船舶结构振动及防范措施分析

摘要：近些年来，随着社会经济的不断发展，船舶行业表现出强劲的发展势头，为货物运输以及人们的日常出行提供了极大的便利。但是，随着安全意识的逐渐提高，使得人们对船舶出行安全尤其是船舶结构振动造成的影响引起高度重视。基于此，本文就船舶结构振动及防范措施进行深入地研究。

关键词：船舶结构;振动;防范

1  引言

在船舶航行过程中，通常是由动力机械（主机、螺旋桨、推进系统等）和辅助机械（泵、风机等）共同提供动力，然而此些机械设备在运行时往往会产生比较大的振动，船舶结构长期受此影响则会面临着结构破坏的威胁。因此，对船舶结构振动进行分析且采取有效的防范措施是极其必要的。

2  船舶结构振动概述

船舶在运行时，往往会受到各类不同外力的作用，部分是直接对船体产生作用、部分是对船体产生间接性的作用，无论是何种情况，都会引起船舶结构出现不同程度的振动。即使大部分状况下造成的振动并不会形成危险性较大的影响;然而，如果振动比较明显，就会导致船舶内的各种机械设备以及船舶结构出现疲劳损伤，更有甚者会引起船舶运行故障，严重威胁船舶及船员的安全。

3  船舶结构振动的主要影响因素

当前，引起船舶结构发生振动的影响因素主要有以下两种：第一，推进轴系的振动。在推进轴系运行过程中通常会受到各式各样的激振力，比如：（1）运动部件的重力和惯性力、柴油机气缸的气体力等形成的对曲柄销和曲轴产生作用的径向力;（2）轴系部件在运行过程中形成的激振力以及力矩等。正是因为此些激振力的出现，造成推进轴系出现横向振动、纵向振动以及扭转振动等，最终引起船舶结构的振动。第二，柴油机的振动。柴油机的工作模式为往复运动，在曲柄连杆机构的支撑下将活塞的往复运动转化为曲轴的回转运动。因为曲柄连杆机构此类较为复杂的运动特性，必定会形成周期性的力矩等，其不但会对曲轴、活塞以及连杆的强度造成影响，而且还会对连杆轴承的磨损、负荷以及润滑产生影响;除此以外，还有可能造成柴油机振动，从而使得船舶结构产生振动。

4  船舶结构振动特性

4.1 各项振动性能的计算

第一，强迫振动的计算。在使用运动微分方程时，通常有比较大的自由度，各类方程间相互耦合，使得求解有很大的难度，需对耦运动微分方程进行求解，将其转化成N个单独的微分方程。因为模态质量矩阵、模态阻尼矩阵、模态刚度矩阵三者均为对角矩阵，经由对耦系统微分方程的求解，在模态坐标内将其转换成N个单独的微分方程，按照对应解耦的微分方程则可以得到各个时域系统所有点产生的振动反映。第二，自由振动的计算。当弹性结构处于声学介质中时，流体与结构交接面间就会互相形成作用，周围流体同样会对该结构面产生作用。在利用有限元方法来求解结构振动以及声耦合等问题时，应该把流体结构创建在弹性结构的外表面上，实施结构和流体的网格有限元离散，同时还需建立起对应的有限元方程。

4.2 船舶振动的计算

第一，船舶振动模态的分析。在对船舶振动模态进行具体分析时，通常需要用到ansys软件、有限元三维模型以及对应的公式。在计算时，经由对局部模态的消除，以得到船舶的弯曲和扭转等其它模态。相关研究表明：有限元模型可以用于计算船舶结构的振动，确保其维持较好的固定频率，相对误差控制在6%以内，说明在分析模态过程中借助有限元模型是比较可行的。第二，有限元的整体船舶模型。随着计算机技术的不断进步，其内存量也在迅速提升，各类技术软件同样是日新月异，有限元方式渐渐转变成数值计算的常用方法，在航空、航海等众多领域有着大量运用。但是，利用有限元方式对船舶进行建模和计算分析仍有较大的难度，主要是由于船舶结构十分复杂，如果使用有限元法，则需通过大量不同的单元来模拟船舶结构，难以模拟出船舶的整体结构;除此以外，还需使用非常多的有限单元，远远超过了目前计算机的容量，尽管计算机可以完成计算，也需耗费很多的时间，所以应当合理的简化有限元法。

