第5章_船体局部振动
船舶振动及减振措施探讨
船舶振动及减振措施探讨船舶是一个自由漂浮在水中的弹性体，只要螺旋桨或主机工作，总是会引起船体不同程度的振动。
轻微的振动是允许的，也是不可避免的。
但船体振动过大会导致船体结构产生疲劳破坏，影响船上设备和仪器的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命，严重时还会导致船体断裂乃致沉没；同时船体振动还严重影响着船员和旅客的居住舒适性、船员的工作效率和身体健康。
船舶振动不但与其振源有关，而且与船舶总布置、尾部线型和船体结构直接有关。
而激起船体振动的主要振源（也称激励源）是螺旋浆和主机，它们在运转时将激起周期性干扰力，使船体发生稳态强迫振动，若激励幅值过大或引起了共振，就会产生剧烈的振动。
一、船舶振动产生的原因船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。
船舶振动产生的主要原因有以下几个方面：（一）线型：因为尾部线型对伴流的分布起决定性作用，直接影响螺旋桨来流和去流产生漩涡、伴流等方面的状况，这些都直接与船体振动有关。
（二）船体结构：如船体结构布置、构件取材不合理、刚度不足、结构不连续，这些都会使船体板格固有频率太小，或产生应力集中和惯性矩不能满足要求，特别是若机舱、尾部结构不合理或板材、构件取材太小，刚度不足；另外，甲板开口宽度超过3/4B的内河浅水大开口船，在航行中产生较大扭矩，使轴系偏移，也都会引起船体振动。
（三）螺旋桨的选择及与船体线型匹配。
螺旋桨诱导的表面力和空泡是导致剧烈尾振的原因，而这两者又与螺旋桨的设计如桨叶的倾斜度、盘面比、螺距、厚度分布和叶片数等有关，因而螺旋桨的选择直接影响到船体振动；同时螺旋桨与船体线型是否匹配、间隙是否足够，均与船体振动密切相关，因为若螺旋桨与船体、尾柱、舵托、舵之间的间隙太小，螺旋桨诱导的脉动压力将会剧增，加上伴流不均匀，使螺旋桨的激励力较大，使尾振加剧。
（四）主副机的选择。
因为柴油机运转时作用在船体上的周期性干扰力主要有两种，一是运动部件的惯性力产生的不平衡力和不平衡力矩；二是气缸内气体爆炸压力产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾复力矩；若主副机选择不当，会使以上两种周期性干扰力增大，使船体产生强迫振动。
船体振动学课程教学大纲
船体振动学课程教学大纲课程代码：74120280课程中文名称：船体振动学课程英文名称：Ship hull vibration学分：3.0 周学时：3.0-0.0面向对象：预修要求：理论力学、材料力学、线性代数、数学物理方程、积分变换、电工学一、课程介绍（一）中文简介船体振动学是船舶与海洋工程技术专业的专业必修课。
课程内容由两部分组成。
第一部分是振动学基本理论（含单自由度振动系统、多自由度振动系统、连续体振动系统）。
第二部分是船体振动理论（含船体总振动、船体局部振动、船舶主要振源、船舶振动测试与评价）。
第一部分是核心，内容相对丰富。
数学上主要涉及二阶常系数微分方程与弦振动方程、傅里叶变换、频率响应函数等。
第二部分是基本内容，主要目的是培养学生理解从一般振动系统到船体振动的概念和现状，以及理论与实践的关系、科学计算与实验的关系。
最后，附加部分含非平稳外载荷谱估计、数据处理、分数阶振动等。
希望能激发学生对船体振动领域的兴趣。
（二）英文简介Ship hull vibration is a specialized and obligatory course for undergraduates majored in ship and ocean engineering. The course consists of two parts. The first part plays a key role in the course with contents relatively rich, including systems with single degree of freedom, multi-degree freedom systems, and vibrations of continuum systems. It relates to, in mathematics, differential equations of second order with