船舶振动响应计算中螺旋桨脉动压力的模拟方法研究

严重的船舶振动不仅影响船舶的居住舒适性,也是导致船体结构发生疲劳破坏及降低船舶设备仪表使用精度和寿命的元凶,因此在船舶设计阶段必须充分考虑船舶振动问题.文章基于某支线集装箱船,重点研究了船舶有限元振动响应计算中螺旋桨脉动压力的模拟方法;基于螺旋桨空泡试验测得的脉动压力和螺旋桨脉动压力的分布规律,提出3种不同的脉动压力模拟方法;通过对比研究不同模拟方法计算结果的差异,最终确定一种快速、高效且准确的螺旋桨脉动压力有限元模拟方法;应用该螺旋桨脉动压力模拟方法对某支线集装箱船进行全船振动响应分析,以实现船舶振动预报控制.经实船试航振动测试验证,该船振动性能良好.     

小水线面双体船尾部结构水下辐射噪声特性及结构优化分析

小水线面双体船型尾部结构与常规单体船相差较大,开展小水线面双体船螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声特性研究及结构优化分析对于全船水下辐射噪声的控制具有重要作用。研究结果表明:双桨脉动压力相位差对于各阶脉动压力分量引起的水下辐射噪声都有显著影响,且大部分阶数对应的水下辐射噪声极小值出现在相位差180°时;相比其他优化措施,通过增加脉动压力作用区尾部结构横向加强筋的尺寸来降低各阶脉动压力分量引起的水下辐射噪声具有较高的效费比。     

螺旋桨脉动压力的分析推算

以脉动压力为主的螺旋桨激振力在船舶振动响应计算中是一个重要的参数,但其值的确定却是一个比较复杂的问题。本文利用目前常用的螺旋桨脉动压力经验公式对某船的脉动压力进行了计算比较,并根据其总振动测试响应值,采用有限元方法对螺旋桨激振力进行了推算,获得了比较满意的结果。     

滑行艇尾部结构的模态分析和响应预报

针对某滑行艇尾部结构振动问题,建立尾部结构三维有限元模型,应用MSC.Patran/Nastran软件对其进行模态分析和响应预报。其中,采用虚拟质量法模拟流体与结构相互作用来计算附连水质量;运用瞬态响应分析方法计算螺旋桨脉动压力引起的尾部结构振动响应。通过分析获得该艇尾部结构的振动特性,为结构减振设计提供依据。     

螺旋桨激励力下的舰船振动特性分析

考虑螺旋桨脉动压力与轴承力的影响,开展了螺旋桨激励力对舰船振动的影响研究;分析了某舰船在最大航速、巡航速度下等不同航行状态下的舰船振动,得到了不同航行状态下舰船的振动响应;计算结果表明:高航速下螺旋桨激励力对舰船的振动有一定影响,低速时螺旋桨激励力对舰船的振动影响不大;对于同一航速而言,双桨同时工作较四桨同时工作时的振动偏大,从减小振动角度出发,宜采用四桨同时推进的方式航行.     

相位差对双桨船脉动压力预报的影响研究

文章对双桨船脉动压力进行了计算,计算时考虑了左右螺旋桨之间的相位差对脉动压力计算的影响,结果证明汁算双桨船的脉动压力时,相位差的影响不能忽略,不同的相位差得到的计算结果有明显差别,越靠近船体内侧,相位差引起的幅值变化越大.相位差的影响还同双桨的距离有关系,双桨的距离越近,相位差的影响越显著,随着双桨距离加大,相位差的影响减小.这可以部分解释脉动压力模型实验和实船测试中的一些现象,同时也提醒试验人员在进行双桨船脉动压力试验时,要注意双桨相位差的影响.     

