根应力增高，不适用于高速螺旋桨。

6．使螺旋桨盘面内的伴流均匀化

理论研究、模型试验和实船测试表明，螺旋桨盘面内的伴流分布，对螺旋桨激振力的大小起着重要作用，而船舶尾部线型对伴流的形成又有很大影响，故设计尾部线型时，除了满足快速度性要求外，还应考虑减振的要求。其总的原则：使螺旋桨来流和去流畅顺，尽可能避免旋涡的形成，使伴流尽可能均匀等。单桨船U型艉的轴向伴流较V型艉均匀，球型艉和开式艉间隙大，伴流变化小，脉动压力小，推力系数较高。7．采用导流管螺旋桨螺旋桨安装导流管后，不仅螺旋桨(中、高载荷)的效率高，而且由于导流管的存在减小了斜流的影响，同时又能使导流管上下来流趋于均匀，因此将导致螺旋桨产生的表面力和轴承力大大减小。4．3．4减小主机激振

1．选择平衡性较好的主机柴油机是引起船体振动的主要振源之一，在船舶设计阶段就应注意选择具有较小不平衡惯性力和不平衡惯性力矩的柴油机作主机，这是至关重要的。柴油机缸数越多其一般平衡性就越好。

考虑到与船体低谐调共振的可能性，在船舶设计初期选择主机时，应特别注意主机在常用转速内与船体发生低谐共振一般是不允许的。

2．主机位置恰当地选择主机的位置，可以减小主机引起的船体振动。但必须指出，设计阶段确定主机位置的把握程度，与实船振动的测试经验和资料积累是分不开的。当主机有不平衡惯性力时，应尽可能将主机布置在与船体相对应谐调振动的腹点上；当存在不平衡惯性力矩时，则应尽可能将主机布置在与船体相对应谐调振动的腹点上，这样布置将使主机的激振力不致引起船体大的振动。3．安装平衡补偿

若已选用了不平衡柴油机作船舶主机，则应采取有效的平衡和减振措施，以减小激振力对船体的干扰。

在机体上加适当的平衡装置，使得平衡装置所产生的力矩数值与柴油机存在的不平衡力矩数值相等，但相位相反就能基本上消除二阶纵摇力矩，实际上对于其他阶的力或力矩均可采用这种内平衡装置。4．3．5减少激振力的传递

1．减小柴油机激振力的传递对不平衡的主机、辅机等都可在机座下装设减振器，以减小机器干扰力对船体的传递。为了达到隔振的目的，应使柴油机的干扰频率与柴油机加上减振器的系统的固有频率之比。

2．减小螺旋桨激振力的传递(1)弹性艉轴管为了减小船体尾部的振动，可利用弹性艉轴管来减小螺旋桨激振力。弹性艉轴管的原理见图4—24(a)，艉轴管呈悬臂梁形式弹性地支撑螺旋桨，相当于图4—24(b)所示的质量弹簧系统。图4—41图4—40由隔振原理可知，若这一质量弹簧系统的固有频率大大低于螺旋桨激振力频率，则螺旋桨激振力(主要是轴承力部分)对船体的作用将大大减小。同时，由于螺旋桨远离船体，伴流不均匀的影响大大减少，螺旋桨的激振力幅值本身也将迅速降低。

(2)螺旋桨的吸振穴螺旋桨在工作时，可对其顶上方的壳板产生脉动压力。这部分激振力通过壳板传递给船体尾部构架，再由底部构架传递给舷侧及横舱壁，再传至整个尾部及整个船体，引起整个船体和局部结构的振动。因此可在螺旋桨上方的船壳板处设置避振穴，以减少螺旋桨的脉动压力对船体的干扰。

避振穴主要是利用橡皮膜及空气箱吸收螺旋桨的脉动压力

为了避免影响艉舱容积，简化结构又不影响船体的强度，对海船可采用如图4—20的装置，在螺旋桨上方船壳板上设凹穴，填以海绵、粘胶等能减振的弹性物，其外表可与船壳板成一光顺曲面或略内凹[称钟形避振穴，见图4—20(b)]以增加梢隙。图4—204．3．6结构设计措施

1．上层建筑上层建筑的纵向振动是由船体的垂向振动所引起的，但刚体运动是无法防止的。为了减少上层建筑的振动，提高其固有频率和降低振幅，要确保上层建筑与船体以及各上层建筑之间有最大的连接刚度，故上层建筑的外层侧围壁与横围壁的连接，以及上层建筑与机舱棚、船体横舱壁的连接必须尽可能有效。其次，上层建筑的长度与宽度比不能太小，高度应尽可能低，又短又高的上层建筑会使纵向振动加大。

2．艉部结构对艉机船，在整个机舱长度上垂向和水平方向的船体惯性矩急剧减小，剪切刚度也因外板减薄及船体几何形状的变化而下降。因为既靠近主机，又接近螺旋桨，故对艉部结构应予以特别注意。为了提高固有频率，防止产生共振，并减少强迫振动的振幅，应补偿所损失的刚度。补偿垂向惯性矩的办法是，从船的一舷到另一舷设置带有大量纵向板的艉楼；补偿水平惯性矩则可设置平台；为了补偿剪切刚度，则可在整个机舱长度上设置边舱。

3．机舱对于机舱，不论船体采取什么骨架式，主机座纵桁应尽可能呈直线地延伸到机舱前后壁。为了改善主机纵桁在机舱处的固定情况，在机舱舱壁外逐步减小其高度，并在舱壁上设置大尺寸的扶强材，并用肘板连接。在机舱内，建议不要在只有强横梁和纵桁支持的平台上设置各种辅机机座，否则必须装刚性支撑，如支柱、半壁舱等。在轴系整个长度范围内，要尽可能使结构有足够大的刚性，如某船在试航时，因轴系长度范围内船体刚度较差而引起振动