constant coefficients, beams as a main object from a view of mechanics, and frequency transfer functions in dynamical analysis. The second part is for understanding the profile of ship vibrations globally and locally, with the focuseson the relationships between theory and practice, between scientific computations and testing, between science research and references or standards with respect to wave-induced ship hull vibrations. The additional part, finally, is for practical knowledge in ship vibrations, such as spectrum estimation of nonstationary loading, data processing in vibrations, fractional vibrations and so forth.二、教学目标（一）学习目标本课程涉及学科较多（材料力学、理论力学、船舶结构力学、高等数学、工程数学、数据处理、信号处理等）。
船体振动 绪论
Hull VibratIon
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0.1 振动问题的分类
绪论
3、按产生的原因（激励特性划）分： 按产生的原因（激励特性划） 自由振动－没有外部激励，或者外部激励除去后， 自由振动－没有外部激励，或者外部激励除去后， 系统自身的振动。 系统自身的振动。 受迫振动－ 受迫振动－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。 生的振动，这种外部激励不受系统运动的影响。 自激振动－ 自激振动－系统由系统本身运动所诱发和控制的 激励下发生的振动。 激励下发生的振动。 参激振动－ 参激振动－激励源为系统本身含随时间变化的参 这种激励所引起的振动。 数，这种激励所引起的振动。
简谐振动的表示
图描述了用正弦函数表示的简谐振动， 图描述了用正弦函数表示的简谐振动，它可看成是该图中左 边半径为A的圆上一点作等角速度 的运动时在x轴上的投影 轴上的投影。 边半径为 的圆上一点作等角速度ω 的运动时在 轴上的投影。 如果视x为位移， 如果视 为位移， 则简谐振动的速度和加速度就是位移表达 为位移 式关于时间t的一阶和二阶导数， 式关于时间 的一阶和二阶导数，即 的一阶和二阶导数
1 令 ω = (ω 1 + ω 2 ) 2
ω 2 − ω1
2
)t sin(
ω 2 + ω1
2
)t
δω = ω 2 − ω 1
δω
t sin ωt
2 式中的正弦函数完成了几个循环后，余弦函数才能完成一个
循环。这是一个频率为 ω 的变幅振动，振幅在2A与零之间缓 慢地周期性变化。 它的包络线
x = 2 A cos
Hull VibratIon
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0.1 振动问题的分类
10000TEU集装箱船机舱甲板局部振动分析计算
江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文学院机电与汽车工程学院专业热能与动力工程学生姓名陈阳班级学号1145521209指导教师包振明二零一五年六月江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文10000TEU集装箱船机舱二甲板局部振动计算The 2nd Floor of the Cabin’s Local Vibration Calculation of 10000TEU Container Vessel江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学院名称：机电与汽车工程专业：热能与动力工程学生姓名：陈阳学号：1145521209 指导教师：包振明职称：讲师江苏科技大学本科毕业设计（论文）2015年3月12日江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘要集装箱船越来越受到国际运输市场的青睐，已经成为国际船舶航运市场中的主要船型之一。
