摘要：近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，船舶行業(yè)表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，為貨物運(yùn)輸以及人們的日常出行提供了極大的便利。但是，隨著安全意識(shí)的逐漸提高，使得人們對(duì)船舶出行安全尤其是船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)造成的影響引起高度重視?；诖?，本文就船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)及防范措施進(jìn)行深入地研究。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu);振動(dòng);防范

1 ?引言

在船舶航行過(guò)程中，通常是由動(dòng)力機(jī)械（主機(jī)、螺旋槳、推進(jìn)系統(tǒng)等）和輔助機(jī)械（泵、風(fēng)機(jī)等）共同提供動(dòng)力，然而此些機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生比較大的振動(dòng)，船舶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受此影響則會(huì)面臨著結(jié)構(gòu)破壞的威脅。因此，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行分析且采取有效的防范措施是極其必要的。

2 ?船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)概述

船舶在運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)受到各類不同外力的作用，部分是直接對(duì)船體產(chǎn)生作用、部分是對(duì)船體產(chǎn)生間接性的作用，無(wú)論是何種情況，都會(huì)引起船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)。即使大部分狀況下造成的振動(dòng)并不會(huì)形成危險(xiǎn)性較大的影響;然而，如果振動(dòng)比較明顯，就會(huì)導(dǎo)致船舶內(nèi)的各種機(jī)械設(shè)備以及船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，更有甚者會(huì)引起船舶運(yùn)行故障，嚴(yán)重威脅船舶及船員的安全。

3 ?船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要影響因素

當(dāng)前，引起船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)的影響因素主要有以下兩種：第一，推進(jìn)軸系的振動(dòng)。在推進(jìn)軸系運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)受到各式各樣的激振力，比如：（1）運(yùn)動(dòng)部件的重力和慣性力、柴油機(jī)氣缸的氣體力等形成的對(duì)曲柄銷和曲軸產(chǎn)生作用的徑向力;（2）軸系部件在運(yùn)行過(guò)程中形成的激振力以及力矩等。正是因?yàn)榇诵┘ふ窳Φ某霈F(xiàn)，造成推進(jìn)軸系出現(xiàn)橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等，最終引起船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。第二，柴油機(jī)的振動(dòng)。柴油機(jī)的工作模式為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的支撐下將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榍B桿機(jī)構(gòu)此類較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性，必定會(huì)形成周期性的力矩等，其不但會(huì)對(duì)曲軸、活塞以及連桿的強(qiáng)度造成影響，而且還會(huì)對(duì)連桿軸承的磨損、負(fù)荷以及潤(rùn)滑產(chǎn)生影響;除此以外，還有可能造成柴油機(jī)振動(dòng)，從而使得船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。

4 ?船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性

4.1 各項(xiàng)振動(dòng)性能的計(jì)算

第一，強(qiáng)迫振動(dòng)的計(jì)算。在使用運(yùn)動(dòng)微分方程時(shí)，通常有比較大的自由度，各類方程間相互耦合，使得求解有很大的難度，需對(duì)耦運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行求解，將其轉(zhuǎn)化成N個(gè)單獨(dú)的微分方程。因?yàn)槟B(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)阻尼矩陣、模態(tài)剛度矩陣三者均為對(duì)角矩陣，經(jīng)由對(duì)耦系統(tǒng)微分方程的求解，在模態(tài)坐標(biāo)內(nèi)將其轉(zhuǎn)換成N個(gè)單獨(dú)的微分方程，按照對(duì)應(yīng)解耦的微分方程則可以得到各個(gè)時(shí)域系統(tǒng)所有點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)反映。第二，自由振動(dòng)的計(jì)算。當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)處于聲學(xué)介質(zhì)中時(shí)，流體與結(jié)構(gòu)交接面間就會(huì)互相形成作用，周圍流體同樣會(huì)對(duì)該結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生作用。在利用有限元方法來(lái)求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及聲耦合等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該把流體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建在彈性結(jié)構(gòu)的外表面上，實(shí)施結(jié)構(gòu)和流體的網(wǎng)格有限元離散，同時(shí)還需建立起對(duì)應(yīng)的有限元方程。

4.2 船舶振動(dòng)的計(jì)算

第一，船舶振動(dòng)模態(tài)的分析。在對(duì)船舶振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行具體分析時(shí)，通常需要用到ansys軟件、有限元三維模型以及對(duì)應(yīng)的公式。在計(jì)算時(shí)，經(jīng)由對(duì)局部模態(tài)的消除，以得到船舶的彎曲和扭轉(zhuǎn)等其它模態(tài)。相關(guān)研究表明：有限元模型可以用于計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，確保其維持較好的固定頻率，相對(duì)誤差控制在6%以內(nèi)，說(shuō)明在分析模態(tài)過(guò)程中借助有限元模型是比較可行的。第二，有限元的整體船舶模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其內(nèi)存量也在迅速提升，各類技術(shù)軟件同樣是日新月異，有限元方式漸漸轉(zhuǎn)變成數(shù)值計(jì)算的常用方法，在航空、航海等眾多領(lǐng)域有著大量運(yùn)用。但是，利用有限元方式對(duì)船舶進(jìn)行建模和計(jì)算分析仍有較大的難度，主要是由于船舶結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如果使用有限元法，則需通過(guò)大量不同的單元來(lái)模擬船舶結(jié)構(gòu)，難以模擬出船舶的整體結(jié)構(gòu);除此以外，還需使用非常多的有限單元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前計(jì)算機(jī)的容量，盡管計(jì)算機(jī)可以完成計(jì)算，也需耗費(fèi)很多的時(shí)間，所以應(yīng)當(dāng)合理的簡(jiǎn)化有限元法。

