赵宝建1 汤军威2
1.江南造船集团 上海 201913
2.招商局重工（江苏）有限公司 江苏 226100
摘要：船体是一个弹性体,在主机,螺旋桨等各种干扰力的作用下,船舶航行时,都存在着不同程度的振动.轻微的振动是正常的,也是允许的.但如果干扰频率与系统的固有频率相同,或因干扰幅值过大,就会引起共振或剧烈的振动,甚至影响到船舶的正常航行,这种振动视为有害振动，船舶为人们的出行以及大型物品的运输提供了巨大的方便.然而,可持续发展战略的提出更是使得人们对于船舶的振动产生的一系列问题的关注。
关键词：小型船舶；船体振动；原因；对策
引言
船体的振动能够对小型船舶造成非常大的伤害，不仅会影响到船员在航行过程中的舒适度，还会影响到船上设备的正常运行，从而导致船上设备的损坏，造成小型船舶无法正常航行的情况出现，如果不能及时解决，严重的甚至会对船员生命产生威胁。因此，对于小型船舶船体振动的研究，已经具备非常重要的意义。
一、振动的危害及其原因
严重振动对船舶的危害主要有以下几点。使船体结构或机械设备在应力过大时产生疲劳破坏，影响航行安全。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。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。船体作为自由漂浮在水上的空心弹性梁，在营运过程中必然会受到各种冲击的作用，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。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。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。营运管理问题，如船体的装（压）载不当，轴系变形，主机各缸燃烧不均，机件损坏、松动，螺旋桨受损等。
二、船舶振动特性及计算
2.1船舶的振动特性
近一、二十年来，船舶在我国得到了迅速的发展。目前国内营运中的各类船舶，在船体振动方面有两个共同的特点：一是由于自重控制严，故船体结构尺度小，船体刚度较常规船型要弱；二是采用高速机、高速桨，其激励幅值较常规船型大，激励频率又高。故船舶的振动较常规船更为突出，不仅影响旅客的舒适性和船员的工作效率，且较常规船更易在应力过大部位产生疲劳破坏。由于船舶的振动特点，常规船的振动研究成果较难直接用于船舶。船舶由于主机转速高，因而激励频率高，一般不会产生船体低阶总振动共振。如船长20～35m的单体钢质船舶，计算所得的2节点1阶和3节点2阶船体垂向弯曲振动固有频率一般均小于12Hz，而最低激励频率――轴频在额定转速时都常大于14Hz。因而即使在常用转速下，也不会发生1阶共振，故对船舶振动预报有意义的是2阶和3阶固有频率。而目前工程上常用的迁移矩阵法和一维有限元法，其计算所得的总振动垂向弯曲1阶固频精度较高，3阶计算误差就大。计及流固耦合的三维有限元法计算精度可大大提高，但由于计算准备工作量大，需计算机的容量高，耗机时多，计算费用高等特点，难以在一般工程设计中应用。
2.2船舶的振动计算
为了提高船体总振动高阶固有频率的计算精度，而又不致增加过多的计算工作量，二维总振动计算程序程序固体采用由平面梁元、平面杆元和二维等参元组成的二维有限元模型；流体采用自由表面速度势为零和考虑线性自由表面两种二维流体边界元，应用改进的行列式搜索法解流固耦合振动。经实船测试数据考核，高阶固有频率计算精度，较工程中常用的迁移矩阵法计算结果大为提高。该程序不仅适用于排水或半排水型单体钢质船舶，还可推广用于其它船型。针对船舶结构特点的板梁组合结构振动计算程序固体采用平面应力4节点等参元、空间梁单元和非协调板弯曲单元。附连水质量计算既可应用传统的图谱，也可采用三维流体边界元求解。可用于求各种边界条件下的船体板架以及加筋板的固有频率，还具有从板架振动中识别板模态的功能，避免了人为确定板的边界条件而带来的计算误差。
三、小型船舶船体振动的对策分析
3.1优化船体的设计
小型船舶产生振动的原因非常多，想要根治非常困难，因此如果能够通过优化船体设计的方式，结合小型船舶的特点，对小型船舶采取振动预防措施，将会起到非常良好的效果。而在小型船舶设计过程中，应注意以下几点问题：1）船体配套的选择。由于小型船舶主机动力需求并不像大型船舶那么多，而为了提高小型船舶的航行效率，在设计过程中，通常会采取降低转速加大螺旋桨叶片的方式，这无疑提高了低频共振的可能性。因此，在对螺旋桨、减速齿轮箱、主机等配套设施进行选择时，应结合船体材质的固有频率数据研究成果，通过改变频率等方式，来避免发生共振现象；2）尾部设计。在船体设计过程中，除了要考虑小型船舶速度以外，还要考虑船舶的振动，因此，在尾部设计过程中，应保证尾部线型能够与螺旋桨之间产生的水流流畅，要避免涡流的产生。如小型船舶的U型船尾产生的轴向伴流与V型船尾相比而言更为流畅，能够起到非常良好的作用。
3.2主机的减震措施
主机的减震措施可以通过以下几种方式进行：1）主机的布置。可以通过在小型船舶主机与船接合处布置减震器，通过减震器的减震功能，从而减少船体振动的传递。就目前而言，国内小型船舶使用的减震器主要包括橡胶减震器以及弹簧减震器两种，其中橡胶减震器具有结构简单，能够起到很好的减震、降噪、易于加工及成本低等优点，但是橡胶减震器容易受到主机温度、柴油侵蚀的影响，从而产生结构性质的变化，因而具有寿命短、需要及时更换的缺点；而金属减震器使用寿命较长，但是在减震、降噪方面的效果不如橡胶减震器；2）船体的布置。当小型船舶主机振动过大时，可以通过对船体进行全方面敷设减震涂层的形式，从而达到船体减震的目的。能够使用于船体的减震涂料主要包括沥青、水泥、橡胶、塑料、泡沫以及各种高聚物合成涂料，此外，一些容易产生噪音的设备如主机管路、主机外表层也可以通过覆盖涂层的方式进行减震降噪。
3.3螺旋桨减震措施
螺旋桨在小型船舶正常运行过程中，如果产生的伴流并不均匀，会产生涡流，并且能够引发船体振动。减少螺旋桨的振动措施主要包括以下几种：1）改善伴流。除了文中提到的優化尾型设计外，还可以通过加装尾鳍的方式改善伴流。安装导流尾鳍，能够有效减少水下产生的斜流影响，同时又能够将斜流进行有效引导，从而产生均匀的伴流。此外，在舵上加设水滴形的导流帽，也能够有效改善螺旋桨去流不稳定的情况；2）螺旋桨的改进。螺旋桨叶数的提升会降低诱导脉动压力，为了避免引起空炮，应设定相应的叶数；螺旋桨斜角的提升能够减少螺旋桨的轴承应力；串列螺旋桨能够解决产生激励过高的问题。除此之外，还有一些能够对小型船舶产生振动的原因，如辅机、轴转动、海浪击打等，对于这些振动，采取的措施存在一定区别，但是与文中描述几种方式原理相同。其一，通过改变结构从而避免共振出现；其二，通过减小振动传递以及振源的生产；其三，增加船体的抗振、降振能力，从而预防振动的发生。
四、结束语
综上所述，小型船舶船体振动对其正常航行影响非常大，因而在进行防振处理过程中，应通过预防、针对性阻止等方式进行。由于船体在布置完成后，产生振动的振源较多，如果能够在设计过程中，便提前考虑到振源产生的可能性，并采取相应的设计方案，防振效果会更好一些。
参考文献：
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