作为一种特殊的船舶类型,它的中部设有一个大的开口，直接影响到了它的结构刚度，所以集装箱船的振动问题更加突出。
船上的很多振动问题都是由船体的局部振动产生的。
本文对10000TEU集装箱船机舱的二甲板结构进行局部振动数值仿真计算。
使用有限元软件ANSYS进行模态分析,计算机舱二甲板的各阶的固有频率和振型。
首先针对机舱第二层结构构建计算机模型，然后进行网格划分，创建三维有限元模型。
板（壳）、梁等单元都在有限元模型中采用。
本论文的内容是关于船体结构局部振动的计算，采用ANSYS有限元进行分析，对机舱二甲板结构的局部振动建模并求解，确定机舱二甲板的各阶固有频率和振型。
计算结果表明，10000TEU集装箱船的机舱二甲板结构局部振动的有限元计算结果是可靠的。
关键词：集装箱船；局部振动；有限元；固有频率；振型I江苏科技大学本科毕业设计（论文）AbstractThe container ships are more and more getting in the favor of international transport markets. Many vibration problems on board are local vibration generated by the hull. In order to calculate the local vibration of the third floor of the cabin, finite element analysis software ANSYS is used.However, as a special ship, it features with a large opening directly affects its structural stiffness. In addition, the deck stack the multi-layer containers on, which will cause the height of superstructure is also increased and reduce the stiffness of superstructure. So, for the container ships, its vibration problem become more prominent.In this paper, the vibration of the second deck of 10000TEU container ship is studied, through the finite element software ANSYS. Firstly, the finite element model of a second layer structure for the cabin is built. Shell and beam are used. In the hull of local vibration, finite element software ANSYS is used. The natural frequency and modal shape of the 2nd cabin’s deck is calculatd. Results show that the second deck of the 10000TEU container vessel cabin’s local vibration are accurate.Keyword: container ship；local vibration；finite element；natural frequency；model shapeII江苏科技大学本科毕业设计（论文）目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景和意义 (1)1.2 船体局部振动概述 (2)1.3 船体局部振动国内外研究现状 (3)1.4 本文研究的主要工作以及思路 (5)第2章有限元理论介绍 (6)2.1有限元法的介绍 (6)2.1.1 有限元法的分析过程 (6)2.1.2 有限元法的分析特点 (7)2.1.3 有限元法的基本步骤 (7)2.2 有限元建模的重要性 (8)2.3 有限元建模的基本原则 (8)2.4 有限元法的发展趋势 (9)第3章船舶规格及建模 (10)3.1 船舶规格 (10)3.2 已知参数 (11)3.3 模型分析方法 (12)3.4 有限元模型的建立 (13)3.5 网格划分 (18)第4章局部振动计算分析 (19)4.1 机舱三甲板的固有频率计算和分析 (19)4.2 频率储备和验收标准 (20)4.2.1 频率储备 (20)4.2.2 验收标准 (20)4.2 4.3局部振动的模式形状 (20)结论 (32)III江苏科技大学本科毕业设计（论文）致谢 (33)参考文献 (34)IV第1章绪论1.1论文的研究背景和意义船作为一个复杂的弹性结构,在海里,船体结构将不可避免地产生不同程度的振动,甚至有害的振动。
船体振动复习
船舶振动复习一、名词解释1.共振：振幅不断增大而趋于无穷的现象2.拍振：振幅变化后的频率是一个小值，因而振幅变化的周期是一个大值，这种振动称为拍振。
3.动力放大系数：振幅与在激振力静态作用下产生的位移的比值。
4.相对阻尼系数：系统实际阻尼系数与临界阻尼系数的比值ζ=C/Cc5.强迫振动：系统由于外界持续激振力所引起的振动。
6.主坐标：描述固有震动的独立变量7.固有振型：表示系统在意Wi的频率做自由振动时，各物块振幅的相对大小[称之第i阶段主振型或主模态]8.正则振型：固有振型Pr乘上一个常数C(r)之后，令ϕr t Pr，满足ϕr t Mϕr=1，此时固有振型Pr 就称为正则振型9.梁的横向振动：细长杆作垂直于轴线方向的振动。
10.节点：在梁的各谐调固有振型上，总是存在着若干在主振动时静止不动的点。
11.状态矢量：各个部件连接点处状态参数所构成的列阵12.船体总振动：指将船体视为一个整体的船体总体振动13.附连水质量：相当于有一部分舷外水与船体一起振动，这部分舷外水的质量称为附连水质量。
14.螺旋桨脉动压力：螺旋桨转动时经水传至船体表面的脉动水压力螺旋桨表面力：螺旋桨脉动压力沿船体表面的积分值。
螺旋桨轴承力：由于伴流在周围分布的不确定性，使作用在桨叶上的流体力发生变化而引起的激振力。
因为它通过桨轴和轴承作用于船体，故称轴承力。
15.叶频：叶片每转过一个大小等于两叶片夹角的转角时，螺旋桨便重复一次受力情况。
所以表面力和轴承力的频率等于叶数与桨轴转速的乘积，即叶频。
16.反共振：使减振器的固有频率与主系统的工作频率（激振力的频率）相等，则主系统的振动将被消除。
17.二、简答题1.简述迁移矩阵法的基本原则答：基本原则是将复杂的弹性系统分解为一些具有简单的弹性与动力性质的部件，再将这些部件的结合点处作为考察点，根据不同问题的要求，列出结合点处后状态矢量，并利用振动时弹性系统各部件之间的传递关系，列出迁移矩阵，利用弹性系统的边界条件，最终求得系统振动时的数值解。
第五六七章 船体局部振动、主要振源、振动评价防振与减振
2019/12/18
上层建筑局部振动的有限元法
板梁组合模型： 用板单元来描述甲板板和桁材(强横梁 和纵桁)； 用空间梁单元来描述扶强材(纵骨和普 通横梁)。
2019/12/18
5.2 板的振动
对矩形平板来说： 一般只有特定的边界条件（四边自由支持），才 能求得精确解； 其它情况均可采用近似方法（有限元法）求解。
对于实船来说，板的边界条件的确定较困难。 实测表明，绝大部分的船板其测量值介于四边简 支板和四边刚性固定板的计算值之间； 且大多偏向于简支计算值； 因此，在船体振动计算中，常近似地取为四边简 支。
2019/12/18
5.2 板的振动
船体外板一般都承受中面力作用，中面拉力使船板的 固有频率_____，而压力则使船板的固有频率_____。
甲板板或船底板在中拱或中垂的不同状态下的固有频 率会产生相应的变化，进而也会影响到船板的响应。
影响船舶板中面应力的其它因素还有板架弯曲板的初 始挠度以及由焊接而引起的板的初始应力数值等，这 些影响具有一定的随机性。
2019/12/18
5.3 船舶上层建筑的振动
上层建筑总振动固有频率的计算方法： 经验公式； 有限元方法。
2019/12/18
上层建筑纵向振动频率的近似估算
上层建筑纵向振动的第一阶固有频率估算(P168)：
