基于數(shù)值試驗(yàn)的波浪載荷激勵船舶振動響應(yīng)研究

唐宇航， 陳志堅(jiān)， 張佳棟

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

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基于數(shù)值試驗(yàn)的波浪載荷激勵船舶振動響應(yīng)研究

唐宇航， 陳志堅(jiān)， 張佳棟

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

即使未發(fā)生砰擊振動和顯著非線性波激振動，船體由較低頻波浪誘導(dǎo)產(chǎn)生的振動響應(yīng)中依然存在高頻振動分量且高頻振動衰減緩慢。從單自由度系統(tǒng)簡諧激勵振動理論入手，指出響應(yīng)解析解中常被忽略的伴隨自由振動項(xiàng)是導(dǎo)致高頻振動的一個因素，在系統(tǒng)阻尼較小、自振頻率較低時瞬態(tài)響應(yīng)成分短時間內(nèi)難以衰減，推導(dǎo)了位移、速度、加速度和內(nèi)力響應(yīng)中高頻成分的占比規(guī)律。分析了波浪載荷作用于船體時 “時變、場變” 的性質(zhì)，及船舶小阻尼系統(tǒng)的特點(diǎn)，認(rèn)為伴隨自由振動在波浪載荷激勵振動響應(yīng)預(yù)報領(lǐng)域中有重要地位，對比時域法和頻域法在理論基礎(chǔ)上的差異，發(fā)現(xiàn)了時域法在處理該問題時的優(yōu)越性。通過對雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)合海浪資料對該船16個航行工況的振動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報，結(jié)果表明各振動響應(yīng)中均存在穩(wěn)態(tài)高頻分量且占比較高，得出了高頻分量與頻率比關(guān)系的規(guī)律性結(jié)論，為時域中波激振動的進(jìn)一步研究提供了思路。

伴隨自由振動；動力響應(yīng)；高頻振動；時域法；非線性；波激振動

如今，關(guān)于船舶在波浪載荷作用下的振動描述主要包括砰擊振動和波激振動。砰擊振動是船舶在瞬時波浪沖擊載荷下引起的顫振，是以船舶固有頻率衰減的自由振動現(xiàn)象，持續(xù)時間不長；波激振動則是波浪激勵下引起的船體諧和振動現(xiàn)象，持續(xù)時間較長。根據(jù)北大西洋和西北太平洋的海浪統(tǒng)計資料，常見波浪周期一般不低于3.5 s，即使再考慮船-波的相對運(yùn)動，那么波浪載荷所對應(yīng)的遭遇頻率一般也不會高于船體一階總振動頻率。波激振動有線性(船體梁一階總振動頻率等于或接近遭遇頻率)和非線性(船體梁一階總振動頻率等于遭遇頻率的整數(shù)倍n)之分[1]。因此，由低頻波浪載荷所激起的船體高頻振動(以遭遇頻率為基準(zhǔn))，往往僅認(rèn)為是由砰擊振動[2]或其與非線性波激振動的組合導(dǎo)致的。

用于評價船體振動響應(yīng)水平的振動衡準(zhǔn)特征參數(shù)一般是位移、速度、加速度和應(yīng)力[3]。有資料表明，在實(shí)船測試、波浪載荷作用下的模型試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)，在各種不同波浪載荷條件下，均存在船體高頻振動響應(yīng)比較劇烈的現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞問題[4]。結(jié)合波浪載荷工況，對這類響應(yīng)參數(shù)的時域信號進(jìn)行幅頻響應(yīng)分析時發(fā)現(xiàn)一種情況，即使船舶首階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波浪遭遇頻率，往往在近十倍以上，仍然存在比較顯著的高頻振動分量(以加速度響應(yīng)最為明顯)，幅頻曲線中的響應(yīng)峰值位置對應(yīng)船體一階、甚至多階固有頻率，然而在該工況下的實(shí)船測試和模型試驗(yàn)中卻均未發(fā)現(xiàn)船體砰擊現(xiàn)象。直覺上可以認(rèn)為產(chǎn)生了非線性波激振動，但這種認(rèn)識與非線性波激振動的當(dāng)前定義不一致，即n為整數(shù)倍且該整數(shù)較小時非線性波浪荷載中某階倍頻成分才容易激起船體共振[5]，此外，非線性波激振動往往只是指船體的一階共振?？梢?，船體在波浪載荷作用下高頻振動響應(yīng)問題需要進(jìn)一步研究。

