船舶结构振动特性研究

本文利用SHELL63、BEAM4、SOLID95、COMBIN14四种类型共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。在考虑流一固耦合状态下，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。     

螺旋桨低频振动声辐射特性研究——水母模态

[目的]发现了一种螺旋桨噪声新成分——螺旋桨低频弹性被激发而形成的声辐射,特别是桨叶同相模态被激发引起的强烈声辐射,我们称之为"水母模态",由其激发诱导的推进器轴系艇体系统低频窄带声辐射,并称为"水母效应"。为揭示其形成机理,开展螺旋桨低频固有振动特性研究。[方法]基于精细网格有限元方法分析螺旋桨的模态特征,得到空气和水介质中螺旋桨模态特性以及桨叶失谐对模态特性的影响规律;引用循环对称结构振动理论,对数值计算结果予以进一步验证。[结果]结果表明,在空气和水介质中,螺旋桨振动模态具有分组特征以及组内呈现出单频、重频模态的特征;桨叶失谐对重频模态影响较大而对单频模态/振型影响较小;精细化有限元计算结果与循环对称结构理论分析一致。[结论]本研究揭示了螺旋桨的低频模态特性,为螺旋桨低频噪声机理分析和控制提供了理论支撑,具有理论和工程应用价值。     

基于流固耦合分析的船舶离心泵转子模态设计

流固耦合分析是一种将流体动力学和结构动力学相结合的分析方法,在船舶离心泵转子的模态设计中,通过流固耦合分析可以确定泵转子的关键振动模态和频率,评估流体对泵转子振动的影响,识别潜在的振动问题,并针对性地进行结构优化。本文系统介绍船舶离心泵转子流固耦合分析的过程,从流体力学原理、动力学原理等角度,阐述了流固耦合分析算法,通过建立船舶离心泵转子的有限元模型,在分析软件Workbench中进行了转子的流固耦合模态分析,对于改善船舶离心泵转子的设计水平有重要的意义。     

基于环境激励网架结构的船舶结构模态分析

船舶结构的模态分析主要是指船体结构的振动特性分析,随着海上航运业的迅速发展,对船舶的质量有更高的要求,船舶的振动不仅会产生大量的噪声,还会导致船体连接的结构出现松动等问题,甚至导致船体的损坏。船舶的振动激励主要是指海浪、海风、船舶动力系统等激励,为了提高船舶结构的振动特性,本文研究了基于环境激励网架结构的船舶结构振动模态,分别对环境激励、船舶振动信号采集、模态参数识别等内容进行了研究,并对船舶结构的模态进行了仿真试验。本文对于改善环境激励下的船舶结构振动特性有一定的参考意义。     

船舶隔振系统的磁流变隔振器设计

船载机械设备种类非常多,机械设备的运转会造成船体的振动,此外,海浪的冲击作用以及螺旋桨的运转也会造成船体的振动,船舶振动会影响船载精密设备的运行状态,甚至对机械结构造成破坏,因此,有必要对船舶的隔振系统进行研究。本文重点应用的一种隔振手段是磁流变隔振器,这种隔振器基于磁流变弹性材料,本文重点介绍了船舶的振动模型以及磁流变隔振器的隔振原理,并基于有限元分析软件Abaqus对隔振系统的模态进行了分析和仿真。     

船舶筒状桅杆的模态分析

筒状桅杆在现代船舶上已得到越来越广泛的应用。由于结构形式的改变,其动力学性能也随之发生变化,对船舶的性能产生了很大影响。因此,有必要对筒状桅杆的振动模态进行分析研究。本文以某船的筒状桅杆作为主要研究对象,用大型有限元分析软件ANSYS建模并进行了模态计算,并用实验结果进行验证,结果令人满意。     

船舶辅机的隔振设计及船体耦合振动分析

为了减小船舶的振动与噪声,对某船用空压机组进行了浮筏隔振装置的设计,其中包括隔振参数的确定以及筏体结构的设计等。通过建立隔振系统的有限元模型,分析了该系统的动力学特性,包括振动模态、振动传递率以及对于冲击的响应。为了揭示实船隔振系统的规律,将空压机组浮筏装置的有限元模型拓展到全船,分析了隔振装置装船后的耦合振动模态,讨论了船舶结构的振动对浮筏系统隔振效果以及冲击响应的影响。在此基础上,探讨了提高船舶辅机浮筏隔振系统动力学性能的途径。     

钟形减振穴的设计研究

对双桨平底船的尾部振动,根据实船螺旋桨脉动压力测试结果,以及金属橡胶板的模型试验与模态分析,设计了钟形减振穴,以减小螺旋桨激起的船舶尾部振动,并在国内的双桨平底船上首次应用获得成功。 文中提出了适用于双桨平底船的螺旋桨脉动压力估算的经验公式,其计算值与实测值相当接近,可供船舶初始设计阶段应用。     