1 f2
1
f
2 a
1
f
2 b
f
f
2 a
1
fa fb
2
K—上层建筑后端的弹性支承刚度(N/m)，取决
船体振动智慧树知到答案章节测试2023年华中科技大学
绪论单元测试1.要产生振动，需要（）。
A:时变作用B:空气C:弹性D:质量答案:ACD2.属于振动的是（）。
A:敲鼓B:钟摆C:心脏搏动D:说话时的声带答案:ABCD3.已知船体结构的动态特性，计算在输入作用下的输出。
属于（）。
A:系统识别B:响应分析C:环境预测D:系统设计答案:B4.在已知外界激励下设计合理的船体系统参数，使系统的动态响应或输出满足要求。
属于（）。
A:系统识别B:响应分析C:系统设计D:环境预测答案:C5.已知系统的输入和输出，求出船体系统的参数。
属于（）。
A:系统识别B:系统设计C:环境预测D:响应分析答案:A6.在已知系统的响应和系统参数的条件下，预测系统的输入。
属于（）。
A:系统识别B:系统设计C:环境预测D:响应分析答案:C第一章测试1.在下图所示的结构中小球质量为m，梁的质量忽略不计，梁的长度为L，截面惯性矩为I，材料的弹性模量为E。
若要使小球的自振频率ω增大，可以（）。
A:增大IB:减小EC:增大mD:增大L答案:A2.如图a所示，梁的质量忽略不计，小球的自振频率；若在小球处添加刚度为k的弹簧，如图b所示，则系统的自振频率ω1为：（）。
A:B:C:D:答案:D3.单自由度系统自由振动的幅值仅取决于系统的（）。
A:固有频率B:质量C:初速度和初位移D:刚度答案:C4.已知某单自由度系统质量为m，刚度为k，阻尼系数为c，阻尼因子为ξ。
若令系统刚度为4k，则下列说法正确的是（）。
A:新的阻尼因子为1/2 ξB:新的阻尼因子为1/4 ξC:新的阻尼系数为1/2 cD:新的阻尼系数为1/4 c答案:A5.单自由度系统只有当阻尼比时，才会产生振动现象。
（）A:ξ<1B:ξ≤1C:ξ>1D:ξ=1答案:A6.已知结构的自振周期T=0.3s，阻尼比ξ=0.04，质量m在y0=3mm，v0=0的初始条件下开始振动，则至少经过个周期后，振幅可以衰减到0.1mm以下。
（）A:14B:13C:12D:11答案:A7.速度导纳的单位是（）。
船体防震及减振船体振动设计流程
船体防震及减振船体振动设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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第5章
船体局部振动
局部振动：
船上各种局部结构的振动，包括梁、板、板格、加筋板和板架，大到船舶的机舱、上层建筑以及整个尾部区域，还有船舶设备(桅杆)、附体(艉轴架)等的振动。
船体局部振动与船体总振动总是互相耦合并一起发生的。
局部振动与总振动的耦合：
局部振动系统有效参与质量远小于船体总振动质量，两者耦合较小。
局部振动的计算或预报：
• 首要的、大量的工作一般是确定局部结构的模态特性，即确定固有频率和固有振型。
•有时也要计算振动响应。
•分析的方法既可以采用解析的方法或近似的方法，也可以采用有限元的方法。
对各种复杂的船体局部振动，有限元方法称为当然的选择。
第5章：船体局部振动
第一讲：
第讲
上层建筑的振动
上层建筑结构的整体振动：
将上层建筑结构视为一个整体所发生的三种
体
上层建筑振动振动模态：纵向振动、横向振动和扭转振动。
【1】
上层建筑范围内各层甲板结构、围壁结构和
上层建筑结构的局部振动：
舱壁结构的振动。
①采用艉楼的布置设计。
靠近船舶的两个主要振源(螺旋桨和主机)。
②为了减小驾驶盲区上层建筑往往【2】
现代船舶的上层建筑
设计的趋势和特点为了减小驾驶盲区，上层建筑往往设计的高而短。
——纵向刚度偏低。
③为了降低上层建筑舱室内的噪声污
染常采用将上层建筑与机舱棚烟囱染，常采用将上层建筑与机舱棚、烟囱
分离的形式。
——整体纵向频率降低。
上层建筑的整体振动形式中，纵向振动是最受关注的。
【3】上层建筑纵向振动频率估算
• 在船舶设计的早期阶段，常通过简单的计算来估计上层建筑的固有频率，以便错开其激励频率。
• 上层建筑整体纵向振动固有频率一般在6~15H Z。
与高阶船体垂向总振动的模态会有一定程度的耦合，但是，在上层建筑纵向振动频率估算时，可以不考虑它们之间的耦合作用。
1、简化的理论计算方法：