5  船舶结构振动的防范措施

5.1 合理使用阻尼材料

阻尼材料可以运用在船舶的舱室以及机器处所中，采用喷涂或者刮涂的方式将其敷设在结构表面，可以使结构固有频率发生变化，降低共振效应，从而实现防范振动的目标。近几年内，船舶建造过程中常用的阻尼材料主要有以下两种：第一，阻尼钢板。其属于是复合型材料，主要是将特定厚度的间断小片铝板或者是钢板与粘弹性材料铺设在船舶的表面，从而构建起“金属——阻尼——金属”结构，有着非常好的阻尼效果。额外铺设的铝板或钢板的厚度，应当根据既往经验或者是进行模拟计算来确定。该方式的主要不足为，需添加额外的铝板或者钢板，造成减振措施重量偏大，进而对船舶性能产生负面影响。第二，阻尼涂料。此种涂料的生产过程相对简单，且便于在船舶施工现场使用，具备良好的减振性能。采用抹涂、喷涂又或是滚刷的方式将阻尼涂料敷设在船舶表面，在干燥以后就会产生防水、抗紫外线和不易燃的固化层，可以快速吸收振动能量，进而实现减振的目标。在使用阻尼涂料时，不需要增加金属板，方案总体重量比较轻，适用于高速船。

5.2 科学利用混沌隔振技术

混沌理论形成于二十世纪八十年代，伴随混沌理论的日益成熟，以混沌理论为基础而产生的控制技术已发展成相对完善的控制技术手段，尤其是在非线性系统的控制方面有着大量的运用。要想有效防范船舶结构发生振动问题，则应科学利用混沌隔振技术。现阶段，使用比较多的非线性隔振系统主要包含：第一，蝶形弹簧隔振器。此类隔振器主要是以金属碟来取代金属螺旋弹簧，以发挥相应的作用。此种隔振器具备较强的阻尼性能，尤其是在振动冲击载荷的隔振领域表现出其他产品不可比拟的优势。第二，橡胶隔振器。此种隔振器主要使用的是橡胶所具备的阻尼特性，是现阶段工业方面运用最多、同样还是成本费用最少的隔層设施。然而，橡胶隔振器存在使用时间较小的缺陷，如果受到高频载荷的作用则极易出现老化。第三，钢丝绳隔振器。此种隔振器主要利用的是钢丝绳所具有的非线性动力学特征，有利于缓解机械装置的高频振动以及冲击载荷。该隔振器的制造成本相对较高，其阻尼特性基本上均源自于固定装置和钢丝绳间形成的摩擦力。

5.3 确保船舶设备安装的质量

一方面，加强船舶设备安装的精准性。在安装船舶设备的过程中，因为设备具有重量大、体积大的特征，所以在安装时往往会使用起吊机、手工辅助装置等实施安全。在此环节，针对大型设备安全过程中防范振动的举措展开分析，有利于在很大程度上加强船舶设备安装的精准性。具体的分析工作，能够为船舶设备精准安装、设备后期应用质量和效果提供强有力的保障。其中，对于船舶设备安装精准性开展的实际分析，主要反映在船舶设备的安装水平度、安装高度以及安装部位等其他方面的精准性，以保障所有的船舶设备在后期船舶航行过程中可以做到“安全、稳定”的运行。另一方面，提高船舶设备安装的规范性。在船舶设备的具体安装环节采用防范船舶结构发生振动的举措，根据最后的技术利用效果分析可知，其最为根本的目标便是，提高船舶设备安装的规范性。经由选择使用合理、有效的船舶结构减振手段，以保障船舶设备在后期运行中的效率以及质量。除此以外，针对设备安装作业时采取的结构减振方式实施分析，有利于产生设备安装的规范性技术，同时还为有关安装制度的建立及健全打下了扎实的基础。

6  结论

综上所述，船舶在航行过程中如果出现结构振动，往往会引起较为严重的后果。根据上文分析可知，引起船舶结构发生振动的影响因素是比较复杂的。因此，在船舶航行中，应当通过合理使用阻尼材料、科学利用混沌隔振技术以及确保船舶设备安装的质量等途径，避免船舶结构振动问题的发生。

参考文献

[1]宋超、赵岩、刘江涛、张乾坤、高聪.典型激励方式对船舶结构振动声辐射的影响[J].舰船科学技术，2020，v.42（21）：29-34.

[2]杜恒.基于环境激励网架结构的船舶结构模态分析[J].舰船科学技术，2019，41（08）：17-19.

[3]郭天奇，夏益美，王福花，等.基于混合动态罚函数改进协同优化算法的船舶结构静动力学优化设计[J].振动与冲击，2019，38（20）：70-76.

作者简介：丁健，（1992—），男，汉族，籍贯：江苏泰兴，学历学位：本科学士，职称：设计员，单位：江南造船（集团）有限责任公司，研究方向：船舶结构