對(duì)雙體穿浪船船體振動(dòng)特性研究

張振 謝振

摘 要：雙體穿浪船作為船業(yè)制造的關(guān)鍵制造的船體，研究其船體的各種特性極為重要。本文主要針對(duì)某些非常規(guī)的雙體穿浪船的船型特點(diǎn)進(jìn)行分析，應(yīng)用整個(gè)船的有限元模型進(jìn)行了有關(guān)船體總振動(dòng)和船體的局部振動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，從而得到了區(qū)別于普通船型的復(fù)雜雙體船的振動(dòng)特點(diǎn)，由此，也提出了有關(guān)減少雙體船震動(dòng)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：船舶；雙體穿浪船；振動(dòng)；模型；有限元

引言：

本文主要介紹的雙體穿浪船為鋁質(zhì)的、輕型高速船，其主要靠噴水來(lái)推動(dòng)前進(jìn)。并主要由雙下片體、連接上下體的雙支柱和上船體組成。其中的雙下體片深至水面以下，而上船體則既寬敞又高于水面很多。就目前國(guó)內(nèi)外的形式來(lái)看，雙體穿浪船的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，對(duì)此方面的研究也不多，對(duì)其的振動(dòng)特性研究就更是少之又少，所以必須不斷開(kāi)發(fā)和研究相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)。

一、相關(guān)介紹

由于雙體穿浪船的船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以在重量和吃水比例方面要比一般的、與其相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)單體船要更大，極微小的載重量改變都會(huì)導(dǎo)致吃水量的明顯變化；雙體穿浪船的配套設(shè)備量極大，控制系統(tǒng)極其復(fù)雜和繁多；振動(dòng)特性與常規(guī)船體也不盡相同，具有極大差異。為了研究雙體穿浪船的具體振動(dòng)特性，可以通過(guò)大量的雙體穿浪船研究來(lái)進(jìn)行歸類分析，把數(shù)據(jù)庫(kù)中所有可以應(yīng)用的大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就可得到基本的特性。

基本操作大致為測(cè)試船體的長(zhǎng)寬和形深，再應(yīng)用限元計(jì)算程序來(lái)進(jìn)行有關(guān)的振動(dòng)計(jì)算。在不斷的精密計(jì)算時(shí)，工作人員可以采用三維立體的有限元模型，通過(guò)多種復(fù)雜計(jì)算可以得到船體垂向或者橫向的固定振動(dòng)頻率、各個(gè)甲板的局部 或整體的結(jié)構(gòu)固有頻率，以及此船體的相應(yīng)振動(dòng)模式和形態(tài)。

二、有限元模型

（一）船體模型

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)模型時(shí)為了能夠更好地反映出雙體穿浪船的船體振動(dòng)特性，及總振動(dòng)和局部振動(dòng)兩方面，所以在不斷的試驗(yàn)中建立了三維有限元模型的船體。在不斷的建立模型過(guò)程中，工作人員應(yīng)該對(duì)雙體穿浪船的船體具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面而詳細(xì)的有限元網(wǎng)格的劃分，也應(yīng)該詳細(xì)制作出三維有限元模型的離散圖等。雙體穿浪船的船體各層的甲板、內(nèi)壁板和外壁板等使用結(jié)實(shí)的板單元，在船體上的縱桁、橫梁和主要支柱等必須使用梁?jiǎn)卧?，某些船體上的小構(gòu)件，如橫骨、縱骨等細(xì)小精密的零件就要折算為板厚加入到板單元中。

（二）邊界條件

工作人員在計(jì)算船體的總振動(dòng)的過(guò)程中時(shí)，雙體穿浪船的船體可以視作是自由懸浮的狀態(tài)，相應(yīng)的具體約束情形與此相符，也就是模型中所有的節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的位移或轉(zhuǎn)角上呈現(xiàn)出自由的狀態(tài)。在不斷計(jì)算船體的板架局部振動(dòng)過(guò)程里，工作人員要盡量遠(yuǎn)離計(jì)算的板架船體的某些部位進(jìn)行剛性的固定，而其余的節(jié)點(diǎn)的自由度則應(yīng)該表現(xiàn)為自由的狀態(tài)。

