英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
振动研究及船舶振动控制
Tian Ran Lin （a） , * , Jie Pan （b） , Peter J. Orsquo;Shea （a） , Chris K. Mechefske （c）
（a）School of Engineering Systems, Queensland University of Technology, 2 George Street, Brisbane, Queensland 4001, Australia
（b）School of Mechanical Engineering, University of Western Australia, 35 Stirling Highway, Nedlands, Western Australia, Australia
（c）Department of Mechanical and Material Engineering, Queens University, Kingston, Ontario K7L 3N6, Canada
摘 要:本文考察了振动特性以及复杂船舶结构的振动控制。据显示，船舶结构在发动机支承位置的输入导纳，是由于平面外力或弯曲力矩的激励而产生，它受发动机支架的弯曲刚度控制。由这些激励产生的船舶结构的平均输入导纳，可以由相应的无限束表示。发动机支撑处的扭矩输入导纳可以从直接激励下的发动机床部分的扭转响应来测算。同时，这在船体结构模型中包含船体和甲板对船体结构的频率平均响应影响不大。这项研究同时表明，复杂船体结构在低频情况的振动传播能够通过对船舶的环形框架位置施加不规则性力削弱。由机械激励而产生的，处于高频的船舶结构的振动响应可以通过船舶本体支持的结构修改来控制，诸如船舶中的机床等结构。
关键字：导纳、振动控制、船舶结构、梁、波限制
1.引言
建造更快和更轻的船只的副作用是增加噪音和振动船舶。为了保持建造更快速船舶的优点而又不影响诸如乘坐舒适性以及安全性要求，就需要对船舶结构进行有效的噪声和振动控制。尽管如此，由于船体结构的复杂性以及不同波浪类型的耦合，结构中，通过主动控制方法控制船体结构中的波浪传播花费巨大而作用轻微，而传统的被动振动控制方法如添加阻尼材料等只在更高的频率条件下有效。然而，船舶结构最严重的损坏是由大的造成的变形和低频振动引起的高动态应力集中。低频噪音和振动也是造成船上不适的主要原因。因此，本文寻求的替代方案是在低频范围内控制船舶结构振动。
船体振动一般可以分为两类，即总振动和局部振动。对于总振动，船舶的整个船体梁特别响应于激励，这种激励来自主发动机的振动，螺旋桨和辅助机械的运转，或来自水浪作用。本地仅当船舶结构的隔离部分共振时发生振动。局部共振可以通过修改共振结构部件或通过增加局部振动处理吸收和阻尼装置。尽管如此，船体过度变形的可能性更大来自总振动，特别是在船舶结构的前几个基本模式中。
传统上，船舶的总振动，如完整的船体结构的固有频率和振型，是通过长条模型理论进行分析，其中整个船舶的固有频率由梁理论计算并估算船体每个带的重量和力矩分布。这种方法的详细描述由Todd[1]给出。波浪引起的船体振动也被Van Gunsteren[3]研究过，计算双节点垂直振动的振动采用改进的条形理论分析了两种船模的振动模式。伴随着快速发展的计算机技术和现代计算机日益增长的速度和容量，现在有可能分析一个完整的三维船体结构的低频动态响应模型使用有限元分析（FEA）。FEA在分析和设计中越来越多地被使用复杂的船舶结构[4]。例如，Xia等人[5]采用有限元分析来预测船体结构的全局响应。
最近，Lin和Pan[6,7]利用封闭形式解决方案来研究输入的特征有限的肋板结构的流动性[8]以施加力矩和激励。他们表明，有限肋加筋板的单点力输入流动受相应的约束未加肋板和肋板的梁。输入移动性主要由光束支配当对梁施加力激励时的弯曲刚度，以及当其受到板刚度控制时梁远离力位置的板弯曲波长的四分之一以上。结果是已经通过Nightingale和Bosmans的实验验证[9]。扭矩输入的流动性肋板（对于具有较小扭转刚度的肋板）受板弯曲的支配刚度及其频率平均值可以用相应的无限板的刚度和频率平均值表示。Lin[7,10]扩展了该研究以进一步研究波传播和衰减的特性有限周期和不规则肋板通过采用模态方法。他发现可以通过对板上的肋条位置施加不规则性来限制肋板结构的振动。对肋加劲板的振动特性的研究提供了对波浪的一般理解传播及其在肋板结构中的控制机制。但是，当结构如同完整的船体结构那样变得复杂，分析的复杂性增加由于结构中不同波型和多波传播路径的耦合。
