1、毕业论文开题报告 船舶与海洋工程 散货船舱口盖自由振动分析 一、 船舶振动研究的背景以及意义 船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的营运过程中将受到各种外界激振力的作用而产生振动如：船舶主机、辅机在运转过程中总会产生激振力和力矩，将通过机座传给船体而带来的振动；船舶受到波浪力的冲击等等，所有这些都将不可避免地成为船体梁的外界激力。而这些激励的存在总会引起船体的振动。因此船舶总体振动的振动模态和响应，对于绝大多数类型的船舶，通常是必须计算的；由于机械设备带来的强烈振动将影响设备仪表正常工作和人员的生活舒适，甚至引起结构 的疲劳破坏，因此，设计人员需要在船舶设计阶段预先对振动发生的严重程度作出估计。
2、振动是生产实践中经常遇到的一种自然现象，出现在各工程领域中。与任何弹性体一样，船体也可能做周期性弹性振动。在大多数情况下，船体振动不会产生有害的影响。然而在船舶营运转速范围内上层建筑与外界激励发生共振；或者是虽然不共振，但由于激励过大和 /或结构刚度过弱所造成 剧烈的船舶振动（上层建筑局部振动）都会引起船员和旅客的不适，工作效率降低，位于船上的机械设备、仪器仪表不能正常工作，引起结构构件的交变应力，加速结构的疲劳损伤，船体结构会产生 裂纹等。 五十年代以前的船舶一般采用蒸汽动力装置，功率小，航速低，所以引起船舶振动的激振力小，一般情况下按规范设计的船舶都不会产生剧烈的振动。随着现代船舶主机功率
3、的增大以及采用机舱和上层建筑布置在尾部的形式日益增多，使得上层建筑接近船舶两个主要振源 螺旋桨及推进轴系，因此经常受到较大的激励作用。同时由于改善驾驶视线的需要和船员数量的减少，往往将上层建筑设计得更高更短，有时为了减少上层建筑的噪声污染而采用把上层建筑和机舱棚、烟囱分离的型式，使上层建筑本身的刚度有所减弱。 与此同时，高强度钢的广泛用于船体材料， 力图减小船体构件尺寸，减轻船体重量，这样船舶振动就变成了一个突出的问题，不再是局限于总振动问题，更重要的是局部问题，诸如上层建筑的振动问题等。随着造船工业的迅速发展、使用性能及船员生活环境提出了越来越高的要求。 而且船舶一旦产生了剧烈的振动，或者需
4、要花费相当的代价，或者必须降低船舶的其他性能才能解决。 早在 19世纪后期 ,船体振动问题就开始引起人们的注意。近年来 ,随着航运业的发展 ,主机功率和转速提高 ,船舶吨位加大 ,以及肥大型船舶的出现 ,致使船体振动问题日益突出。随着造船技术的进步 ,船体结构减轻 ,结构刚度也随之减 小 ,更易激起较大的船体振动。已建成的船舶 ,如发现存在严重的振动问题 ,要彻底根治一般比较困难 ,且代价相当大。因此 ,在设计阶段就应进行必要的振动计算 ,并采取预防措施。钢质内河船舶入级与建造规范 ( 2002)中专列了船体振动章节 ,对船长大于或等于 60m客船的总体振动、局部振动及振动衡准做了明文规定。
5、船舶振动的基本要素为激励、响应和衡准。船舶通常受到周期力和瞬时力的激励 , 多数情况下 , 周期力由螺旋桨和主机产生 , 瞬时力由波浪所引起。共振时 , 较小的周期力亦会使船舶发生严重的振动 , 强大的瞬时力 ( 如冲击力 ) 可能会激发船体结构振动 , 当处于恶劣海况时 , 会造成结构的严重损坏。船舶发生有害振动的事故时有所闻 , 船舶剧烈振动除造成结构损坏外 , 还使船上仪表、设备破损或失灵 , 破坏舰艇稳身性 , 影响船上人员的工作效率及生活舒适性。时代对船舶低振动化的要求也越来越高 , 船舶振动日益成为重要而又突出的问题。 二、 船舶振动的原因分析 船体作为自由漂浮在水上的空心弹性梁
6、,在营运过程中必然会受到各种激励的作用 ,激起船体总振动和局部振动。船体产生振动过大的主要原因可归结为下述 3 个方面。 (1) 设计时考虑不周 ,如船舶主尺度与主机的选择 ,螺旋 桨与船体及附属体间隙以及与尾部线型的配合 ,船体结构尺寸、布置和结构的连续性等。 (2) 建造质量的问题 ,如螺旋桨制造质量差 ,轴线对中不良 ,结构连续性被破坏 ,焊接残余应力与初挠度等。 (3) 营运管理问题 ,如船体的装 (压 )载不当 ,轴系变形 ,机各缸燃烧不均 ,机件磨损、松动 ,螺旋桨受损等。 三、 船舶振动的分析 文献 1主要介绍了船舶振动的产生原因及其危害性， 1 使船体结构或机械设备在应力过大时
