船舶结构振动噪声分析及其进展

船舶结构振动噪声分析及其进展

邹锦宝

大连中远海运重工有限公司 辽宁省 大连市 116113

摘要：综述了国内外船舶结构振动噪声分析的各种方法及其进展,重点介绍了解决结构高频振动噪声问题的两种有代表性的方法,即统计能量分析法(SEA)和能量有限元分析法( EFEA),分析了它们间的关系及其应用,指出了能量有限元法是未来结构振动噪声分析的方法。

关键词:船舶结构；振动噪声；研究

引言：

船舶事业日新月异的发展,要求有关人员对船舶结构的振动噪声做出深入分析,以最大程度地降低噪声的出现。由于船舶是一件大型的运输设备,其结构振动噪声的分析要涉及到多方面因素,对这些因素控制的好坏对该项课题的研究有深远意义。

1概述

1.1研究的背景及意义

船舶在航行时，总会受到来自动力源——主机和辅机、推进器、波浪以及其他流体动力的作用而产生振动。船舶振动从其振源来说与动力装置、推进器、船型有关，而从其振动响应来说，与船舶总布置和船体结构直接有关。因此，船舶的振动较为复杂综合。船舶一旦产生剧烈的振动，或者需要花费相当的代价，或者必须降低船舶的其他性能才能解决。船舶振动这门学科是从五十年代后半期才开始蓬勃发展的。在这以前多数船舶采用蒸汽动力装置，功率小，航速递，所以引起船舶振动的激振力小，除了个别船舶因总振动问题产生一些麻烦外，一般情况下按照规范设计的船舶都不会产生剧烈的振动。从五十年代后半期开始，随着航运业的发展，船上普遍采用柴油机作为动力源，功率和航速有很大增长，引起船舶振动的激振力也相应地增大了。船舶振动就成为一个突出问题。船舶振动不再局限于总体振动，更重要的是局部振动，诸如尾部结构、上层建筑、机舱结构、轴支架等的振动问题。

1.2研究现状与发展趋势

管道作为船舶结构的重要组成部分，其振动声学特性及流场的声辐射特性是船舶结构声学设计的重要组成部分。振动在结构构件中以能量的形式传播，研究结构参数对振动的传递特性的影响，为结构的声学设计带来好处。温华兵、申华在对加筋圆柱壳体支撑结构振动传递特性试验的基础上，研究了振动沿基座结构至圆柱壳体表面的传递及衰减规律，研究了结构参数对振动传递特性的影响规律。仇远旺对基座传递特性对水下噪声的影响进行了研究，指出：适当减弱基座结构，可减弱基座对动力设备振动的传递，从而降低船体外壳的振动，抑制水下声辐射；较大质量的动力设备使得该系统的固有频率降低，从而降低了壳体的振动及水下声辐射。

1.3本文的主要研究工作

本文以船舶振动及水下噪声控制为目标，借助于船舶结构声学设计技术与噪声预报技术，利用有限元法、边界元法和统计能量法相结合的数值计算方法，研究了船体结构的振动和声辐射特性；讨论了船体结构参数对振动传递特性和水下声辐射特性的影响规律。在此基础上，本文针对某特定船舶，利用参数化建模技术，实现船舶结构的参数化，并且利用开发工具MATLAB的GUI，对船舶结构参数化建模和振动噪声预报进行管理及控制。该软件已通过实船模型的试验验证，从而为船体结构设计部门提供了实用的声学设计手段。

