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.     

5000HP油田供应守护船振动问题分析和治理

介绍了5000HP油田供应守护船振动问题的分析和处理的实例。通过实船振动测试、结构固有频率计算,结合尾部螺旋桨脉动压力大小,逐步分析并查找出引起局部振动的主要原因,最后对船体结构上进行了有效的加强,在后续船的测试中获得了明显的减振效果。     

船舶艉部结构对尾轴振动特性影响研究

船舶大尺度效应造成船体变形大,使船舶轴系和船体之间相互耦合、相互影响问题十分突出。为此,建立了具有非线性油膜力作用的尾轴-油膜-艉部结构耦合系统动力学模型,推导了系统的动力学微分方程并对方程进行求解,分析了不同转速下尾轴的非线性动力学特征,总结了艉部结构系统的固有频率,参振质量,支承刚度,连接刚度对尾轴振动特性的影响。结果表明：考虑艉部结构的影响之后,尾轴-艉部结构耦合系统的振动特性发生了较大的改变,耦合程度受艉部结构固有频率影响较大,尾轴最大振幅随艉部结构参振质量,支承刚度的变化而发生改变。     

40000dwt散货船设计阶段船体振动分析控制

在40 000 dwt灵便型散货船设计建造过程中,为了控制船体出现的有害振动,对船体总体振动、上层建筑总体振动及船体艉部局部结构进行了振动预报分析.对船体总体振动和上层建筑总体振动进行分析,避免与主机和螺旋桨激励发生共振;对于船舶艉部结构,重点关注上层建筑各层甲板工作和生活等重要区域的振动情况,采用结构有限元法分析各层甲板的振动特性,设计时通过调整局部结构刚度并保证一定频率储备来避免共振,为船体结构减振设计提供依据.本文给出了设计阶段船舶总体、上层建筑总体及局部结构振动计算分析方法和过程,可对船舶设计者提供有益的参考.     

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。     

30000t散货船上层建筑有害振动的分析及评估

针对30000t散货船在试航时发生的上层建筑振动问题,通过一系列有限元计算和分析,结合实船考察以及对振动测试结果的分析,找出了以螺旋桨为主要的激振源,最终通过结构加强的措施使振动问题得以解决,并顺利交船。同时,对螺旋桨脉动压力较大的原因进行分析。并对今后船舶设计过程中如何避免由螺旋桨激振力引起的振动提出了解决方法和措施。     

船体振动响应预报

利用有限元技术对船体总振动、上层建筑整体和各层甲板局部自由振动频率及上层建筑振动响应进行了预报。介绍了用于振动计算的单层甲板模型、尾部上层建筑模型、全船模型和简化全船模型及应用实例。研究了上层建筑和船体之间的耦合影响，并根据具体算例对各种模型化方法的效果进行了评价。     

推进器激励船舶振动辐射声计算方法

文章在铁木辛柯梁的基础上,建立螺旋桨、轴系及船体耦合振动的数学物理模型,采用声极子模型计算各船体截面振动引起的辐射声压。计算分析了激励力直接作用到船体和经螺旋桨、轴系激励船体振动产生声辐射的差别,指出轴系振动对螺旋桨激励力激起船体振动并产生声辐射有着关键的影响作用。     

Fourier NUBS method to express ship hull form

This article presents a method of numerical expression to draw ship hull forms. Recent developments in research into ship hull optimization need a method to express ship hull form as precisely as possible with a small number of design parameters. This method is based on a combination of the Fourier–sine series expansion and nonuniform B-spline (NUBS) interpolation. The merit of the combination is that it removes the wiggles which are often found when generating a rectangular-type curve, such as the midship section of tanker ship, with a simple Fourier series expansion. Here, the procedure is explained, and then a tanker ship hull is generated. Through the discussion, we show the effectiveness of the method.     

基于动刚度法的水面船舶桨-轴-船体耦合系统

为分析在低频段内船体两侧螺旋桨激励相位差对船体振动的影响,基于动刚度法建立水面船舶桨-轴-船体耦合系统的横向振动3梁耦合模型。将动刚度法的计算结果与有限元法进行对比,表明动刚度法具有良好的精度。分析桨-轴-船体耦合系统的垂向固有振动特性。在低频段内该系统主要表现为船体梁的振动,推进轴系对船体梁的固有特性影响较小。对左右双桨分别施加不同相位差的单位垂向简谐力,计算由各轴承位置输入至船体梁的功率流。结果表明,双桨激励相位差的增大会使输入至船体梁的功率流变小。因此,在对桨-轴-船体耦合系统的横向振动控制方面,应重点关注双桨激励相位差较大时的工况。     