（三）節(jié)點(diǎn)質(zhì)量

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)有限元的計(jì)算模型時(shí)，可以按照實(shí)際的真實(shí)質(zhì)量分布，把雙體穿浪船的船體各層甲板的真實(shí)質(zhì)量當(dāng)成質(zhì)量均勻分布在不同的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。其質(zhì)量分布主要包括這一層甲板的敷料以及其它各種設(shè)備等的質(zhì)量。在各層的甲板結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面，應(yīng)該由模型按照其質(zhì)量密度直接通過(guò)設(shè)計(jì)的相關(guān)程序自動(dòng)計(jì)算到片體部分的質(zhì)量。除了船體自身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和船體的船艙內(nèi)各種設(shè)備等的質(zhì)量外，工作人員還必須考慮到附連的水質(zhì)量，并且工作人員必須針對(duì)雙體穿浪船的總振動(dòng)和局部振動(dòng)的計(jì)算工程情況及程度的不同，分別考慮其相對(duì)應(yīng)的附連水的具體水質(zhì)量。

三、雙體穿浪船的振動(dòng)特點(diǎn)

（一）船體總振動(dòng)的固定頻率和模型

工作人員在不斷地應(yīng)用上述的有限元計(jì)算模型中，可以進(jìn)行垂向的、扭轉(zhuǎn)的和橫向的船體總振動(dòng)的相關(guān)計(jì)算。在船體的垂向及橫向的總振動(dòng)的固定頻率和典型頻率等方面，可以通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)或查看相關(guān)表格即可發(fā)現(xiàn)。所以，雙體穿浪船的頻率在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，就不會(huì)輕易產(chǎn)生主機(jī)激振動(dòng)下的共振現(xiàn)象。

（二）雙體穿浪船的局部振動(dòng)固有頻率和模型

在面對(duì)雙體穿浪船的船體上的各層甲板的板架結(jié)構(gòu)的局部震動(dòng)的特點(diǎn)，也可以通過(guò)工作人員不斷對(duì)上述的有限元模型的計(jì)算獲得，還可以通過(guò)電子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取。工作人員還可以通過(guò)計(jì)算得到船體的各板架的固有頻率和典型的局部振動(dòng)，可以不斷分析和總結(jié)出相關(guān)的數(shù)據(jù)。

（三）雙體穿浪船的振動(dòng)特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)上述的雙體穿浪船的整體有限元的分析可以得知，雙體穿浪船一般會(huì)呈現(xiàn)出不同于普通常規(guī)船型的復(fù)雜特殊的振動(dòng)特點(diǎn)，還具有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或者垂向及橫向的振動(dòng)，其中的第一諧調(diào)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的相對(duì)固有頻率是最低的，垂向的振動(dòng)固定頻率相較于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)說(shuō)較高一些，而橫向的振動(dòng)固有頻率是其中最高的，并不斷在垂向和橫向的振動(dòng)中存在很多的不對(duì)稱的振動(dòng)模型。正是因?yàn)檫@些與常規(guī)的船型振動(dòng)特點(diǎn)的不同之處，工作人員才能夠借助雙體穿浪船的有限元計(jì)算模型而揭示出來(lái)。

（四）減震對(duì)策

工作人員為了使雙體穿浪船的振動(dòng)性能具有更好的特性，各種機(jī)械動(dòng)力裝置的激振力頻率一定要及時(shí)避開(kāi)雙體穿浪船的船體各諧調(diào)的傳統(tǒng)固有頻率。對(duì)于我國(guó)現(xiàn)有的尺度的鋁制船，更應(yīng)該采用中速和高速的主機(jī)，船體的主機(jī)和螺旋槳會(huì)通過(guò)直接連接或者不斷減小齒輪箱連接的速度等方式，甚至使用先進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置，這樣會(huì)使船體影響的振動(dòng)更加小，由此一來(lái)，推進(jìn)系統(tǒng)就無(wú)法激起很大的雙體穿浪船的船體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、垂向振動(dòng)以及橫向振動(dòng)。

結(jié)束語(yǔ)：

隨著社會(huì)不斷快速發(fā)展，雙體穿浪船近年來(lái)也得到了快速發(fā)展，船型更加豐富，船體結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，船體的振動(dòng)性能也逐漸被進(jìn)一步探明。與傳統(tǒng)的船型相比，雙體穿浪船具有一定的快速性的優(yōu)勢(shì)，在各種方面都有明顯改善?？茖W(xué)家可以針對(duì)雙體穿浪船的特殊性，準(zhǔn)確而快速的預(yù)報(bào)理論方式來(lái)不斷深入研究。相信我們?cè)诓粩嗟难芯亢蛣?chuàng)新過(guò)程中，雙體穿浪船會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展壯大，在未來(lái)的大海洋時(shí)代中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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