為解釋低頻波浪荷載作用時船體存在高頻振動響應(yīng)成分的原因，探究不同振動衡準(zhǔn)特征參數(shù)響應(yīng)對波浪載荷相對頻率(相對于船體固有頻率)的敏感程度，分析不同波浪遭遇頻率下，船體高頻振動響應(yīng)在總振動響應(yīng)中的占比規(guī)律。本文從結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本理論入手，發(fā)現(xiàn)伴隨自由振動是引起高頻振動的一個重要因素，人們一般認(rèn)為該振動會隨時間延長而衰減，常常很少關(guān)心它，但對于“既時變又場變”的波浪載荷，這種瞬態(tài)響應(yīng)在理論預(yù)報和工程實(shí)踐中的作用卻有重要地位，從而為低頻波浪下船體存在穩(wěn)態(tài)高頻振動找到了理論依據(jù)。同時結(jié)合目前該領(lǐng)域的研究方法，即頻域法和時域法，分析出時域法在處理非線性問題中的優(yōu)勢，文中以雙體船為背景進(jìn)行仿真計算并結(jié)合其航行、振動特點(diǎn)，將時域法應(yīng)用在數(shù)值試驗(yàn)中，對所得響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到了一些有意義的結(jié)論。

1 單自由度系統(tǒng)簡諧激勵振動理論

1.1 運(yùn)動微分方程

波浪載荷對船體的激勵在一個較短的時間內(nèi)，可認(rèn)為是簡諧變化的，船體產(chǎn)生特定的振動(兩節(jié)點(diǎn)總振動)可認(rèn)為是單自由度的，因此使用簡諧激勵作用下單自由度系統(tǒng)響應(yīng)理論進(jìn)行研究是合適的。

單自由度系統(tǒng)在簡諧激勵下的振動方程[6]：

(1)

式中，M為體系的質(zhì)量；K為體系的剛度；C為體系的阻尼系數(shù)；P(t)為簡諧干擾力；P0為激勵力幅值；ω為激勵力頻率；β為激勵力的相位角。

對于黏性小阻尼系統(tǒng)，上述方程的通解形式為:

(A1cos(ωt+β)+A2sin(ωt+β))

(2)

1.2 伴隨自由振動項(xiàng)與強(qiáng)迫振動項(xiàng)的幅值對比

伴隨自由振動響應(yīng)的衰減項(xiàng)決定衰減速率，非衰減項(xiàng)決定初始振幅的大小。RX、RV、RA和RF分別表示位移、速度、加速度和內(nèi)力的伴隨自由振動振幅與強(qiáng)迫振動振幅之比[7]，ηX、ηV、ηA和ηF分別表示位移、速度、加速度和內(nèi)力的伴隨自由振動振幅與總振幅之比。由于船舶是小阻尼系統(tǒng)，模態(tài)阻尼一般不超過5%，所以在推導(dǎo)中會用到ζ?1且ζ2≈0的條件，RX、RV、RA和RF的簡要推導(dǎo)如下：

(3)

(4)

則：

(5)

(6)

則：

(7)

[mω2A1cos(ωt+β)+(P0-mω2A2)sin(ωt+β)]-

(8)

則：

(9)

1.3 伴隨自由振動占比的討論

結(jié)合已有研究并考慮避免砰擊，重點(diǎn)對5、6級海況中特定波浪所誘導(dǎo)的波浪激勵進(jìn)行計算，依據(jù)GWS的北大西洋 8、9、15及16四海區(qū)的海浪長期統(tǒng)計資料NA-1C，查表估算得到最大概率波浪周期[8]，從而決定波浪的基頻范圍，同時考慮船-波相對運(yùn)動的多普勒效應(yīng)，并以船舶模態(tài)阻尼系數(shù)中低阻尼曲線為參考，相關(guān)參數(shù)范圍選取見表1。

表1 波浪參數(shù)及相關(guān)參數(shù)可行范圍Tab.1 Wave parameters and practicable scope of relevant parameters

表2 計算公式匯總Tab.2 Summary of formulas

圖和隨γ(γ<1)的變化規(guī)律Fig.

圖和隨γ(γ<1)的變化規(guī)律Fig.

