船舶結(jié)構(gòu)振動及防范措施分析

摘要：近些年來，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，船舶行業(yè)表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭，為貨物運輸以及人們的日常出行提供了極大的便利。但是，隨著安全意識的逐漸提高，使得人們對船舶出行安全尤其是船舶結(jié)構(gòu)振動造成的影響引起高度重視?；诖耍疚木痛敖Y(jié)構(gòu)振動及防范措施進行深入地研究。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu);振動;防范

1 ?引言

在船舶航行過程中，通常是由動力機械（主機、螺旋槳、推進系統(tǒng)等）和輔助機械（泵、風(fēng)機等）共同提供動力，然而此些機械設(shè)備在運行時往往會產(chǎn)生比較大的振動，船舶結(jié)構(gòu)長期受此影響則會面臨著結(jié)構(gòu)破壞的威脅。因此，對船舶結(jié)構(gòu)振動進行分析且采取有效的防范措施是極其必要的。

2 ?船舶結(jié)構(gòu)振動概述

船舶在運行時，往往會受到各類不同外力的作用，部分是直接對船體產(chǎn)生作用、部分是對船體產(chǎn)生間接性的作用，無論是何種情況，都會引起船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的振動。即使大部分狀況下造成的振動并不會形成危險性較大的影響;然而，如果振動比較明顯，就會導(dǎo)致船舶內(nèi)的各種機械設(shè)備以及船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，更有甚者會引起船舶運行故障，嚴(yán)重威脅船舶及船員的安全。

3 ?船舶結(jié)構(gòu)振動的主要影響因素

當(dāng)前，引起船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的影響因素主要有以下兩種：第一，推進軸系的振動。在推進軸系運行過程中通常會受到各式各樣的激振力，比如：（1）運動部件的重力和慣性力、柴油機氣缸的氣體力等形成的對曲柄銷和曲軸產(chǎn)生作用的徑向力;（2）軸系部件在運行過程中形成的激振力以及力矩等。正是因為此些激振力的出現(xiàn)，造成推進軸系出現(xiàn)橫向振動、縱向振動以及扭轉(zhuǎn)振動等，最終引起船舶結(jié)構(gòu)的振動。第二，柴油機的振動。柴油機的工作模式為往復(fù)運動，在曲柄連桿機構(gòu)的支撐下將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運動。因為曲柄連桿機構(gòu)此類較為復(fù)雜的運動特性，必定會形成周期性的力矩等，其不但會對曲軸、活塞以及連桿的強度造成影響，而且還會對連桿軸承的磨損、負荷以及潤滑產(chǎn)生影響;除此以外，還有可能造成柴油機振動，從而使得船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。

4 ?船舶結(jié)構(gòu)振動特性

4.1 各項振動性能的計算

第一，強迫振動的計算。在使用運動微分方程時，通常有比較大的自由度，各類方程間相互耦合，使得求解有很大的難度，需對耦運動微分方程進行求解，將其轉(zhuǎn)化成N個單獨的微分方程。因為模態(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)阻尼矩陣、模態(tài)剛度矩陣三者均為對角矩陣，經(jīng)由對耦系統(tǒng)微分方程的求解，在模態(tài)坐標(biāo)內(nèi)將其轉(zhuǎn)換成N個單獨的微分方程，按照對應(yīng)解耦的微分方程則可以得到各個時域系統(tǒng)所有點產(chǎn)生的振動反映。第二，自由振動的計算。當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)處于聲學(xué)介質(zhì)中時，流體與結(jié)構(gòu)交接面間就會互相形成作用，周圍流體同樣會對該結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生作用。在利用有限元方法來求解結(jié)構(gòu)振動以及聲耦合等問題時，應(yīng)該把流體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建在彈性結(jié)構(gòu)的外表面上，實施結(jié)構(gòu)和流體的網(wǎng)格有限元離散，同時還需建立起對應(yīng)的有限元方程。

4.2 船舶振動的計算

第一，船舶振動模態(tài)的分析。在對船舶振動模態(tài)進行具體分析時，通常需要用到ansys軟件、有限元三維模型以及對應(yīng)的公式。在計算時，經(jīng)由對局部模態(tài)的消除，以得到船舶的彎曲和扭轉(zhuǎn)等其它模態(tài)。相關(guān)研究表明：有限元模型可以用于計算船舶結(jié)構(gòu)的振動，確保其維持較好的固定頻率，相對誤差控制在6%以內(nèi)，說明在分析模態(tài)過程中借助有限元模型是比較可行的。第二，有限元的整體船舶模型。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，其內(nèi)存量也在迅速提升，各類技術(shù)軟件同樣是日新月異，有限元方式漸漸轉(zhuǎn)變成數(shù)值計算的常用方法，在航空、航海等眾多領(lǐng)域有著大量運用。但是，利用有限元方式對船舶進行建模和計算分析仍有較大的難度，主要是由于船舶結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如果使用有限元法，則需通過大量不同的單元來模擬船舶結(jié)構(gòu)，難以模擬出船舶的整體結(jié)構(gòu);除此以外，還需使用非常多的有限單元，遠遠超過了目前計算機的容量，盡管計算機可以完成計算，也需耗費很多的時間，所以應(yīng)當(dāng)合理的簡化有限元法。