本文旨在进一步揭示船舶结构振动的基本特征，利用分析和实验研究得到的肋板振动[6,7,9-11]与FEA方法结合使用。希望这项研究能够阐明对这个问题，从而理解复杂船舶结构中的振动和振动传播特性，并可以随后进行导致改进的振动控制。为此，船舶结构由于力和力的输入流动性研究发动机安装位置的瞬间激励。输入之间的相互关系船舶结构的流动性和相应简单结构的流动性（即有限的和无限的梁）也进行了讨论。
这项研究的另一个目标是为控制振动和提供明确的策略以及研究复杂船舶结构的振动传播。提出了一下两种策略。一是控制从振动机械到船舶结构的振动能量传递。二是控制波浪在船体结构中的传播无序和不规则的肋状结构[10,11]。
2.对30米船舶模型和FEA模型的一般描述
本研究中使用的30米快速船员船只的概况如图1所示，船体被环形框架等分为30个1米长的部分。船体结构铝制，并由水密舱壁分隔成几个功能区域，如住宿房间，实用面积，机舱，油箱和方向舵室。主要的船体刚度组件包括龙骨，发动机舱，甲板和底梁，立柱和环形框架。该船体底部平面图中这些刚度组件的结构布置如图所示图2.仅船体结构的累积质量约为26声（不包括质量）机器和装备，其中又有33个音调的累积质量）。该船由三个动力履带式发动机（型号3412E）每台输出功率为925马力。
图1. 30米船员船的概况
图2.船员底部平面图的结构布置
环形船体结构的几何形状和轮廓均有明确的规定框架，相距1米，并通过龙骨和其他主要刚度部件（如甲板）相互连接大梁，底梁和机床。垂直支柱用于提供垂直支撑（垂直支撑刚度）到第5,8,14,18和20帧的船体上（帧号从第一帧开始）靠近船头）。环形框架通过FEA模型中的板元件进行网格划分，并通过沿着它们的内周边的分割条（由梁单元网格化）。其他主要船体刚度部件如龙骨，柱子，甲板桁材，底梁和机床等全部与之相啮合有限元分析模型中的梁单元，除了在别处指定的单元外。
3.船体结构的振动响应
3.1.30米船的双节点垂直振动模式
- 的船体结构（注意：船体结构模型包括船体/梁/舱壁结构，但不包括机械和装备）的双节点垂直振动模式[1,3,12]通过利用正常模式分析由商业FEA软件-MSC/NASTRAN提供。模式的三维模式形状分布如图3所示。干燥（空中）船体结构的双节点垂直模式的固有频率预计约为13 Hz。该模式的相对高的共振频率归因于诸如龙骨，发动机舱和桁梁等加强部件的高刚度以及用于船体构造的轻质铝肋板。尽管如此，值得注意的是，当计算中考虑到机器和装备的累积质量时，模态固有频率将显着降低。由于“虚拟质量”[1,5]和周围水对船舶的模态振动的阻尼效应，当船舶淹没在水中时，模式的固有频率会进一步降低。
图3. 30米船员的双节点垂直振动模式
有限元分析对船舶结构的全球动态进行的详细分析非常简单。但是，这样的分析通常非常耗时，尤其是频率响应分析。为了克服这一点，限制和增加分析的频率范围，只有30米的机房部分，船员船只在随后的分析中被考虑。此外，还包括龙骨的全长，在FEA模型中，能量从机舱部分传播到船的其他部分结构可以在后期进行评估。
3.2.机舱的振动响应
船体结构的机舱部分由两个水密舱壁-框架16约束在数值模拟中考虑船体结构的这一部分有两种有限元分析模型。其中一个仅包括发动机室的主要刚度部件（参见图4（a）），另一部分包含包括刚度组件和船体和甲板（图4（b））。龙骨的全长是也包含在两个FEA模型中。假设所有结构均匀的内部损失因子（h=0:01）模拟中的组件。此外，对有限元分析模型没有边界限制，而简单支持的边界条件则假设为简单的有限结构（如有限梁）在分析模型。
图4.半机房的有限元模型 （a）只有刚性部件; 和（b）包括船体和甲板
由于低频和中频结构声的波长远大于机器隔振器和支架的物理尺寸，发动机，发电机，螺旋桨和辅助机械在船舶支撑结构上的激励可理想为点源。通过机器底座运输结构的兴趣可以是面外力，面内力，扭转力矩和弯矩激励或其组合。例如，已经证明[2,13,14]船体结构上的引擎激励有两种形式：（a）发动机作为一个整体通过发动机隔振器传递到基础上的振动（点力激励）和（b）曲轴和从动机械的轴系中的扭转振动（瞬间激励）。在研究中检查了由于每个单独激励造成的船体结构的输入流动特性。本研究中使用的有限和无限光束的输入迁移率函数列于附录表I中。由于发动机舱的不均匀性，在FEA模型中相应机舱部分的平均刚度值用于梁的输入流动计算。
- 由于面外力激励引起的机舱输入导纳