γ<1時，加速度響應(yīng)中伴隨自由振動成分在短時間內(nèi)一直較大，選擇對加速度響應(yīng)衰減進(jìn)行時間歷程分析。依據(jù)表1參數(shù)，相同荷載頻率、不同阻尼比、不同自振頻率下的ηA隨時間(覆蓋多個波浪周期，取40 s)的變化歷程在圖3中給出?？梢钥闯?，阻尼越大衰減速度越快；在頻率比γ<1范圍內(nèi)，即使存在阻尼的作用，伴隨自由振動成分也沒有衰減到可以忽略的地步，甚至可以認(rèn)為伴隨自由振動在一定時間范圍內(nèi)起主導(dǎo)作用。

以上的討論是基于單自由度體系下的理論推導(dǎo)，不能完全一致地適用于多自由度體系的響應(yīng)預(yù)報，但是其規(guī)律性方面值得參考，可以推廣至多自由度體系的研究中。

圖3 伴隨自由振動在加速度總響應(yīng)中占比ηA隨時間的衰減曲線 (每個圖中4條曲線從上到下分別對應(yīng)于ζ=0.01、0.02、0.03、0.04)Fig.3 Attenuation curve of acceleration response in the proportion of the total response (ηA) with time

2 理論預(yù)報研究方法

目前關(guān)于波浪激勵下船體振動響應(yīng)研究，主要采用三維水彈性理論進(jìn)行預(yù)報，但大多數(shù)是在頻域上進(jìn)行[9]，該方法常在線性理論極值和非線性特性不顯著的疲勞損傷預(yù)報時采用，計算相對簡單快捷；而時域法可考慮波浪載荷及系統(tǒng)幾何非線性，更適合處理瞬態(tài)問題、時歷響應(yīng)及船體大幅運(yùn)動的非線性問題，分析精度高[10]，但其在波浪載荷預(yù)報領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用還不夠成熟[11]。以下對頻域法和時域法的差異進(jìn)行理論分析。

對多自由度體系進(jìn)行動力反應(yīng)分析時常使用模態(tài)疊加法，以實(shí)現(xiàn)向單自由度體系運(yùn)算的轉(zhuǎn)化，該方法既可以在時域上進(jìn)行，也可以在頻域上進(jìn)行，但是各自的理論基礎(chǔ)和適用范圍均有差異。以位移疊加法為例，振型疊加法(模態(tài)疊加法)將各階振型位移的貢獻(xiàn)疊加起來，即：

x(t)=φ1Y1(t)+φ2Y2(t)+…+φNYN(t)

(10)

式中,Yn(t)為每一階振型的總反應(yīng)。

(1)在時域中，每一階振型總反應(yīng)可由Duhamel積分表示，即：

(11)

其中，

(0<ζn<1)

(12)

hn(t-τ)可以由單自由度體系下的阻尼單位脈沖反應(yīng)函數(shù)類比獲得。對于低臨界阻尼體系，除了由微分沖量所引起的自由振動反應(yīng)按指數(shù)衰減外，黏滯阻尼體系在一般動力荷載下反應(yīng)推導(dǎo)與無阻尼情況完全相同。無阻尼體系中，對于任意一般荷載p(t)，在t=τ時作用的載荷強(qiáng)度為p(τ)，短時間dτ內(nèi)載荷在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的沖量為p(τ)dτ，該沖擊荷載造成的反應(yīng)近似分析如下。

短時沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)在很短時間內(nèi)達(dá)到最大反應(yīng)，此期間阻尼力來不及從結(jié)構(gòu)中吸收太多能量，因此只需討論沖擊載荷下體系的無阻尼反應(yīng)。對于質(zhì)量m的沖量-動量關(guān)系可以寫成：

(13)

(14)

加載結(jié)束后反應(yīng)為自由振動：

(15)

(16)

從時域法的推導(dǎo)過程中可以發(fā)現(xiàn)，該方法是對短時間沖量p(τ)dτ進(jìn)行反應(yīng)計算，反應(yīng)是以瞬態(tài)自由振動為解，在時域上進(jìn)行積分，充分考慮了dτ時間內(nèi)系統(tǒng)的自由振動效應(yīng)。Msc.nastran中瞬態(tài)響應(yīng)計算正是對應(yīng)于時域法，通過數(shù)值計算將連續(xù)積分離散化，計算多個時間步長下的累積響應(yīng)，可以將伴隨自由振動考慮在內(nèi)。

(2)在頻域中，每一階振型總反應(yīng):

(17)

式中，Pn(iω)為復(fù)荷載函數(shù)，是Pn(t)的Fourier變換。復(fù)荷載函數(shù)Pn(iω)和復(fù)頻反應(yīng)函數(shù)Hn(iω)如下表達(dá)：

(18)

(ζn>0)

(19)

疊加法中多自由度系統(tǒng)的復(fù)頻反應(yīng)函數(shù)與單自由度類似，由以下推導(dǎo)求出。

使用指數(shù)形式對穩(wěn)態(tài)諧振反應(yīng)求解，描述諧振荷載一般情況為:

(20)

本研究取相位角β=0，方程的特解為：

x(t)=Geiωt

(21)

解出常復(fù)數(shù)G為：

(22)

復(fù)頻反應(yīng)函數(shù)H(iω)就是由G除以載荷幅值以后給出。

分析中發(fā)現(xiàn)，頻域法在求解運(yùn)動微分方程時，忽略了簡諧荷載作用下式(20)的通解，即伴隨自由振動項(xiàng)，它僅考慮了特解，即強(qiáng)迫振動項(xiàng)。頻域法是一種針對固定幅值、固定位置的諧振響應(yīng)計算方法，頻率響應(yīng)分析用于計算結(jié)構(gòu)在簡諧載荷作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng)；而時域法則將有初始條件的自由振動和伴隨自由振動考慮在內(nèi)，瞬態(tài)響應(yīng)分析可以用于計算時變、場變激勵載荷作用下結(jié)構(gòu)的動力行為，方便地處理非線性運(yùn)動問題。

一般情況下，認(rèn)為自由振動部分會隨時間的延長而趨于衰減，常常很少關(guān)心它，但這一般是針對系統(tǒng)阻尼和自振頻率較高、初始條件恒定的問題而言[12]。但對受波浪作用的船體，在載荷作用的每個變化周期內(nèi)，波浪在船體水線附近的作用位置(濕表面)是變化的，即力的作用點(diǎn)是“場變的”，此外，這部分船體濕表面所受的波浪力是隨時間變化的、是非連續(xù)的，即力的大小和方向是“時變的”。因此，對于波浪中航行的船舶而言，波浪激勵力既是“時變的”、同時亦是“場變的”，每一時刻都存在一個新的初始條件，對應(yīng)每一時刻的初始條件，將產(chǎn)生一個新的伴隨自由振動，由于船舶是一個小阻尼系統(tǒng)，瞬態(tài)反應(yīng)不易于衰減，是多個伴隨自由振動相疊加。那么在相當(dāng)長一段時間中，伴隨自由振動項(xiàng)大小起主要作用，所以在有必要通過時域法探究伴隨自由振動對總振動的影響，以及低頻波浪載荷與船舶高頻振動響應(yīng)的關(guān)系，從而進(jìn)一步認(rèn)識高頻振動響應(yīng)的重要性。

3 數(shù)值仿真試驗(yàn)

3.1 有限元計算模型

雙體船具有與常規(guī)單體船不同的結(jié)構(gòu)形式，振型多樣也更為復(fù)雜[13]，總振動頻率較為密集，因此研究波浪載荷引起的高頻振動對雙體船而言意義更為重要。雙體船模型相關(guān)尺度見表3，依據(jù)模型資料按照《小水線面雙體船指南》要求構(gòu)造全船有限元模型，各層甲板、艙壁板和舷側(cè)板等都采用板單元來模擬，橫梁、縱桁和肋骨等采用梁單元模擬，有限元模型的網(wǎng)格尺度按一個縱骨或一個肋位間距的小者劃分[14]。為確保準(zhǔn)確地模擬船體結(jié)構(gòu)，精確地計算船體整體和局部瞬態(tài)響應(yīng)，所有對船體強(qiáng)度及振動有影響的因素都加以考慮。全船有限元模型如圖3所示，共有95 760個節(jié)點(diǎn)，212 518個單元。

表3 計算模型的參數(shù)Tab.3 Parameters of calculate model

圖4 有限元整船模型Fig.4 Whole ship finite element model

3.2 計算波浪載荷和試驗(yàn)工況設(shè)計

波動壓力以面壓力的方式直接作用在整船有限元模型的濕表面上，將波浪載荷函數(shù)轉(zhuǎn)換成Nastran中用PCL語言描述的Field場函數(shù)進(jìn)行加載，同時采用虛質(zhì)量法考慮流固耦合效應(yīng)，即實(shí)現(xiàn)了整船有限元模型計算的工況構(gòu)建[15]。僅考慮單項(xiàng)或線性波浪激勵，船舶的高頻響應(yīng)可能會被嚴(yán)重低估[16-17]，因此本文采用基于有限幅波理論的波面函數(shù)的3階顯式表達(dá)式[18]：

(23)

設(shè)雙體船表面在有限幅波中航行時所受到的脈動壓力為p(x,y,t)，根據(jù)伯努利方程得：

pS(x,y,z,t)+pR(x,y,z,t)+pW(x,y,z,t)+

pD(x,y,z,t)

