某船船體模態及振動測試

海軍工程大學 船舶與動力學院 武漢 430033

船舶在使用過程中，隨著服役年限的增長，其船體的機械性能將會發生一定的變化，從而使其動態特性也相應改變，這些變化主要通過其振動參數(如模態頻率、振型等)的改變體現出來。因此，可以通過測試整體模態和局部振動檢測相應的變化[1]。

船舶結構系統的振動模態分析與參數辨識是是船舶動態設計、振動控制以及利用振動信號的狀態監測和故障診斷的基礎[2，3]。隨著電子技術與計算機技術的迅速發展，模態及振動測試和分析已成為解決船舶結構振動問題的主要工具。

船舶工作狀態下的振動測試不但可以評價現有船舶動態特性，還可以用于識別船舶主要的振動源和噪聲源，并為船舶機械的故障診斷提供基本數據。通過借助于試驗與理論分析相結合的方法，對船舶結構進行分析和評價，從中找出船舶結構在動態性能上存在的問題，以確保船舶能安全、可靠及有效地工作。并為船舶的改進和設計提供可靠的依據。

1 時域法振動模態參數識別

船舶模態測試分析中關鍵技術是模態參數識別，它是從測試所得的數據中，確定振動系統的模態參數，其中包括模態固有頻率、模態阻尼比、模態質量、模態剛度及振型等。目前參數識別分為頻域法、時域法、時頻方法及基于模擬進化的方法四大類[4-6]。本研究根據船舶模態測試分析的特點，采用時域法振動模態參數識別技術。

時域法是近年才在國內外發展起來的一門新技術，它可以克服頻域法的一些缺陷。 特別是對大型復雜構件，如飛機、船舶及建筑物等受到風、浪及大地脈動的作用，所承受的荷載很難測量，但響應信號很容易測得，直接利用響應的時域信號進行參數識別無疑是很有意義的。

時域法是將振動信號直接進行識別。最基本、最常用的有Ibrahim時域法、ITD法、最小二乘復指數法(LSCE法)、多參考點復指數法( PRCE 法)、特征系統實現法(ERA法)和ARMA時序分析法。

本研究采用時間序列分析方法，對有序的隨機數據進行分析、研究和處理。在以往進行頻域譜分析時，常由于信號截斷而引起泄露，出現旁瓣、分辨率低及信號被淹沒等缺陷，而時間序列分析則與譜分析不同，由于時序譜是動態譜，觀測數據能外延，因此不會由于觀測數據的樣本長度有限而產生上述缺陷。

2 實船模態及航行振動測試

根據前面的基本理論和實驗方法，參照有關的標準規范，對東海某船船體進行有關模態測試以及振動測量。測量內容主要有船體低階固有頻率、振動加速度及振動速度。

實驗測試系統的組成如圖1所示。信號采集器為B&K公司生產的專用的八通道信號采集器。振動分析系統為B&K PULSE 多功能分析軟件。模態測試采用拋錨激勵法，即船舶在試驗區靜止后，將錨懸在錨穴下，將錨自由下落，錨下落的距離以不觸及到海底為限，隨之用錨鏈止鏈器迅速制動，使船體振動。記錄全過程的振動信號并采用時間序列分析方法提取前兩階模態參數。

圖1 測試系統的組

測量環境對測試結果有比較大的影響，相關標準規范要求試驗區水深不小于19 m，離岸或其它建筑較遠，海況不大于2級，水流平緩。試驗時船的狀態為滿載，排水量誤差不大于+2%，載荷分布接近設計狀態，船體橫傾角不大于0.5°，縱傾狀態與設計狀態一致，誤差不大于0.05 m。

激振試驗時船舶處于自由漂浮狀態，船舶上的機械均停止運行，人員無隨意走動或敲打。

航行振動測試試驗時船舶直線航行，操舵角在±2°以內，其它非航行必須設備均停止運行，人員無隨意走動或敲打。

模態測點測量方向為水平向和垂向，測點具體位置說明見表1。 航行振動試驗和局部振動測點具體位置說明見表2。

表1 模態試驗測點布置說明表

表2 航行振動測試試驗和局部振動測點布置說明表

3 測試結果及分析

船體垂向及水平方向模態固有頻率測量結果見表3，相應的模態振型見圖2～5。

表3 模態固有頻率

圖2 垂向固有頻率第1階振型

圖3 垂向固有頻率第2階振型

圖4 水平向固有頻率第1階振型

圖5 水平向固有頻率第2階振

航行試驗振動測量時，測試工況為主機分別在1 000、950、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、370 r/min轉速下保持直線穩定運行，通過對測試數據的處理與分析，得到了各工況下船體的振動加速度峰值在頻率上的分布及諾模圖[7]。以最高轉速為例，主機運行工況為1 000 r/min時,1～4號測點部分測量數據見表4，表中“*”表示該點對應頻率振動處于“可接收區”，其它測點均處于“良好區”。測點諾模圖見圖6。

表4 主機轉速1 000 r/min振動速度峰值

圖6 主機轉速1 000 r/min測點1x-9z諾模

根據相關船舶船體振動評階基準，航行試驗中，在主機轉速各測試轉速工況中，除推力軸承頂部測點個別頻率的振動幅值位于“可接受區”外，其它振動測點的振動幅值均處于“良好區”；在主機轉速低于550 r/min后，各振動測點的振動幅值均處于“良好區”。

4 結論

通過對船舶模態的測試，可以發現船舶的模態頻率及其振型，有利于工程人員對裝備進行管理。通常船舶上的工作機械應該避免在模態頻率附近的工況下運行，如果某些設備長期工作時不能避開船舶的某階模態頻率，那么這些裝備應該安裝在相關模態頻率所對應的節點位置附近(該位置可以通過模態振型找到)。通過對船舶振動的測試，發現了其振動較為強烈部位，并提出建議，重點關注并采取適當的方法和措施改善其動態性能。通過定期船舶模態和振動的測試，可以發現船舶模態和振動的變化規律，從而觀察船舶結構的動態變化，這樣有利于評價船舶的結構性能，為船舶的維修和保養提供參考依據。

[1] 朱石堅，何 琳．船舶減振降噪技術與工程設計[M]．北京：科學出版社，2002.

[2] Pettersen J W E. Noise Control in Ships[R]. NTNF Report B， 0930.4502.1, 1975.

[3] 張令彌.試驗模態分析的進展[J].振動工程學報，1988(1): 71-82.

[4] J E Mottershead, M I Friswell. Model updating in structural dynamics : a survey [J] . Journal of Sound and Vibration，1993,167(2):347-375.

[5] 曹樹謙等. 振動結構模態分析理論、實驗與應用[M].天津:天津大學出版社，2001.

[6] 李德葆，陸秋海. 實驗模態分析及其應用[M]. 北京:科學出版社，2001.

[7] 中華人民共和國國家軍用標準. 艦艇船體振動評價基準[S].北京：中國標準出版社, 1990.