5 ?船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)的防范措施

5.1 合理使用阻尼材料

阻尼材料可以運(yùn)用在船舶的艙室以及機(jī)器處所中，采用噴涂或者刮涂的方式將其敷設(shè)在結(jié)構(gòu)表面，可以使結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生變化，降低共振效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)防范振動(dòng)的目標(biāo)。近幾年內(nèi)，船舶建造過(guò)程中常用的阻尼材料主要有以下兩種：第一，阻尼鋼板。其屬于是復(fù)合型材料，主要是將特定厚度的間斷小片鋁板或者是鋼板與粘彈性材料鋪設(shè)在船舶的表面，從而構(gòu)建起“金屬——阻尼——金屬”結(jié)構(gòu)，有著非常好的阻尼效果。額外鋪設(shè)的鋁板或鋼板的厚度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)或者是進(jìn)行模擬計(jì)算來(lái)確定。該方式的主要不足為，需添加額外的鋁板或者鋼板，造成減振措施重量偏大，進(jìn)而對(duì)船舶性能產(chǎn)生負(fù)面影響。第二，阻尼涂料。此種涂料的生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，且便于在船舶施工現(xiàn)場(chǎng)使用，具備良好的減振性能。采用抹涂、噴涂又或是滾刷的方式將阻尼涂料敷設(shè)在船舶表面，在干燥以后就會(huì)產(chǎn)生防水、抗紫外線和不易燃的固化層，可以快速吸收振動(dòng)能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減振的目標(biāo)。在使用阻尼涂料時(shí)，不需要增加金屬板，方案總體重量比較輕，適用于高速船。

5.2 科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)

混沌理論形成于二十世紀(jì)八十年代，伴隨混沌理論的日益成熟，以混沌理論為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的控制技術(shù)已發(fā)展成相對(duì)完善的控制技術(shù)手段，尤其是在非線性系統(tǒng)的控制方面有著大量的運(yùn)用。要想有效防范船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題，則應(yīng)科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)?，F(xiàn)階段，使用比較多的非線性隔振系統(tǒng)主要包含：第一，蝶形彈簧隔振器。此類隔振器主要是以金屬碟來(lái)取代金屬螺旋彈簧，以發(fā)揮相應(yīng)的作用。此種隔振器具備較強(qiáng)的阻尼性能，尤其是在振動(dòng)沖擊載荷的隔振領(lǐng)域表現(xiàn)出其他產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢(shì)。第二，橡膠隔振器。此種隔振器主要使用的是橡膠所具備的阻尼特性，是現(xiàn)階段工業(yè)方面運(yùn)用最多、同樣還是成本費(fèi)用最少的隔層設(shè)施。然而，橡膠隔振器存在使用時(shí)間較小的缺陷，如果受到高頻載荷的作用則極易出現(xiàn)老化。第三，鋼絲繩隔振器。此種隔振器主要利用的是鋼絲繩所具有的非線性動(dòng)力學(xué)特征，有利于緩解機(jī)械裝置的高頻振動(dòng)以及沖擊載荷。該隔振器的制造成本相對(duì)較高，其阻尼特性基本上均源自于固定裝置和鋼絲繩間形成的摩擦力。

5.3 確保船舶設(shè)備安裝的質(zhì)量

一方面，加強(qiáng)船舶設(shè)備安裝的精準(zhǔn)性。在安裝船舶設(shè)備的過(guò)程中，因?yàn)樵O(shè)備具有重量大、體積大的特征，所以在安裝時(shí)往往會(huì)使用起吊機(jī)、手工輔助裝置等實(shí)施安全。在此環(huán)節(jié)，針對(duì)大型設(shè)備安全過(guò)程中防范振動(dòng)的舉措展開分析，有利于在很大程度上加強(qiáng)船舶設(shè)備安裝的精準(zhǔn)性。具體的分析工作，能夠?yàn)榇霸O(shè)備精準(zhǔn)安裝、設(shè)備后期應(yīng)用質(zhì)量和效果提供強(qiáng)有力的保障。其中，對(duì)于船舶設(shè)備安裝精準(zhǔn)性開展的實(shí)際分析，主要反映在船舶設(shè)備的安裝水平度、安裝高度以及安裝部位等其他方面的精準(zhǔn)性，以保障所有的船舶設(shè)備在后期船舶航行過(guò)程中可以做到“安全、穩(wěn)定”的運(yùn)行。另一方面，提高船舶設(shè)備安裝的規(guī)范性。在船舶設(shè)備的具體安裝環(huán)節(jié)采用防范船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)的舉措，根據(jù)最后的技術(shù)利用效果分析可知，其最為根本的目標(biāo)便是，提高船舶設(shè)備安裝的規(guī)范性。經(jīng)由選擇使用合理、有效的船舶結(jié)構(gòu)減振手段，以保障船舶設(shè)備在后期運(yùn)行中的效率以及質(zhì)量。除此以外，針對(duì)設(shè)備安裝作業(yè)時(shí)采取的結(jié)構(gòu)減振方式實(shí)施分析，有利于產(chǎn)生設(shè)備安裝的規(guī)范性技術(shù)，同時(shí)還為有關(guān)安裝制度的建立及健全打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

6 ?結(jié)論

綜上所述，船舶在航行過(guò)程中如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，往往會(huì)引起較為嚴(yán)重的后果。根據(jù)上文分析可知，引起船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)的影響因素是比較復(fù)雜的。因此，在船舶航行中，應(yīng)當(dāng)通過(guò)合理使用阻尼材料、科學(xué)利用混沌隔振技術(shù)以及確保船舶設(shè)備安裝的質(zhì)量等途徑，避免船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：丁健，（1992—），男，漢族，籍貫：江蘇泰興，學(xué)歷學(xué)位：本科學(xué)士，職稱：設(shè)計(jì)員，單位：江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)