(24)

式中，a為波幅；k為波數(shù)；ΦW為入射波勢；ΦR為輻射波勢；ΦD為繞射波勢；ps(x,y,z,t)為船體運(yùn)動而引起的流體靜水壓力的變化，pR(x,y,z,t)為船體運(yùn)動而引起的輻射壓力；pW(x,y,z,t)為入射波引起的波浪壓力，即波浪主干擾力；pD(x,y,z,t)為因船體對入射波的限制而引起的繞射壓力。

在1.3節(jié)中提到，本文按實(shí)際海浪觀測資料決定波浪激勵力的基頻和波高參數(shù)，重點(diǎn)對5級、6級海況進(jìn)行分析，波高由各級海況波高的上下限均值來決定，分別為3.25 m和5m。NA-1C海浪長期統(tǒng)計資料的有義波高為三參數(shù)的Weibull分布、跨零波浪周期為log-normal分布。其有義波高的Weibull分布為：

(25)

式中，H1=3.041，j=1.484，H0=0.66?？缌悴ɡ酥芷诘膌og-normal分布為：

(26)

計算波浪取最大概率波浪，即在本級海況有義波高條件下，波浪周期有最大發(fā)生概率p(tz/hs)的規(guī)則波，p(tz/hs)按式(26)進(jìn)行計算，這是在平穩(wěn)海況中最易遭到的波浪，表4中列出了5級、6級海情下波浪參數(shù)和概率。表5中給出了16個計算工況，其中包括5級海情下0 kN、6 kN和12 kN航速，180° 、135°、90°和0°浪向角的12個組合工況，6級海情下12 kN航速，180° 、135°、90°和0°浪向角的4個組合工況。

表4 波浪參數(shù)及發(fā)生概率計算表Tab.4 Wave parameters and occurrence probability calculation table

表5 數(shù)值仿真試驗(yàn)計算工況Tab.5 Calculation conditions of numerical simulation experiment

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用Msc.Nastran對整船有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出干模態(tài)固有頻域和濕模態(tài)固有頻率，其中計算濕模態(tài)時通過虛擬質(zhì)量法考慮船體濕表面與靜水的耦合作用，計算結(jié)果見表6。采用瞬態(tài)響應(yīng)分析對船體動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報，參考《水面艦艇振動評價基準(zhǔn)》中關(guān)于評價區(qū)域的要求，選取1甲板艉端左舷邊位置(node 32 346)分析，計算總時長42 s。

圖5為D-03工況下1甲板艉端左舷邊(node 32 346)位移響應(yīng)合成、高頻和低頻時間歷程曲線，其中存在重要的高頻分量。黑色為合成成分，藍(lán)色為高階成分，紅色為波頻成分。D-03工況下1～3倍遭遇波頻分別為0.105 8 Hz(即0.664 55 rad/s)、0.211 6 Hz和0.317 5 Hz，對node 32 346的位移響應(yīng)時域信號進(jìn)行低通濾波，得到0.4 Hz以下的波頻信號成分，為穩(wěn)定的有限幅波3階波頻合成成分。該船總振動首階頻率為2.576 3 Hz，再對node 32 346的位移響應(yīng)時域信號進(jìn)行高通濾波，得到2 Hz以上的高頻信號成分，包含了該船總振動頻率下高階成分。圖6為D-03工況下node 32 346的位移響應(yīng)頻譜分析圖，圖中低頻波浪荷載導(dǎo)致的0.4 Hz以下的低頻分量，同伴隨自由振動導(dǎo)致的按固有頻率振動的高頻分量在量值上相當(dāng)。從圖5中可以看出在計算的40 s內(nèi)高頻分量沒有顯著的衰減，而此時的1～3倍波浪遭遇頻率和該船首階總振動頻率之比分別為γ=0.041、0.082和0.123，說明在船舶首階固有頻率遠(yuǎn)大于波浪遭遇頻率(近十倍以上時)、不會發(fā)生非線性波激振動的情況下，仍存在高頻振動響應(yīng)比較顯著的現(xiàn)象，換句話說即使有阻尼的存在，其伴隨自由振動響應(yīng)導(dǎo)致的高階振動也難以在短時間衰減，從而不能被測試和分析所忽略。

圖5 D-03工況1甲板艉端左舷邊位移響應(yīng)合成、 高頻和低頻時間歷程曲線(15～40 s)Fig.5 Tine series of total, high and low frequency displacement on the port side of the 1st deck trailing edge for case D-03 (15～40 s)