纵横加筋圆锥壳振动特性多目标优化设计

[目的]为了提高结构第1阶总体弯曲模态频率并降低低频范围纵横加筋圆锥壳尾端处的加速度总级,建立纵横加筋圆锥壳振动特性多目标优化设计的数学模型。[方法]采用有限元软件ANSYS对纵横加筋圆锥壳进行参数化建模,分析结构的振动模态以及在纵横加筋圆锥壳尾端施加垂直向下单位集中力情况下结构的响应。以Matlab为平台,使用遗传算法和宽容排序法对纵横加筋圆锥壳振动特性进行多目标优化求解。[结果]结果发现随着宽容度以及目标重量的增大,最优方案结构载荷处的加速度总级减小;单目标优化对于同一个目标值可以有多个方案与之对应。[结论]研究结果可为加筋圆锥壳结构声学设计提供参考。     

基于修正大质量法的船体振动及水下声辐射预报

[目的]大质量法(LMM)可将设备机脚的激励加速度转化为力载荷,是结构振动响应与声辐射仿真分析的常用方法。为提高LMM在船体声振响应计算方面的应用精度,提出对LMM的修正。[方法]首先,分析LMM的适用原理,得出合理的大质量倍数区间;然后,基于船舶的阻尼分析,引入瑞利阻尼质量比例系数对LMM加以修正;最后,将修正前、后的LMM计算结果分别与某油船测试的数据进行对比,并基于修正大质量法(M-LMM)计算所得船体谐响应结果,进一步计算船舶水下辐射声功率与垂直声场指向。[结果]结果显示,在20～200 Hz分析频段内,应用2种LMM计算所得的振动响应频谱曲线趋势相近,但M-LMM的计算结果更接近于实测值,平均误差仅2.70%。[结论]M-LMM可提高船体响应仿真精度,能为船舶前期设计阶段提供更准确的设计依据。     

船舶艉部激励耦合振动噪声机理研究进展与展望

[目的]船舶减振技术经过几十年的发展,降低艉部激励引起的桨—轴—船体振动辐射噪声成为我国现阶段船舶声隐身的紧迫任务。[方法]针对船舶艉部激励耦合振动噪声问题,从船舶螺旋桨激励力特性、桨—轴—船体耦合振动噪声特性及其控制方法 3个方面对当前研究进展与发展趋势进行综述,[结果]得到了船舶艉部激励与桨—轴—船体系统振动噪声的映射关系,并提出了针对低频振动噪声的控制方法。[结论]在此基础上对在螺旋桨非定常力测试、艉轴承摩擦诱导振动机理和桨—轴系统横向振动控制等方面提出进一步开展研究的建议。     

弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析

[目的]研究弹性螺旋桨在水流中的振动响应特性。[方法]基于CFD/FEM流固耦合方法,利用Workbench平台中的ANSYS-CFX模块对螺旋桨进行双向流固耦合水动力求解,分析弹性螺旋桨变形及应力应变响应特性;考虑到流固耦合对固有特性的影响,利用ACT_Acoustic模块计算桨叶湿模态,结合弹性螺旋桨固有特性和流固耦合水动力结果进行弹性螺旋桨频谱分析。[结果]流固耦合水动力结果相较不考虑流固耦合的定常计算结果更接近试验回归曲线;与干模态相比,弹性螺旋桨前5阶湿模态固有频率减小19%～37%,且四阶和五阶干湿模态振型存在交错情况。频谱分析结果表明,水动力轴向推力和扭矩是弹性螺旋桨在流场中振动响应的主要影响因素,且主要引起弹性螺旋桨的一阶湿模态悬臂振动;桨叶面上,从叶梢处到导边和叶中部分,再到随边部分,最后到叶根处,结构响应逐渐降低。[结论]所做研究可为弹性螺旋桨流固耦合计算分析提供方法途径,也为螺旋桨流固耦合振动噪声分析打下了一定基础。     

基于模态与振动传递函数分析的低噪声液压站设计

[目的]液压油站作为液压系统的动力源,是液压系统振动、噪声产生的根源。为进一步降低液压系统的振动、噪声水平,提出一种基于模态分析与振动传递函数分析的低噪声液压油站的设计方法。[方法]建立液压油站有限元模型,在此基础上求解出油站的模态,并利用模态叠加法对油站结构及液压泵的安装位置进行优化,得到油站的最佳结构形式和液压泵最佳安装位置。基于振动传递函数分析对液压油站箱体结构进行设计,优化泵组到油站机脚的振动传递路径,进一步降低液压泵组振动噪声对液压油站的影响。[结果]油站的振动噪声测试结果表明,该设计方法显著降低了液压油站振动、噪声指标,其中液压油站振动加速度总级降低5.7 dB,空气噪声降低2 dB,[结论]为液压系统减振降噪提供了较好的方法。     

