文档介绍：第 7 卷第 2 期船舶力学 Vol. 7 No. 2
2003 年 4 月 Journal of Ship Mechanics Apr. 2003
文章编号: 1007- 7294( 2003) 02- 0102- 14
船舶结构振动特性研究
邹春平, 陈端石, 华宏星
( 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200030)
摘要: 本文利用 SHELL63、BEAM4、BIN14 四种类型共 64187 个有限单元和 30 种几何参数建立了接
近于真实船舶( 包括机舱动力设备) 的有限元模型。在考虑流
固耦合状态下, 用有限元技术对船舶进行模态分
析以及船舶对激励力的振动响应数值计算。在模态分析过程中, 采用了矩阵缩减的方法来消除局部模态, 以便获
得整体弯曲和扭转振动模态。然后对主机单层隔振器和辅机双层隔振器的减振效果进行了预估。将建立的接近
于真实船舶的有限元模型和尾部结构的三维有限元和梁组合模型的数值计算结果进行比较, 得到一些重要结
论。本文为船舶设计人员在船舶设计阶段, 预报船舶结构振动提供了一条新的途径。
关键词: 船舶; 结构振动; 模型; 有限元法
中图分类号: U661. 44 文献标识码: A
1 引言
船舶振动过大不但会造成船舶结构的损坏, 而且会影响船用设备的正常使用。为此, 必须在船舶
设计阶段对船舶结构的局部振动性能和总体振动性能进行预报, 以便在结构设计方面采用合理方案
和必要的措施。随着计算机技术的迅猛发展及大型软件的应用, 使船舶结构振动成为国内、外舰船振
动研究的活跃领域。近年来对船舶振动预报的研究, 大致可分为: 全船模态分析响应、尾部结构振动及
上层建筑振动三个部分[ 1]。蔡承德等将 3400 t 箱型货舱货船的船体离散成杆、梁及平面应力单元组成
的三维结构, 利用线性系统静、动力结构分析程序对船体进行了自由振动分析[ 2]。林哲, 赵德有[ 3], 通过
引进双梁模型和推导出的三梁模型, 对大型油船的总体振动特性进行分析研究, 并将多梁模型与常用
的单梁模型及经验公式进行了比较, 其结果显示, 多梁模型在分析大型或超大型油船总体振动方面较
单梁模型有较好的实用价值。汪庠宝及其合作者利用经过改进的 SPA5 通用结构分析程序对大型油船
的总体振动特性进行了分析, 给出了装载工况下的垂向振动固有频率及强迫振动的响应[4]。朱胜昌
等[ 5] 建立了一个尾部三维有限元和船体梁组合的计算模型, 利用迁移矩阵和有限元法分析了大型自
卸船的振动性能。吴梵、郭日修[6 ] 回顾了国内外船舶尾部振动的研究进展, 并对今后的发展方向提出
了建议。金咸定等利用 SESAM 程序对某高速舰艇进行了艉部振动响应预报, 探讨了建模、模型的校正
以及阻尼和激振力的选取问题并与实测结果进行了比较[7 ,8 ]。近年来国内对船舶艉部振动的研究作了
大量的工作CAMEO凯模CAE案例库, 发表了许多相关论文[9- 12]。甘锡林等介绍了 34000 t 大湖型散货船在设计过程中解决上层
建筑振动问题的经验[13]。顾永宁利用有限元法对两艘商船的总振动和上层建筑局部振动进行研究, 预
报了船体总振动和上层建筑整体及各层甲板自由振动频率及响应曲线[14]。实践表明, 上层建筑振动问
题虽然比较复杂, 但通过改进结构设计, 提高上层建筑纵向剪切刚度和支撑刚度, 可使上层建筑振动
问题得以解决[15]。
本文利用有限元法对船舶结构总体振动和局部振动性能进行预报。本文主要内容包括: ( 1) 首先
给出了弹性结构振动的有限元公式, 以此可求解结构与水介质的耦合振动问题; ( 2) 利用壳、梁和 3D
等单元构造一个接近于真实船舶( 包括机舱动力设备) 的有限元模型, 模型中利用 30 种几何参数来描
述甲板和船壳不同部位的厚度, 梁的面积、惯性矩等; ( 3) 利用 ANSYS 软件对船舶与水介质的耦合振动
收稿日期: 2002- 01- 07
作者简介: 邹春平( 1962- ) , 男, 上海交通大学副教授, 主要从事船舶结构振动及水下辐射噪声方面的研究工作。
第 2 期邹春平等: 船舶结构振动特性研究 103
进行数值计算, 在实际计算中, 采用了矩阵缩减的方法, 以消去局部模态, 得到总体弯曲、扭转等模态;
( 4) 对主机单层隔振器和辅机双层隔振器的减振效果进行了预估。
2 船舶振动性能预报计算方法
2. 1 船舶自由振动计算
当弹性结构置于声学介质中时, 在流体与结构交接面上的流体与结构之间存在着相互作用, 周围
流体对结构产生一个面力的作用。当用有限元方法计算结构振动与声耦合问题时