圖6 D-03工況1甲板艉端左舷邊位移響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.6 Spectrum of time-displacement waveform on the port side of the 1st deck trailing edge for case D-03

圖7～圖10 為C-02工況node 32 346位置處位移、速度、加速度和應(yīng)力響應(yīng)的頻譜分析圖。C-02工況中波浪遭遇頻率為0.152 9 Hz，頻率比γ=0.059，即使是3倍波浪遭遇頻率，該船首階自振頻率也是其五倍以上。圖7～圖9給出了位移、速度和加速度響應(yīng)頻譜圖，波頻(低頻)成分響應(yīng)分量占比依次減小，反之，伴隨自由振動(高頻)成分響應(yīng)分量占比依次增大，圖8中可見低頻分量幾乎為零，說明在頻率比比較小(γ<1)時，高頻成分在加速度總響應(yīng)中占比最大，其次是速度響應(yīng)，再次是位移響應(yīng)。由于在施加波浪壓力時存在常數(shù)項(xiàng)，因此圖10中在0 Hz處存在一個非零初始值，若僅考慮波動部分，可得應(yīng)力低頻響應(yīng)與高頻響應(yīng)的占比規(guī)律與位移響應(yīng)規(guī)律一致。對C-02工況下node 32 346處各響應(yīng)衡準(zhǔn)參數(shù)的時域信號進(jìn)行濾波，可得到低頻波浪誘導(dǎo)的低頻振動分量(0.5 Hz以下)和伴隨自由振動誘導(dǎo)的高頻振動分量(0.5 Hz以上)，表7給出了各響應(yīng)參數(shù)的低、高頻成分占比結(jié)果，可見伴隨自由振動誘導(dǎo)的高頻振動成分占比很大，尤其是加速度響應(yīng)。結(jié)合1.3節(jié)對單自由度系統(tǒng)中伴隨自由振動占比的討論，結(jié)果表明與多自由度的船舶系統(tǒng)相比，各自的伴隨自由振動分量占比在量值上存在差異，但總體規(guī)律一致。此外，在該船舶系統(tǒng)中，伴隨自由振動分量在總響應(yīng)中占比整體較大，存在“放大”效應(yīng)。

表6 仿真試驗(yàn)計算的雙體船整船總振動頻率和振型結(jié)果Tab.6 Simulation calculation results of catamaran total vibration frequencies and mode shapes

圖7 C-02工況node 32 346位置處位移響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.7 Spectrum of time-displacement waveform of node 32 346 for case C-02

圖9 C-02工況node 32 346位置處加速度響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.9 Spectrum of time-acceleration waveform of node 32 346 for case C-02

圖8 C-02工況node 32 346位置處速度響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.8 Spectrum of time-velocity waveform of node 32 346 for case C-02

圖10 C-02工況node 32 346位置處應(yīng)力響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.10 Spectrum of time-stress waveform of node 32 346 for case C-02表7 C-02工況各振動衡準(zhǔn)參數(shù)中低頻、高頻成分占比分析(node 32 346)Tab.7 Analysis of the proportion of low and high frequency in each vibration criteria parameters for case C-02(node 32 346)

響應(yīng)時域最大值0～0.5Hz內(nèi)的低頻成分低頻成分占比/%0.5Hz以上的高頻成分高頻成分占比/%高頻成分低頻成分位移響應(yīng)/mm27.499.3934.1618.1065.841.93速度響應(yīng)/(mm·s-1)325.2917.485.37307.8194.6317.61加速度響應(yīng)/(mm·s-2)965318.260.199634.7499.81527.64應(yīng)力響應(yīng)/kPa2466.61764.2330.981702.3869.022.23

注：分析應(yīng)力響應(yīng)低、高頻成分占比時僅考慮波動部分。

圖11～圖13給出了相同波浪參數(shù)、不同航速下node 32 346處位移響應(yīng)，計算工況為A-01、B-01和C-01，遭遇頻率分別為0.726 rad/s、0.891 8 rad/s和1.057 7 rad/s，該船頂浪航行的01工況易于激起“兩潛體垂向彎曲”模態(tài)(模態(tài)頻率為4.72 Hz)，則頻率比依次為γA-01=0.024、γB-01=0.03和γC-01=0.071，從圖中可以看出，隨著頻率比γ的增大高頻振動響應(yīng)所占比重也增大。對時域計算結(jié)果進(jìn)行濾波處理后計算數(shù)據(jù)見表8。應(yīng)力響應(yīng)與位移響應(yīng)有同樣的規(guī)律。