不同充液高度下液箱的模态分析及实验研究

为研究船舶液舱充液后的振动特性,采用有限元分析法对钢质充液箱不同充液高度条件下的流体与结构耦合振动的问题进行了仿真方面的计算。在ADINA软件中完成了有限元建模及模态分析,分析其振动特性,得出其固有频率和振型。通过LMS振动测试系统对其进行了实验研究,将模态实验值与振型同结构有限元仿真结果进行了分析比较,得出了液面的升高会导致结构频率下降的总体规律,可为LNG型的船舶的减振降噪设计提供参考。     

船舶推进轴系弯—纵耦合效应的非线性振动特性

[目的]大型船舶的推进轴系一般具有轴系长、跨度大、细长比小等特点,其弯曲变形与纵向变形之间易存在弹性耦合效应,从而引起轴系异常振动,影响轴系的安全稳定运行。为了研究轴系弯—纵耦合的非线性振动特性,[方法]利用变分原理推导轴系发生弯—纵耦合时的非线性振动方程,采用有限元法(FEM)、打靶法等数值方法,以及多尺度法等近似解析方法对非线性方程进行求解,并对比分析弯—纵耦合效应对轴系非线性振动特性的影响。[结果]计算结果表明:弯—纵耦合效应将导致轴系响应中出现多频响应、跳跃现象、能量迁移等复杂的振动现象,同时将增加轴系弯曲方向和纵向方向的固有频率。[结论]研究成果可为大型船舶推进轴系的工程设计提供参考。     

船舶上层建筑振动的最优控制分析

本文讨论了最优控制理论在船舶上层建筑振动控制中的应用。文中将船体和上层建筑简化为相应的船体梁和上层建筑梁模型，并将上层建筑梁的振动响应处理为支承激励下的响应。用模态分析法得到船体梁和上层建筑梁的动力特性（固有频率和固有振型），再用模态（振型）叠加法得到受控前上层建筑顶端的稳态动力响应，接着根据最优控制理论，设定目标函数，求解Riccati方程，得到主动控制力，将其作用在上层建筑梁的顶部，用模态（振型）叠加法得到受控后上层建筑梁顶部的稳态动力响应。以一条50000吨的油船为算例进行数值仿真，受控后上层建筑顶部的稳态振动位移减小了30％，可见最优控制在船舶上层建筑的振动控制中是可行的和有效的。     

49 m远洋围网渔船的振动测试与减振分析

针对49 m远洋围网渔船的振动问题,利用有限元软件建立全船的有限元模型,分析整船的固有模态,对船舶进行实船振动测试,结合实测数据和数值模拟结果,分析找到该船振动过大的主要原因,提出相应的减振方案。对改造后的船舶再次进行测试,发现船舶振动得到了有效控制。     

后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响

[目的]为了研究后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响,[方法]针对螺旋桨不定常激振力诱发的艇体结构辐射声,以SUBOFF潜艇为原型,建立了包含螺旋桨和轴系实体结构单元的潜艇整艇模型,采用通用有限元程序NASTRAN计算其在真空中的振动特性,同时采用附加质量附加阻尼算法计算其在水下的振动和声辐射特性,对潜艇整艇结构在螺旋桨垂向激振力作用下的振动与声辐射特性进行分析,并着重考虑了后艉轴承刚度对潜艇整艇结构振动与声辐射的影响规律。[结果]研究指出,降低后艉轴承刚度使潜艇结构振动与声辐射的能力主要向其第2阶整体弯曲振动模态频率处集中,且第2阶整体弯曲振动模态频率逐渐向低频移动;在第2阶整体弯曲振动模态频率以上频段降低后艉轴承的刚度能够有效降低潜艇整艇结构的振动和声辐射。[结论]所得结果可为声学设计阶段潜艇关键部位结构参数的选取提供参考。     

大型液化气船泵塔振动特性试验研究

针对某型LNG船液化气封闭舱内的泵塔,采用不同方法进行振动特性测试分析。应用激振试验测试方法获得了某型LNG船泵塔结构的模态,同时通过船舶在航行中不同运行工况下的振动测试,也提取到了泵塔的振动模态特性。对这2种方法的测试结果进行比较,二者吻合良好。表明变工况振动测试方法能够识别结构的模态,尤其适用于难以开展激振试验场合的结构振动特性测量。     

船舶裂纹轴非线性振动特性仿真研究

为研究船舶裂纹推进轴的非线性振动特性,本文基于三维有限元单元法建立含有裂纹的船舶推进轴系有限元模型,并研究其模态特性及其单位阶跃非线性振动特性。计算结果表明,由于裂纹的存在,推进轴一阶模态频率将有所下降,并且振型发生较大的变化。在同样脉冲作用下,位移响应峰值将更大,裂纹轴振动频率将有所下降。