船舶結構振動及防范措施分析

摘要：近些年來，隨著社會經濟的不斷發展，船舶行業表現出強勁的發展勢頭，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構振動造成的影響引起高度重視。基于此，本文就船舶結構振動及防范措施進行深入地研究。

關鍵詞：船舶結構;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、推進系統等）和輔助機械（泵、風機等）共同提供動力，然而此些機械設備在運行時往往會產生比較大的振動，船舶結構長期受此影響則會面臨著結構破壞的威脅。因此，對船舶結構振動進行分析且采取有效的防范措施是極其必要的。

2 ?船舶結構振動概述

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生作用、部分是對船體產生間接性的作用，無論是何種情況，都會引起船舶結構出現不同程度的振動。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，就會導致船舶內的各種機械設備以及船舶結構出現疲勞損傷，更有甚者會引起船舶運行故障，嚴重威脅船舶及船員的安全。

3 ?船舶結構振動的主要影響因素

當前，引起船舶結構發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，造成推進軸系出現橫向振動、縱向振動以及扭轉振動等，最終引起船舶結構的振動。第二，柴油機的振動。柴油機的工作模式為往復運動，在曲柄連桿機構的支撐下將活塞的往復運動轉化為曲軸的回轉運動。因為曲柄連桿機構此類較為復雜的運動特性，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，從而使得船舶結構產生振動。

4 ?船舶結構振動特性

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，將其轉化成N個單獨的微分方程。因為模態質量矩陣、模態阻尼矩陣、模態剛度矩陣三者均為對角矩陣，經由對耦系統微分方程的求解，在模態坐標內將其轉換成N個單獨的微分方程，按照對應解耦的微分方程則可以得到各個時域系統所有點產生的振動反映。第二，自由振動的計算。當彈性結構處于聲學介質中時，流體與結構交接面間就會互相形成作用，周圍流體同樣會對該結構面產生作用。在利用有限元方法來求解結構振動以及聲耦合等問題時，應該把流體結構創建在彈性結構的外表面上，實施結構和流體的網格有限元離散，同時還需建立起對應的有限元方程。

4.2 船舶振動的計算

第一，船舶振動模態的分析。在對船舶振動模態進行具體分析時，通常需要用到ansys軟件、有限元三維模型以及對應的公式。在計算時，經由對局部模態的消除，以得到船舶的彎曲和扭轉等其它模態。相關研究表明：有限元模型可以用于計算船舶結構的振動，確保其維持較好的固定頻率，相對誤差控制在6%以內，說明在分析模態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。隨著計算機技術的不斷進步，其內存量也在迅速提升，各類技術軟件同樣是日新月異，有限元方式漸漸轉變成數值計算的常用方法，在航空、航海等眾多領域有著大量運用。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，主要是由于船舶結構十分復雜，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構，難以模擬出船舶的整體結構;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，所以應當合理的簡化有限元法。

5 ?船舶結構振動的防范措施

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在結構表面，可以使結構固有頻率發生變化，降低共振效應，從而實現防范振動的目標。近幾年內，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在船舶的表面，從而構建起“金屬——阻尼——金屬”結構，有著非常好的阻尼效果。額外鋪設的鋁板或鋼板的厚度，應當根據既往經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，進而對船舶性能產生負面影響。第二，阻尼涂料。此種涂料的生產過程相對簡單，且便于在船舶施工現場使用，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在船舶表面，在干燥以后就會產生防水、抗紫外線和不易燃的固化層，可以快速吸收振動能量，進而實現減振的目標。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 科學利用混沌隔振技術

混沌理論形成于二十世紀八十年代，伴隨混沌理論的日益成熟，以混沌理論為基礎而產生的控制技術已發展成相對完善的控制技術手段，尤其是在非線性系統的控制方面有著大量的運用。要想有效防范船舶結構發生振動問題，則應科學利用混沌隔振技術。現階段，使用比較多的非線性隔振系統主要包含：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，以發揮相應的作用。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域表現出其他產品不可比擬的優勢。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，是現階段工業方面運用最多、同樣還是成本費用最少的隔層設施。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 確保船舶設備安裝的質量

一方面，加強船舶設備安裝的精準性。在安裝船舶設備的過程中，因為設備具有重量大、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。在此環節，針對大型設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備安裝的精準性。具體的分析工作，能夠為船舶設備精準安裝、設備后期應用質量和效果提供強有力的保障。其中，對于船舶設備安裝精準性開展的實際分析，主要反映在船舶設備的安裝水平度、安裝高度以及安裝部位等其他方面的精準性，以保障所有的船舶設備在后期船舶航行過程中可以做到“安全、穩定”的運行。另一方面，提高船舶設備安裝的規范性。在船舶設備的具體安裝環節采用防范船舶結構發生振動的舉措，根據最后的技術利用效果分析可知，其最為根本的目標便是，提高船舶設備安裝的規范性。經由選擇使用合理、有效的船舶結構減振手段，以保障船舶設備在后期運行中的效率以及質量。除此以外，針對設備安裝作業時采取的結構減振方式實施分析，有利于產生設備安裝的規范性技術，同時還為有關安裝制度的建立及健全打下了扎實的基礎。

6 ?結論

綜上所述，船舶在航行過程中如果出現結構振動，往往會引起較為嚴重的后果。根據上文分析可知，引起船舶結構發生振動的影響因素是比較復雜的。因此，在船舶航行中，應當通過合理使用阻尼材料、科學利用混沌隔振技術以及確保船舶設備安裝的質量等途徑，避免船舶結構振動問題的發生。

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構振動聲輻射的影響[J].艦船科學技術，2020，v.42（21）：29-34.

[2]杜恒.基于環境激勵網架結構的船舶結構模態分析[J].艦船科學技術，2019，41（08）：17-19.

[3]郭天奇，夏益美，王福花，等.基于混合動態罰函數改進協同優化算法的船舶結構靜動力學優化設計[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，學歷學位：本科學士，職稱：設計員，單位：江南造船（集團）有限責任公司，研究方向：船舶結構