表8 A-01、B-01和C-01工況位移響應(yīng)中低頻、高頻成分占比分析(node 32 346)Tab.8 Analysis of the proportion of low and high frequency in displacement response for case A-01,B-01 and C-01(node 32 346)

圖11 A-01工況node 32 346位置處位移響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.11 Spectrum of time-displacement waveform of node 32 346 for case A-01

圖12 B-01工況node 32 346 位置處位移響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.12 Spectrum of time-displacement waveform of node 32 346 for case B-01

圖13 C-01工況node 32 346 位置處位移響應(yīng)的頻譜分析圖Fig.13 Spectrum of time-displacement waveform of node 32 346 for case C-01

4 結(jié) 論

目前關(guān)于波浪激勵下的船舶動響應(yīng)研究主要集中在砰擊振動和波激振動上，然而由低頻波浪誘導(dǎo)產(chǎn)生的船體穩(wěn)態(tài)高頻振動問題卻難以解釋。本文從單自由度理論體系出發(fā)，對上述高頻振動的形成機(jī)理進(jìn)行研究，明確了伴隨自由振動在小阻尼體系中短時間內(nèi)難以衰減的事實(shí)。另外，考慮波浪載荷作用于船體時“時變、場變”的特殊性，采用可以將伴隨自由振動考慮在內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)分析方法，結(jié)合NA-1C海浪長期統(tǒng)計資料，對該船在5、6級海況下16個航行工況的振動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報，分析各振動衡準(zhǔn)參數(shù)中高頻成分占比的相關(guān)規(guī)律。得到如下結(jié)論：

(1)低頻波浪所誘導(dǎo)的船體高頻振動不易于衰減，是因波浪荷載作用時“時變、場變”的性質(zhì)所致，加之以船舶是個小阻尼系統(tǒng)，簡諧載荷激勵所產(chǎn)生的伴隨自由振動難以在短時間內(nèi)衰減，形成相對穩(wěn)態(tài)的高頻振動。

(2)在頻率比比較低(γ<1)時，由低頻波浪載荷激勵產(chǎn)生的船體振動響應(yīng)中，位移、速度、加速度和應(yīng)力響應(yīng)均存在顯著的高頻成分，該成分在各響應(yīng)中的占比不同，占比最大的是加速度響應(yīng)的高頻成分，其次是速度響應(yīng)，再次是位移和應(yīng)力響應(yīng)。但是，雖然不同振動衡準(zhǔn)特征參數(shù)響應(yīng)中的高頻成分在比例上有所差別，其量值均沒有小到可以忽略的程度。

(3)在相同海況下，波浪遭遇頻率的大小線性決定頻率比γ的大小，從位移響應(yīng)計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，其振動總響應(yīng)中的高頻成分占比隨γ的增大而增大，愈加成為振動的主要成分。進(jìn)一步分析，隨頻率比增加，當(dāng)遭遇頻率(或者其較低幾階的倍頻)接近船舶自振頻率時，船舶可能發(fā)生一般意義的非線性波激振動，同時考慮到伴隨自由振動不可忽略，那么此時由波浪誘導(dǎo)的高頻振動分量則應(yīng)該認(rèn)為是伴隨自由振動與非線性波激振動的疊加，該結(jié)論在理論預(yù)報中值得考慮。

因此，這種從伴隨自由振動的角度考慮高頻振動的方法，為低頻波浪激勵下的高頻波激振動響應(yīng)研究開發(fā)了新思路。

[1] 汪雪良,顧學(xué)康,胡嘉駿.船舶波激振動研究進(jìn)展[J].船舶力學(xué),2013,17(7):830-844. WANG Xueliang, GU Xuekang, HU Jiajun. A state-of-the-art review on ship’s springing investigation [J]. Journal of Ship Mechanics, 2013,17(7):830-844.

[2] 夏齊強(qiáng)，陳志堅(jiān)，李科技. SWATH船在砰擊載荷作用下動態(tài)響應(yīng)研究[J].振動與沖擊，2011，30(6)：208-212. XIA Qiqiang, CHEN Zhijian, LI Keji. Dynamic response of SWATH under slamming loads [J].Journal of Vibration and Shock, 2011，30(6)：208-212.

[3] 陳志堅(jiān).艦艇振動學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010,4: 229-230.

[4] GU X K, SHEN J W, MOAN T. Experimental and theoretical investigation of higher order harmonical components of nonlinear bending moments of ships[J].Journal of Ship Technology Research, Schiffstechnik, 2000, (4): 143-154.