船舶螺旋桨诱导的脉动压力和噪声的研究

随着人们对船舶振动和噪音问题的关注，对作为引起船舶振动和噪音源之一的螺旋桨的研究也愈来愈深入。本文从螺旋桨设计及船尾流场，包括附体设计等方面，研究降低螺旋桨诱导的脉动压力及船尾噪音的途径。     

舰船尾部振动研究的回顾

本文对四十多年来国内外船舶尾部振动的研究作了一个简要的回顾。内容涉及到螺旋桨激励力研究、尾部结构振动特性的研究及水弹性方法在舰船尾部振动分析中的应用，并对今后船舶尾部振动研究的发展方向提出了一些看法。     

螺旋桨空泡与脉动压力及振动特性研究

为了提高螺旋桨效率,在船舶螺旋桨设计中通常会增大桨叶梢部载荷。桨叶在旋转过程中不断地重复进入和退出船体尾流场,使得梢涡空泡容易发生猝发(bursting)现象;另外由于尺度效应的存在使得梢涡空泡在实船螺旋桨上比模型试验观测到的更为强烈,猝发现象更容易发生并且更为剧烈;当梢涡空泡猝发产生时将引起脉动压力高阶量或宽带谱的增大,从而引起相应的船体振动或严重的噪声。本文通过对3 600箱集装箱船实船螺旋桨梢涡空泡猝发现象与脉动压力、振动等特性关系的分析,研究了螺旋桨梢涡空泡猝发引起的脉动压力高阶量或宽带谱特性以及相应的振动等特性。结果表明:船体振动宽带谱特性与螺旋桨梢涡空泡的猝发有关;螺旋桨梢涡空泡猝发引起的船体振动高阶量特性比脉动压力高阶量更为强烈。     

Activities of Propulsion Design and Cavitation Test for Merchant Ships in CSSRC

文章介绍了过去10年间在中国船舶科学研究中心(CSSRC)进行的商用船舶螺旋桨设计和空泡、脉动压力试验方法及应用;介绍了利用试验手段解决实船螺旋桨出现的空泡剥蚀、螺旋桨空泡引起的船体剧烈振动等工程问题的方法;以及船舶节能装置的设计、试验方法及应用等;同时还介绍了用于高速艇的半浸桨及控制系统的设计及应用.     

船舶避振穴隔振特性研究

避振穴是一种减小船舶尾部振动的重要装置,本文采用基于橡胶材料超弹性和空气压缩性的非线性有限元方法对其进行数值模拟和隔振特性分析。选取Mooney-Rivlin模型对橡胶材料非线性特性进行模拟,建立气体单元模拟加压空气,对一个独立密闭气室结构进行充气过程模拟和振动响应计算,分析气室深度、初始气压和橡胶板厚度等参数对其隔振特性的影响。将避振穴应用于实船尾部模型,验证其对螺旋桨激振力的隔振效果。计算结果表明,避振穴对于船舶尾部减振具有显著效果,但需要留意其在低频共振区引起的响应增大情况。     

轴-艇耦合系统的力传递特性分析

螺旋桨与水下伴流场产生的脉动激振力是潜艇振动的一个重要激励源.潜艇的主要结构是推进轴系与壳体耦合结构,螺旋桨产生的激振力通过轴系经尾轴承、中间轴承及推力轴承作用于艇体激起艇体振动.目前降低轴系引起外壳体的振动有降低螺旋桨的脉动激振力和改善轴系与壳体之间的减震装置2种方法.在降低螺旋桨脉动激振力较困难的情况下,研究激振力经轴系传递到壳体的路径,就对改善减震装置、降低壳体振动有重要意义.     

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。     

船用螺旋桨鸣音的研究

本文根据某船螺旋桨的噪声测量和激振试验结果,描述了螺旋桨鸣音的特点和产生鸣音的机理。 为了预报实桨的鸣音,按照作者提出的模拟条件,在空泡水筒中进行了模型试验。 文中还提出了几种消除鸣音的方法。经实船试验,证明这些方法是有效的。     

推进轴系回旋振动对船体尾部振动影响分析

船舶在航行过程中,螺旋桨在不均匀的伴流场中工作产生周期性的弯曲力矩作用在螺旋桨轴上,使推进轴系在螺旋桨或转轴上旋转的横向力矩作用下,旋转轴绕其静平衡曲线产生振动,从而出现回旋振动现象,而严重的轴系回旋振动引起轴承反力的动力放大而引起船体尾部结构的振动.本文对一艘尾部结构振动严重的船舶进行了推进轴系回旋振动计算分析及实船振动测量验证,分析了推进轴系回旋振动对船体尾部结构振动影响,通过更换尾管前轴承、调整中间轴承的位置,解决了轴系回旋振动引起的船体尾部结构严重振动问题,为解决类似船体尾部振动问题分析提供参考.     