7、产生疲劳破坏 ,影响航行安全。 2 影响船员和旅客的居住舒适性 ,影响船员的工作效率 ,危害身体健康。 3 影响船上设备、仪表的正常工作 ,降低使用精度 ,缩短 使用寿命。另外振动还会激发噪声。因此研究船舶振动的 原因 ,采取有效措施进行减振十分必要。 同时还阐述了在船舶设计方面，对于船舶振动影响所应考虑的固有频率，避免共振，以及尾部型线和螺旋桨的设计。 文献 2本文重点介绍黄船公司在建产品 8000 kW 海洋救助船和小水线面双体船的振动情况，对震动产生的机理进行了详细的分析，并采取了有效的工艺措施，达到减震降噪的目的。采用了两种不同的方法即结构动力学和有限元方法来分析梁的振动固有频率，隔振
8、机理，局部振动分析，工艺措施等相关介绍。 文献 3本文主要介绍船舶振动测试，船舶 振动测试可分为营运尔自自的振动测试及新建船舶的振动测试两种情况。船舶振动的测试项目按检测对象的不同可分为 1.以确定船体及其局部结构如板架、板、轴支架、刚架等的振动特性参数为对象的项目 , 如固有频率、阻尼和振型。 2.以激励力的测量为对象 , 如螺旋桨的脉动压力与其它机器振动的测量等等。 检测仪器设备： 1 激振设备 2 测量记录设备即测振仪是用来测量和记录激振试验或航行振动试验时船体结构振动响应包括位移、速度、加速度、振动应力、振动频率和激振力的装置。 文献 4该文主要论及了船舶与海洋结构物的结构设计中关键技
9、术 船 舶振动。在基本理论概述、船舶振动的内容和方法、研究进展及亟待解决的问题等内容作了全面的论述。该文以通俗易懂的语句 , 描述了该学科 20 世纪进展的回顾和总结 , 包括国内外的进展及提出了亟需加强研究问题 , 并对该学科 21 世纪的发展趋势进行了一定预测。文章为高层次领导的管理与决策提供了必要的咨询 ; 为有志献身于船舶与海洋结构物的结构设计工作者提供了较为宝贵资料。因此 , 它对管理工作人员和科技工作者有较重要的参考意义。 文献 5航空领域内 , 飞机机内的振动噪声的监控上采用了示波器这一可靠而又传统的检测仪器。随着国 内外船舶工业的需要和发展 , 噪声振动已经成为一个不可忽略的问
10、题。现组建了基于 CPLD 和 DSP 为核心的监测网络 , 网络协议由 CAN 总线、 I2C 总线以及并行总线构成。系统通用性好 , 可靠性高 , 实时性强。安装本振动实时监控系统 , 可以实现如下的目的 :( 1) 能实时检测船舶的振动噪声性能 , 噪声振动谱 , 实现对船舶典型航态的声场特性预报。 ( 2) 可以根据试航时的原始数据 , 实时监控目前船舶的各类主机附机的运行情况。 文献 6本文从机电耦合弹性体的理论出发 ,运用 Hamilton 原理建立一般机电耦合系统的动力分析模型 ,并推导出有限元分析的耦合系统方程、作动方程及检测方程。以此为基础进行压电控制系统设计。应用 LQG
11、算法对简化舱段船壳的振动控制表明 ,增大结构的阻尼 ,使结构的振动降低 ,有效地控制结构振动。 文献 7本文介绍了利用 VB 编程语言和 Access数据库开发船体振动评价系统 , 该系统可直接输出三轴诺模图和振动评价报告 , 各测点振动评价的表格、诺模图的查询 , 具有可靠性和效率均较高的特点。 文献 8概述了整船结构振动计算分析中的力学模型的建立、模型的结构参数、计算方法等 3 个问题的研究状况 ,并对其方 法进行评述 。 文献 9本文对以 28000 吨多用途货船建立的三维有限元模型进行了总振动计算及振动响应计算 , 并对振动情况作出了评估 此外 , 文中对振动计算的有限元方法也作了进一
12、步探讨。 文献 10本文是对南海海区千吨级巡视船船体结构设计中采用的一些振动控制方 法进行探讨。 1.控制振源，减少船体结构激励力及其传递； 2.控制和防止共振的产生，使用调频的方法，改变船体结构振动系统的固有频率或激励频率，因为振动系统的固有频率与激励频率吻合时，就会产生共振现象； 3.控制振幅，采用增加阻尼，以消耗振动能量。 文献 11本文对浮筏系统的振动传递及水下声辐射特性进行试验研究有其重要的工程应用前景。通过对船舱浮筏系统模型的隔振性能与水下声辐射进行试验 , 分析了船舶运载、动力设备运转工况以及管系对于浮筏系统的隔振性能及其水下辐射噪声的影响 , 指出管系在船舶浮筏系统的振动传递中