应用空间有限元模型进行船舶总振动特性的研究

本文以17500吨货船“海建”号为实例研究应用空间有限元模型计算船舶总振动的方法。对于实际船舶结构中的板,提出用平面应力元简化,以减少计算自由度数,由此产生的问题采用节点主从关系的方法解决。在编制的计算程序中,根据质量矩阵高度稀疏的特点,采用了稀疏存储技术,从而使船舶整体空间模型的振动分析能在国产中小型机器上实现。实例计算结果和测量结果的比较表明,这种计算模型合理、可靠。本文还对船舶总振动计算的梁模型、平面有限元模型、空间有限元模型作了比较和讨论。     

减小船体艉部振动的动力吸振器研究

采用有限元法研究了动力吸振器减小船体梁结构谐波振动响应的有效性。在本文研究中利用由文献[1]给出的最优调谐参数,采用直接法计算谐波激励下船体结构的频率响应特征。本文分析了动力吸振器三种不同配置的情况,用来研究它们对减小船体谐波响应的敏感性和适用性,为动力吸振器的实船应用提供了理论依据。     

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。     

船舶结构气幕减振的模型试验研究

对船舶结构气幕减振的模型试验研究作了介绍和讨论。试验模型为铝质,平底,尖首,方尾,开口薄壁型船模,试验在循环水槽中进行,通过2种吃水,2种喷气孔径,5种喷气流量,2种水流速度的选择组合,研究了气幕对船模自由振动,强迫振动和振动阻尼的影响,试验结果表明,气幕对船舶结构的强迫振动响应有较大的抑制作用,有明显的降噪效果,气幕减振有重要的应用前景。     

动态刚度阵法在船体总振动计算中的应用

采用动态刚度阵法计算船体总振动的固有频率.该方法不但能简化计算模型,而且能获得较高精度的高阶固有频率.首先通过直接求解等直Timoshenko梁单元的运动微分方程,导出考虑剪切变形和转动惯量影响的平面梁单元动态刚度阵的解析表达形式;其次采用Wittrick-Williams算法结合二分法求解特征值;最后采用本方法计算299 500DWT超大型油船船体总振动的固有频率,并分别与一维梁有限元法和三维全船有限元法计算结果以及实测值进行比较,验证了方法的精确性和有效性.     

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。     

小水线面双体船船体总振动固有频率预报研究

小水线面双体船是近代发展的一种新船型,不同于常规船型的单体船,其总振动模态计算非常特殊。应用有限元法进行小水线面双体船船体总振动的计算分析,结果表明该船总振动特性满足船体振动储备要求,可以认为该船的振动性能良好。     

船体振动响应预报研究

以某巡逻艇的船体结构和型线为依据，建立三维有限元模型，利用ANSYS大型结构分析软件，计算该艇在强迫外力下的整体响应，得出了加速度响应曲线。与实验结果比较，两者吻合较好。文中的结论对船体振动响应预报及船体结构振动分析都有一定的参考价值。     

多激励下舰船“声平衡”特性分析

以舰船流固声耦合理论为基础,基于势流理论,开发了工程化的舰船湿模态附连水质量三维计算程序,将计算值与理论值、经验值及有限元数值解进行对比分析,验证了程序的有效性和合理性。在此基础上,提出了一种计及流固耦合效应的舰船＂声平衡＂分析方法,研究了船—机—桨多点激励下船体—基座—设备间的耦合结构振动和水下声辐射。结果表明：舰船艏部自噪声随振源相对位置变化出现峰谷交替的趋势,通过优化主机位置可以降低艏部自噪声;舰船主辅机选型应充分考虑船体—基座—设备之间以及设备间的声匹配,兼顾多点激励力幅比和激励频率比。     

内河电力推进船功能区振动响应分析

船舶总是会因其动力源、推进器、波浪以及其他外部激励的作用而产生振动,甚至有害振动。文章通过有限元方法对某电力推进内河船不同功能区结构进行螺旋桨和主机激励作用下的振动响应计算,对比螺旋桨和主机激励作用下不同功能区的振动响应,并判断振动产生的速度及加速度幅值是否符合CCS相关规定的要求。结果表明,在螺旋桨激励作用下,不同功能区振动响应远大于主机激励作用下的振动响应,电力推进装置所产生激振力对电力推进船舶的振动几乎没有影响。由此,对电力推进系统助推的船舶振动计算分析及该类船的设计提供一定的参考。