在该模拟中，如图4（a）所示，在机床的一个安装位置上施加法向（面外）点力。由点力激励引起的两个有限元分析模型的引擎支撑的输入移动性被计算并且与用于比较的有限和无限范围的相应的梁的那些一起显示在图5中。在计算中使用的有限束被假定为在两端都被简单地支持。梁的长度（Lx）基于发动机床的横截面相对均匀（3米长，跨越框架16和19以适应主发动机的整个跨度）的部分。该机床部分的平均横截面面积用于有限和无限光束的输入导纳计算。
图5.发动机床的平面外力输入导纳以及相应的有限束和无限束
结果表明，两种FEA模型的发动机支架的频率平均输入导纳可以近似为相应的无限光束。这一发现与Pinnington和White[15]研究从振动机械到支撑梁的动力传输的观察结果非常吻合。对于这种激振，环形框架的面内刚度与发动机床的弯曲刚度处于相同的数量级，使得整个发动机床（跨越框架16-23）作为不均匀的梁振动。环形框架表现为规则的刚度和质量附着于发动机床的弯曲振动，并通过与环形框架的板元件中的短弯曲波耦合而为发动机床中的长波提供额外的阻尼。因此，机床的频率平均输入移动性接近相应无限束的输入移动性。值得注意的是，框架模型（图4（a）所示模型）的频率平均输入流动几乎不受模型中包含船体和甲板的影响。这表明船体结构的输入流动性的刚度项由机床的挠曲刚度决定。这一发现与林和潘的讨论一致[6,7]对有限肋板振动响应的分析研究，以及Grice和Pinnington[16]的研究表明，板中的短波主要为梁中的长波传播提供阻尼。因此，可以得出结论，在实际应用中，在估计从振动机器到船体结构的平面外力输入流动性和振动能量流时，仅需考虑支撑结构的柔性刚度。
（b）由于面内力激励引起的机舱输入导纳
由施加于发动机安装位置之一的面内力激励引起的发动机室部分的输入导纳与有限和无限范围的相应横梁的输入到哪一起在图6中示出。在这个计算中使用的无限束的面内力输入移动性只是Cremer等人给出的一半。[17]他认为面内力作用在半无限束的一端。结果表明，发动机支架的面内力输入流动性受到相应无限长梁的输入流动性和相应3m长梁的非共振响应的限制，除了在低频处的一些大的峰值响应外。这些大的峰值响应归因于与环形框架的弯曲刚度耦合的发动机机身的刚体运动（其具有比发动机床的面内刚度小得多的刚度值）的共振响应。每个峰值响应对应于由发动机床的刚体质量和一个连接的环形框架的弯曲刚度形成的等效弹簧质量系统的共振响应。由于板式弯曲振动对弹簧质量系统的共振响应的阻尼作用增加，因此当船体和甲板板包含在FEA模型中时，这些峰值响应大大减弱。当船体和甲板板块时，整体输入流动性也向上移动并接近相应无限束的输入导纳附着在模型上，归因于板中短弯曲波的相同阻尼效应（也参见前面部分的讨论）。
图6.机床的平面内力输入导纳以及相应的有限和无限束
图7.发动机床的扭矩输入导纳以及相应的有限和无限束
（c）发动机室的输入导纳到扭矩激励
图7显示了由于施加到发动机安装位置的扭矩激励引起的发动机室部分的输入导纳。相应的有限和无限光束（见表I）的输入导纳也显示在图中用于比较。发现由于扭矩激励引起的船舶结构的频率平均输入导纳可以近似为相应的1米长梁的非谐振响应，而不是接近无限束。这是由于与发动机床的小得多的扭转刚度相比，在瞬间激励下发动机舱部分的每个端部上的环形框架的大的面内刚度。因此，围绕机舱部分的两个框架（框架17和18）表现为该部分的扭转振动的端部弹性边界。
（d）由于弯矩激励引起的机舱输入导纳
Lin和Pan[6,7]已经说明了类似于点力输入导纳的特性，由于肋处的弯曲力矩激励引起的肋或肋加强板的输入流动性的刚度项占主导地位由肋的弯曲刚度决定。对于如图8所示的船舶结构也是这种情况，其中船体结构的平均输入导纳频率，由于施加到机舱的弯曲力矩激励，可以近似为相应的无限束在整个频率范围内。
图8.机床的弯矩输入导纳和相应的无限束
4.船舶结构的振动控制
船舶结构中的被动振动控制通常可根据应用控制技术的位置分为三类：（a）震源位置的振动控制;（b）控制船舶结构中的波浪传播;（c）接收器位置的振动控制。接收器位置的振动控制可以通过应用传统的被动控制方法来实现，例如在结构中添加阻尼材料或使用隔振器来阻止振动到达接收器位置的设备。通常通过使用振动隔离器（即机器安装件）来实现源位置（即发动机、发电机的安装位置）的振动控制。它也可以通过对安装结构进行局部修改来控制，因为从已知振动源到结构的振动能量传输是通过源位置的移动性来
全文共11419字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11263]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