[5] 顧雪康,胡嘉駿.超大型油船模型波浪載荷試驗(yàn)報告[R].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心科技報告,2004.

[6] 克拉夫 R, 彭津 J. 結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2006,11:27-34.

[7] 祁皚，范宏偉，陳永祥. 簡諧荷載作用下伴生自由振動的研究[J].地震工程與工程振動, 2002,22(6):156-161. QI Ai, FAN Hongwei, CHEN Yongxiang. Research on transient vibration under input of harmonic loading [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2002, 22(6):156-161.

[8] 戴仰山,沈進(jìn)威,宋競正. 船舶波浪載荷[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2007,1:11-21.

[9] JENSEN J J. Stochastic procedures for extreme wave load predictions-wave bending moment in ships[J]. Marine Structures, 2009, 22: 194-208.

[10] 劉秀全,陳國明,暢元江,等. 基于頻域法的深水鉆井隔水管波激疲勞分析[J].振動與沖擊,2013,32(11):7-11. LIU Xiuquan, CHEN Guoming, CHANG Yuanjiang, et al. Wave-loading fatigue analysis for deep water drilling risers in frequency domain [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(11):7-11.

[11] 葛菲. 非線性波浪載荷作用下多種應(yīng)力成份組合的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2004.

[12] 繆紅燕,高金吉,徐鴻. 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)不平衡的有限元分析[J].振動與沖擊,2004,23(3):1-4. MIAO Hongyan, GAO Jinji, XU Hong. Transient response of unbalanced rotor system through its critical speed [J]. Journal of Vibration and Shock,2004,23(3):1-4.

[13] 葉永林,席亦農(nóng),尤國紅,等. 小水線面雙體船總振動計算與試驗(yàn)研究[J].中國造船,2011,52(4):56-65. YE Yonglin, XI Yinong, YOU Guohong, et al. Overall vibration calculation and test for swath ship [J]. Shipbuilding of China, 2011,52(4):56-65.

[14] 中國船級社. 小水線面雙體船指南(2005)[M].北京：人民交通出版社，2007,2:40-41.

[15] 夏齊強(qiáng),陳志堅(jiān),孫春生. 鋁合金穿浪雙體船波激振動響應(yīng)計算研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,32(2):11-16. XIA Qiqiang, CHEN Zhijian, SUN Chunsheng. A study on wave-induced vibration for aluminum alloy wave piercing catamarans [J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(2):11-16.

[16] VIDIC-PERUNOVIC J, JENSEN J J. Non-linear springing excitation due to a bidirectional wave field [J]. Marine Structures,2005, 18: 332-358.

[17] VIDIC-PERUNOVIC J. Springing response due to bidirectional wave excitation[D]. Technical University of Denmark, 2005.

[18] 文圣常,于宙文. 海浪理論與計算原理[M].北京:科學(xué)出版社,1985,11:96-101.

Vibration response analysis of ships under wave load based on numerical experiment

TANG Yuhang, CHEN Zhijian, ZHANG Jiadong

(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Even if the slamming vibration and significantly nonlinear wave-induced vibration do not occur, in the vibration response of the hull induced by low-frequency wave load, there still exist high-frequency vibration components, which decay slowly. Based on the harmonic vibration analysis of single-degree of freedom system, it is indicated that the associated free vibration which is often overlooked in the analytical response solution is one of the high-frequency vibration factors. The transient response component is difficult to decay when the system damping is small and natural frequency is low. The occupied proportions of high-frequency components in the responses of displacement, velocity, acceleration and internal force were derived. The “time-changing and field-changing” characteristics of wave loads acting on ships were revealed. It is also shown that the associated free vibration plays an important role in the prediction of vibration responses excited by wave loads. The differences between the results by time domain and frequency domain methods were discussed and the advantages of time-domain methods in dealing with this issue are more prominent. The vibration responses in 16 sailing conditions were forecasted by the numerical simulation of a catamaran, using the wave data. The results show the high-frequency components in the vibration responses are both of steady-state and high-proportion. The relationship between high-frequency components and frequency ratio was obtained, which provides a guideline for the further study on wave-induced vibration in time domain.

associated free vibration; dynamic response; high-frequency vibration;time domain method; nonlinear; wave-induced vibration

國家自然科學(xué)基金(51479205)

2015-12-14 修改稿收到日期：2016-03-16

唐宇航 男，博士，1991年生

陳志堅(jiān) 男，教授，博士生導(dǎo)師，1957年生

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.018