2船舶振动特性及计算

2.1船舶的振动特性。近20年来,船舶在我国得到了迅速的发展。目前国内营运中的各类船舶,在船体振动方面有两个共同的特点:一是由于自重控制严,故船体结构尺度小,船体刚度较常规船型要弱;二是采用高速机、高速桨,其激励幅值较常规船型大,激励频率又高。故船舶的振动较常规船更为突出,不仅影响旅客的舒适性和船员的工作效率,且较常规船更易在应力过大部位产生疲劳破坏。由于船舶的振动特点,常规船的振动研究成果较难直接用于船舶。船舶由于主机转速高,因而激励频率高,一般不会产生船体低阶总振动共振。如船长20~35m的单体钢质船舶,计算所得的2节点1阶和3节点2阶船体垂向弯曲振动固有频率一般均小于12Hz,而最低激励频率——轴频在额定转速时都常大于14Hz。因而即使在常用转速下,也不会发生1阶共振,故对船舶振动预报有意义的是2阶和3阶固有频率。而目前工程上常用的迁移矩阵法和一维有限元法,其计算所得的总振动垂向弯曲1阶固频精度较高,3阶计算误差就大。计及流固耦合的三维有限元法计算精度可大大提高,但由于计算准备工作量大,需计算机的容量高,耗机时多,计算费用高等特点,难以在一般工程设计中应用。

2.2船舶的振动计算。为了提高船体总振动高阶固有频率的计算精度,而又不致增加过多的计算工作量,二维总振动计算程序固体采用由平面梁元、平面杆元和二维等参元组成的二维有限元模型;流体采用自由表面速度势为零和考虑线性自由表面两种二维流体边界元,应用改进的行列式搜索法解流固耦合振动。经实船测试数据考核,高阶固有频率计算精度,较工程中常用的迁移矩阵法计算结果大为提高。该程序不仅适用于排水或半排水型单体钢质船舶,还可推广用于其它船型。针对船舶结构特点的板梁组合结构振动计算程序固体采用平面应力4节点等参元、空间梁单元和非协调板弯曲单元。附连水质量计算既可应用传统的图谱,也可采用三维流体边界元求解。可用于求各种边界条件下的船体板架以及加筋板的固有频率,还具有从板架振动中识别板模态的功能,避免了人为确定板的边界条件而带来的计算误差。

2.3船舶结构声学设计方案

当船体结构受到振动激励时,由于在共振频率附近机械阻抗的降低,振动响应将十分强烈,产生不能允许的高振动级。消除危险共振的基本方法就是,将船舶结构振动的频率和激励力的频率相互调开,这有两个可行的原则方案。第一种方案是改变激励力频谱(如设备的转速)。而如果振动源的旋转频率是不可改变的(对船舶辅机来说,常有这种情况),剩下的只有另一种方案,就是调开这一频率与船体结构弯曲振动模态频率。改变船体结构弯曲振动模态频率的最有效方法是,适当地改变其抗弯曲刚度。

3船舶结构振动与声辐射

3.1船舶结构振动特性

船舶主要结构由板块和梁组成，许多大型梁也可以看成是由板块组成，如外板、甲板、舱壁、龙骨等。因此，板块的振动计算是船体振动计算的一个重要内容，也是船舶结构声学设计理论的主要方面。船舶结构中的板块振动可能是由直接作用在它上面的振动负荷引起的，如主机下方的船体基座，也可能是由板的周界振动所引起的，如机舱底板振动激起舱壁板及甲板的振动。船上的板按其自身厚度以及在振动负荷作用下的弯曲变形特性，可以视为有限刚性板。

3.2 船体结构的振动传递

由振源进入船体结构的振动能沿着结构各构件传向船体不同的区域。这种传输过程形成船体结构对于振动的传递特性。船舶动力设备的安装方式决定了振动能量是以弯曲波形式沿船体结构传播。其他类型的波，如纵波与剪切波也会沿船体结构传递振动能量，例如推进轴系的振动。这是由于某些船用构件所特有的结构不均匀性使弹性波转化造成的。振动沿船体结构传播中的幅值会逐渐减小。船体结构中的不均匀性，如板厚的变化、板的接头、加强筋等均属这类障碍。因此，振动的幅值随着传播的继续以及波前的扩大而变化。振动沿船体结构传播过程的物理表示方法与振动频率有着重要关系。在低频段，一般用振幅和相位表征；在高频段，通常用统计能量表示方法，对实践而言，采用能量密度和能量流的概念比较简单而方便。

结语：对船舶结构振动噪声及其发展过程的分析,可以发现,在船舶结构中,引起振动和噪声的因素很多。究其原因,就有设计方面的原因,也有运行操作过程中的原因,有关人员应深入探究,以掌握最优的降低船舶结构振动噪声的方法。

参考文献：

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