13、占有重要的地位 , 在高频时可能成为振动传递的主要通道。 文献 12本文阐述船舶动力系统的振动通过壳板向水下辐射噪声的预报一直是非常关键的问题。船舶的声学设计应建立在全船结构声一体化的前提下 , 本文基于船体与周围声学流体介质的耦合作用 , 建立了 带有浮筏结构的动力装置的整个双层壳体船舶的 FEM/ BEM 数学模型。在理论分析的基础上 ,利用有限元软件 ANSYS 建立了水下船舶结构的振动和声场耦合的模型 , 首先计算在模拟发动机的激励下船舶壳板的振动 , 并利用边界元软件 SYSNOISE,对轻外壳面上的声强进行预报。本文的方法为解决大型复杂结构的耦合声振预报提供了一个典型的实例。 文献
14、 13本文将船体结构与安装在其上的设备和其周围水介质合在一起建立了一个数学物理模型 , 即研究具有机器一上层隔振器一带有粘弹性材料 7阻尼处理 8的筏架结构一下层隔振器一基座艇体 外流场的艇体振动及声辐射。首先 , 从复合结构与流体相互作用间题的有关混合边值问题出发 ,针对声波辐射特点 , 推导了一种广义形式的 Hamilton 原理及有限元形式的运动方程。在此基础上 ,分别推导了带有粘弹性材料的筏架结构和艇体与声学介质荆合的动力学运动方程式。进一步 ,在阻尼处理面积及位置、上下层隔振器刚度变化、基座面板厚度变化等四个方面对浮筏隔振系统声场特性的影响作了详细计算及分析研究 , 得到了一系列具有
15、工程应用价值的结论。 文献 14本文从船舶振动危害、现象与振源、阻尼技术及其在船舶上的应用、船舶振动隔离技 术、动力吸振器的研究以及整船振动控制技术的研究诸方面综述了船舶振动控制技术的进展 , 重点关注了近几年来主动控制技术在船舶振动控制中的应用研究 , 并对今后船舶振动控制研究的发展提出了建议。 文献 15本文对舰船蒸汽动力装置管系工作特点进行了较全面的分析、研究 , 揭示其管路振动严重的原因所在 , 最后提出了解决振动问题的基本途径。 文献 16介绍了一种智能材料 ER 流体 ( 电流变流体 ) 及其基本特性 , 并结合 ER 流体阻尼器的可控阻尼特点 ,阐述了其在船舶振动控制中的应用 ,
16、 证实了其广阔的应用前景。 文献 17本文介绍船舶尾板能改善舰部伴流 , 是提高船舶航速的有效措施之一。本文通过应用有限元法和流体边界元法对船舶尾板的振动性能作较全面的分析研究 , 从而了解尾板自身的振动特性以及尾板对船体结构振动响应的影响 , 为尾板的设计提供结构动力性能方面的依据。 文献 18本文根据建立的某舰上层建筑振动计算模型 , 探讨确定计算模型的几个关键性问题： 1.骨架的处理 2.计算模型边界条件的确定 3.荷重的处理。 文献 19本文介绍有限元法是复杂结构振动分析的常用计算方法 , 但对于大型船舶结构用有限元法进行较高频率振动分析时 , 要求结构被划分成非常多的单元数以便获得详
17、细的位移和应力特性 , 目前常用的计算机仍然无法对其进行计算。 针对这个问题 , 提出了一种适用于具有弹性联接部件的大型结构振动分析模态综合法 , 它能够在有限的计算机设备资源的基础上分析计算大型结构较高频率的振动特性。实例计算表明 ,此方法是分析大型复杂结构振动的有效方法 。 文献 20本文对小型船舶防振及减振问题进行探讨 , 提出应在船舶设计和建造时就要充分考虑防振与减振。 文献 2122讨论了角隅结构的应力集中、大开口船舶舱口角隅应力集中、以及为铺设纵骨而在舱壁板 上开孔的应力集中问题。 4.总结 随着航运事业和造船工业的迅速发展 , 人们对船舶质量、使用性能和人员生活环境提出了愈来愈高
18、的要求。而剧烈的船舶振动不仅降低人员的舒适性 , 且严重影响船舶的安全航行 , 故近年来船舶振动问题已越来越引起船舶设计、建造和航行部门的重视。 参考文献 1 张永根，船舶振动原因及其减振方法 M， JS 2005 - 3 - 06 第 22 卷 第 3 期 2 李品敏，船舶振动及减振技术的应用分析 M, 广州中船黄埔造船有限公司 , 2008 年9 月 15 日 3 刘耀顺 , 船舶振动测试 M，武汉造船 ,1994 年第三期 4 赵耕贤，船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一 船舶振动 D，船舶， 2001 年10 月第 5 期 5 任永杰 , 杨学友 , 薛婷，船舶振动实时监测网络系统 R
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