• 理论和试验研究表明，影响上层建筑整体纵向固有频率的主要要素是上层建筑的剪切和弯曲刚度、上层建筑的质量及其分布以及主船体对上层建筑的支撑刚度。
1、简化的理论计算方法：P168-169
• 同时考虑纵向弯曲与剪切变形并存、以及上层建筑后端支撑刚度的一种振动模式。
2、方案设计阶段的估算方法：P169-170
• 广渡智雪根据大量实船上层建筑的数据提出的如下近似估算法。
①将上层建筑按构造型式分为以下四种类型。
A型——上甲板以上的上层建筑B型——在长甲板室以上的三层或四和烟囱完全分离的独立形式；层上层建筑和烟囱并列的独立布置形式；
2、方案设计阶段的估算方法：P169-170
• 广渡智雪根据大量实船上层建筑的数据提出的如下近似估算法。
①将上层建筑按构造型式分为以下四种类型。
C 型——在一层长甲板室以上的四
D 型——上层建筑和烟囱在上甲板之层或五层上层建筑和烟囱并列的独立
布置形式。
上或长甲板之上称为整体的形式。
2、方案设计阶段的估算方法：P169-170
• 广渡智雪根据大量实船上层建筑的数据提出的如下近似估算法。
②确定需要计算的上层建筑形式，根据图中振动部分(即阴影线
部分)的高度，便可以从图上的曲线上直接查得固有频率值。
2、方案设计阶段的估算方法：P169-170
• 以上误差的方法，70%的结果与实船测试频率的误差在10%以内，其余的都在20%以内。
简单有效，适合于设计初始阶段估算。
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法
1、计算模型
1计算模型
• 上层建筑整体振动的固有频率和固有振型取决于上层建筑的剪切刚度、弯曲刚度、扭转刚度以及主船体对于上层建筑的支撑程度。
常见的有限元模型①
• 包括整个船体尾段在内的
上层建筑三维有限元模型。
特点：计算工作量较少，
没有考虑耦合影响，
不能计算上层建筑振动响应。
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法常见的有限元模型②
• 全船三维有限元模型。
特点：考虑全面，计算准确，
工作量大。
*工程应用较多，既可以进行模
态分析，又可以进行响应分析。
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法
2响应计算• 上层建筑整体振动响应时船体总振动与上层建筑整体振动响应合2、响应计算
成的结果，因此必须采用包括上层建筑在内的全船的计算模型。
左图是1900TEU集装箱
船上层建筑振动响应
计算的测量点视图
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法2、响应计算
2响应计算
左图船舶在阶激振力作用
左图船舶在一阶激振力作用
下，图中计算点1的一种典
型的速度—频率响应曲线
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法
2响应计算• 用有限元法计算振动响应，常采用直接积分法和振型叠加法(模2、响应计算
态叠加法)。
和船体总振动响应计算想类似。
首先，计算出船体总振动和上层建筑振动的固有频率和固有振型；其次，需要计算激励。
螺
主除此之外，旋
机确定计算上层建筑响应的振动阻尼。
桨
激
振
的不平力衡
力
矩
【4】上层建筑整体振动的有限元计算方法
2、响应计算
2响应计算
• 在船舶工程中，一般需要对船舶的两种运行状态——压载状态和满载状态进行振动响应分析。
在振动计算时，壳板外侧附连水以及液货舱内侧附连液体采用有限元法和边界元法交互作用计算。
【5】上层建筑局部振动
1问题和现状• 上层建筑本身就是一种复杂的建筑结构物。
1、问题和现状
上层建筑的局部振动，
主要指居住舱、服务舱
的各层甲板振动。
• 一般考虑纵向振动和垂向振动
【5】上层建筑局部振动
2结构模型• 上层建筑舱室甲板振动计算。
上层建筑甲板结构式由板和横梁组2、结构模型
成的，常采用以下模型：
常见的有限元模型①
• 交叉梁系的建模方法。
特点：计算模型简单，
结果存在一定的误差。
【5】
上层建筑局部振动
2结构模型
• 上层建筑舱室甲板振动计算。
上层建筑甲板结构式由板和横梁组2、结构模型
成的，常采用以下模型：
常见的有限元模型②
• 板梁组合模型。
特点：计算模型精细，误差较
小，工作量大。
【5】上层建筑局部振动3边界条件• 对甲板结构的四周周壁，限制垂向线位移和沿壁面方向的角位移。
3、边界条件。