Free and forced vibration analyses of ship structures using the finite element method

With increases in ship size and speed, shipboard vibration becomes a significant concern in the design and construction of vessels. Excessive ship vibration is to be avoided for passenger comfort and crew habitability. In addition to the undesired effects on humans, excessive ship vibration may result in the fatigue failure of local structural members or malfunctioning of machinery and equipment. The propeller induces fluctuating pressure on the surface of the hull, which induces vibration in the hull structure. These pressure pulses acting on the ship hull surface above the propeller are the predominant factor for vibrations of ship structures are taken as excitation forces for forced vibration analysis. Ship structures are complex and may be analyzed after idealization of the structure. Several simplifying assumptions are made in the finite element idealization of the hull structure. In this study, a three-dimensional finite element model representing the entire ship hull, including the deckhouse and machinery propulsion system, has been developed using solid modeling software for local and global vibration analyses. Vibration analyses have been conducted under two conditions: free–free (dry) and in-water (wet). The wet analysis has been implemented using acoustic elements. The total damping associated with overall ship hull structure vibration has been considered as a combination of the several damping components. As a result of the global ship free vibration analysis, global natural frequencies and mode shapes have been determined. Moreover, the responses of local ship structures have been determined as a result of the propeller-induced forced vibration analysis.     

螺旋桨诱导的船体表面力预报新方法

在已知船舶的质量、刚度、阻尼以及实测尾端振动速度的条件下,反推出螺旋桨叶频激振力.这是属于结构动力学的反问题即载荷识别问题.在深入研究国内外螺旋桨激振力计算方法以及综合分析影响螺旋桨激振力的各种要素后,采用载荷识别方法,提出计算空泡螺旋桨诱导的船体表面力的新公式,用该公式预报了四条船的表面力并与国外有关方法进行比较,预报的螺旋桨激振力与脉动压力值均在国外各公式预报值之间.用该公式预报的5.2万吨多用途货船的脉动压力值与空泡水筒中的实验值相比误差为21.8%;预报了30万吨超大型油船的激振力并由该激振力算出的尾端振动速度值与实测值相比误差仅为3.64%.     

某船用螺旋桨空泡诱导下的脉动压力试验方法

文章分析了由螺旋桨空泡诱导的脉动压力对船体振动的影响及计算方法。为了进一步研究螺旋桨空泡对脉动压力的贡献量,以某船用螺旋桨为对象,分别进行了设计和压载工况下的空泡及无空化时的脉动压力试验。试验结果表明,在相应的测量点处,无空泡下时的对应阶次脉动压力值都低于发生空泡下的值,尽量减小或避免空泡的发生,将可有效减小螺旋桨诱导的脉动压力值,从而减缓船体的振动。     

双导管螺旋桨船的艉部振动与治理

本文基于某双导管螺旋桨船船体的线型特点，详尽分析了该船在试航中产生振动的原因；并通过模型试验进一步证实该船振动的成因主要是由于螺旋桨在不均匀流场中运转时产生的激振力所致。在实船已经建成，船体线型无法修改的情况下，在艉部设计并加装整流鳍，改善了该船桨盘面伴流分布的不均匀性，从而降低由螺旋桨脉动压力所引起的剧烈振动，使该船最终得以顺利交船。     

铺板连接结构减振设计分析

为控制机械振动向船体结构传递,基于不均质结构振动隔离原理,对铺板连接结构进行减振设计。采用有限元方法建立各设计方案的计算模型,进行激励源在铺板不同位置工况下的动响应分析,对比各方案的减振效果并开展缩比模型试验。分析结果表明,U形连接结构对抑制振动从铺板向圆柱壳体传递效果较好;适当减小连接板厚度,减振效果呈增加的趋势。缩比模型测试结果显示,U形连接结构在2 Hz～4 kHz频段有大于4dB的减振效果,仿真计算结果与试验结果吻合较好。