5 ?船舶結(jié)構(gòu)振動的防范措施

5.1 合理使用阻尼材料

阻尼材料可以運用在船舶的艙室以及機器處所中，采用噴涂或者刮涂的方式將其敷設(shè)在結(jié)構(gòu)表面，可以使結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生變化，降低共振效應(yīng)，從而實現(xiàn)防范振動的目標(biāo)。近幾年內(nèi)，船舶建造過程中常用的阻尼材料主要有以下兩種：第一，阻尼鋼板。其屬于是復(fù)合型材料，主要是將特定厚度的間斷小片鋁板或者是鋼板與粘彈性材料鋪設(shè)在船舶的表面，從而構(gòu)建起“金屬——阻尼——金屬”結(jié)構(gòu)，有著非常好的阻尼效果。額外鋪設(shè)的鋁板或鋼板的厚度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)既往經(jīng)驗或者是進行模擬計算來確定。該方式的主要不足為，需添加額外的鋁板或者鋼板，造成減振措施重量偏大，進而對船舶性能產(chǎn)生負面影響。第二，阻尼涂料。此種涂料的生產(chǎn)過程相對簡單，且便于在船舶施工現(xiàn)場使用，具備良好的減振性能。采用抹涂、噴涂又或是滾刷的方式將阻尼涂料敷設(shè)在船舶表面，在干燥以后就會產(chǎn)生防水、抗紫外線和不易燃的固化層，可以快速吸收振動能量，進而實現(xiàn)減振的目標(biāo)。在使用阻尼涂料時，不需要增加金屬板，方案總體重量比較輕，適用于高速船。

5.2 科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)

混沌理論形成于二十世紀(jì)八十年代，伴隨混沌理論的日益成熟，以混沌理論為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的控制技術(shù)已發(fā)展成相對完善的控制技術(shù)手段，尤其是在非線性系統(tǒng)的控制方面有著大量的運用。要想有效防范船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動問題，則應(yīng)科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)?，F(xiàn)階段，使用比較多的非線性隔振系統(tǒng)主要包含：第一，蝶形彈簧隔振器。此類隔振器主要是以金屬碟來取代金屬螺旋彈簧，以發(fā)揮相應(yīng)的作用。此種隔振器具備較強的阻尼性能，尤其是在振動沖擊載荷的隔振領(lǐng)域表現(xiàn)出其他產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢。第二，橡膠隔振器。此種隔振器主要使用的是橡膠所具備的阻尼特性，是現(xiàn)階段工業(yè)方面運用最多、同樣還是成本費用最少的隔層設(shè)施。然而，橡膠隔振器存在使用時間較小的缺陷，如果受到高頻載荷的作用則極易出現(xiàn)老化。第三，鋼絲繩隔振器。此種隔振器主要利用的是鋼絲繩所具有的非線性動力學(xué)特征，有利于緩解機械裝置的高頻振動以及沖擊載荷。該隔振器的制造成本相對較高，其阻尼特性基本上均源自于固定裝置和鋼絲繩間形成的摩擦力。

5.3 確保船舶設(shè)備安裝的質(zhì)量

一方面，加強船舶設(shè)備安裝的精準(zhǔn)性。在安裝船舶設(shè)備的過程中，因為設(shè)備具有重量大、體積大的特征，所以在安裝時往往會使用起吊機、手工輔助裝置等實施安全。在此環(huán)節(jié)，針對大型設(shè)備安全過程中防范振動的舉措展開分析，有利于在很大程度上加強船舶設(shè)備安裝的精準(zhǔn)性。具體的分析工作，能夠為船舶設(shè)備精準(zhǔn)安裝、設(shè)備后期應(yīng)用質(zhì)量和效果提供強有力的保障。其中，對于船舶設(shè)備安裝精準(zhǔn)性開展的實際分析，主要反映在船舶設(shè)備的安裝水平度、安裝高度以及安裝部位等其他方面的精準(zhǔn)性，以保障所有的船舶設(shè)備在后期船舶航行過程中可以做到“安全、穩(wěn)定”的運行。另一方面，提高船舶設(shè)備安裝的規(guī)范性。在船舶設(shè)備的具體安裝環(huán)節(jié)采用防范船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的舉措，根據(jù)最后的技術(shù)利用效果分析可知，其最為根本的目標(biāo)便是，提高船舶設(shè)備安裝的規(guī)范性。經(jīng)由選擇使用合理、有效的船舶結(jié)構(gòu)減振手段，以保障船舶設(shè)備在后期運行中的效率以及質(zhì)量。除此以外，針對設(shè)備安裝作業(yè)時采取的結(jié)構(gòu)減振方式實施分析，有利于產(chǎn)生設(shè)備安裝的規(guī)范性技術(shù)，同時還為有關(guān)安裝制度的建立及健全打下了扎實的基礎(chǔ)。

6 ?結(jié)論

綜上所述，船舶在航行過程中如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動，往往會引起較為嚴(yán)重的后果。根據(jù)上文分析可知，引起船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的影響因素是比較復(fù)雜的。因此，在船舶航行中，應(yīng)當(dāng)通過合理使用阻尼材料、科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)以及確保船舶設(shè)備安裝的質(zhì)量等途徑，避免船舶結(jié)構(gòu)振動問題的發(fā)生。

參考文獻

[1]宋超、趙巖、劉江濤、張乾坤、高聰.典型激勵方式對船舶結(jié)構(gòu)振動聲輻射的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，v.42（21）：29-34.

[2]杜恒.基于環(huán)境激勵網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的船舶結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（08）：17-19.

[3]郭天奇，夏益美，王?；?，等.基于混合動態(tài)罰函數(shù)改進協(xié)同優(yōu)化算法的船舶結(jié)構(gòu)靜動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計[J].振動與沖擊，2019，38（20）：70-76.

作者簡介：丁健，（1992—），男，漢族，籍貫：江蘇泰興，學(xué)歷學(xué)位：本科學(xué)士，職稱：設(shè)計員，單位：江南造船（集團）有限責(zé)任公司，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)