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摘要：本文介绍了船舶振动的发展现状，具体从船舶振动的危害、现象和振源等方面，针对船舶上建结构的振动频率问题进行了简要分析。
关键词：船舶振动；局部振动；上建结构；上层建筑整体纵向振动固有频率
在船舶结构的整体设计中，船舶局部振动是不可忽视的一个重要指标。近年随着我国海上船舶业的蓬勃发展，船舶的设计引入了更多的科技元素，并且功率越来越大。但是，船舶的上建结构因为有别于传统设计且刚度有所减弱，所以当船舶振动频率过大时，上建结构就会产生严重振动，威胁整个船体的安全航行。
一、船舶振动
虽然船舶在海上航行时，受波浪的影响较大。但是船舶振动的主要来源还是来自船舶中的各种机械。在船舶内部的机械、轴系、螺旋桨等部件运转的激励下，船舶的总体或者局部就会引起结构上的振动，这就是船舶振动。
（一）船舶振动的振源
船舶的结构是非常复杂的，它有许多的局部结构和船用设备，并且现在的船舶加装了许多高精密的电子仪器，对操作环境的要求又很高，所以船舶结构的振动首先对这些精密的船用设备来说，就是极大的威胁。实际上，船舶结构就是一种复杂的组合弹性体，如果按照振动的分布范围来说，船舶振动可以分为总体振动和局部振动；按照船体受力的角度讲，又可以分为自由振动和强迫振动。
因为在船体中的机械众多，所以船舶是一个多振源系统，这种机械给船体带来的振动动力我们称之为“激励”。它们都是对船体有害的因素。船舶中主要的激励来源有螺旋桨、机械（包括主机、发电机、发动机、泵、风机等）和波浪。其中大部分的振动激励来自于螺旋桨。因为在船舶中，螺旋桨桨叶通过转动将水动力传承给桨轴，再由桨轴传给船体产生轴承力，另外螺旋桨也将水表面上的脉动水压力传送给船体，所以轴承力和水面的表面力是螺旋桨的主要激振来源，也就是桨激励的两种形式：轴频激励和叶频激励。影响螺旋桨系统激励的因素主要和桨叶的形状参数，船尾部的设计造型以及航行速度有关。螺旋桨在船的尾部工作时，会让桨叶周围的水受到船体运动的影响而产生桨漩涡涡流，这种追随船体运动的水涡流就叫做伴流，这是由叶频激励产生的。这些水伴流会在船后形成一股具有轴心向的伴流场。所以说如果将轴向伴流速度设定为Ua，进入螺旋桨盘面上的水流速度为Va，航速为Vs，那么航速、进速和轴向伴流速度三者之间的关系就是Va=Vs-Ua。
船舶是一个复杂的弹性组合体，它和局部机械的联系是很多的。例如和柴油机。船舶柴油机在工作时会对船舶的局部产生干扰力，这主要是由柴油机运动部件的惯性形成的一种不平衡的力矩，即气体爆炸压力产生的侧向压力和倾覆力矩。因为柴油机的机座与船体是一个有效的弹性体，所以柴油机在运行时就会给船体带来扭转振动，这也是一种由船舶内部的动力系统带来的船舶振动现象。
二、上建结构
船舶的结构复杂，主要包括船壳板、船体骨架、甲板、船舱和上建结构。其中船舶的上建结构就是上层建筑，即船舶主甲板以上的建筑。上层建筑主要用来布置不同用途的船舱舱室，主要包括生活区、工作区、储藏区和仪器设备区。
上层建筑包括首楼、桥楼和尾楼，其他的建筑被称为甲板室。整体被称为“船楼”。
（一） 上建结构的局部振动控制理论
引起船舶上层建筑振动的原因主要由外界激振力频率与上层建筑固有频率发生共振两种。
一般对于上建结构的振动控制分析会用到有限元法。它对上层建筑和船体分别进行离散化，就可以得到M-K-C系统。所以对一般的受控结构系统，就可以知道它应有的运动方程是：Mq+Cq+Kq=P（t）。P（t）包含了激振力和主动控制力。那么就可以把运动方程变化成描述状态的：x=Ax+BP（t）。其中：
此方式表达了在存在激振力的条件下，船舶会发生强迫振动。如果t值是无极限时，x（t）就不会趋近于0，它就不满足线性系统二次指标品质问题的条件。如果将Mq+Cq+Kq=P（t）改为Mq+Cq+Kq=Q（t）+v（t），其中Q（t）是激振力，v（t）是主动控制力，所以得出x=Ax+BQ（t）+Bv（t）。所以说在船舶结构系统中，系统的相应包括了两个部分，其中一部分与激振力Q（t）有关，另外一部分与主动控制力v（t）有关，所以x=x1+x2，其中要满足 x1=-Ax1+Bv（t），x2=Ax2+BQ（t）+Bv2（t），v1要满足线性系统二次指标品质问题的条件，所以v1=R-1BTPx=-Gx。其中nXn矩阵中P是Riccati方程的唯一一个对称的正定解，也就是
按照数值解法求解Riccati方程就可以得出P的数值。对于v2，在上建结构中，振动是由基座处的支承运动引起的，因为基座处的运动响应与激振力的大小有相当的关系，所以在上建结构的振动控制中，v2（t）与支座处的运动相应也有关。通过上述条件我们就可以得出船舶上建结构中的主动控制力是V（t）=V1（t）+V2（t）。
（二）上建结构振动频率的分析
对船舶振动频率的估算可以帮助船舶设计从而减小振动对船舶带来的影响。目前在世界船舶领域对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率的算法有两种：一种主要是从上建结构的尺度入手，包括船体上层建筑的总高度、长度和各层建筑的高度以及层数等；另一种是将上层建筑根部固定在船体上的剪弯振动固有频率和刚体回转振动固有频率两个参数，采用公式计算出上层建筑整体的纵向固有频率。即： 。
在此公式中，fc是上层建筑的整体纵向振动固有频率，fs是指上层建筑根部的纵向剪弯振动固有频率，fr是刚体回转振动固有频率。根据上层建筑根本固定时，上层建筑会产生剪切振动，所以它的固有频率应该是：
其中H是甲板以上上层建筑的总高度，m和n是上层建筑的总层数，i是由下而上的层数，Mi是第i层上层建筑质量， 为第i层质量系数，Si为第i层剪切面积，G为材料的剪切面。所以我们可以得出：
对于上层建筑整体纵向振动固有频率的计算为：
此公式可以通过刚度参数、等效刚性系数、弯曲振动系数、剪弯振动固有频率和刚体回转振动固有频率等具体数值，计算出上层建筑纵向振动固有频率的最终值，并可与实测值进行对比验证其准确性。
（二） 具体计算实例
假设以一条50000DWT的油轮为基础进行仿真计算，它的船体梁有45个节点，其中有44个单元。那么它的上层建筑支承在船体梁的33号节点上，假设有7个节点，其中含6个单元。在螺旋桨方面，它具有三叶桨，转速达到190r/min，叶片频率是9.8Hz，力的大小是100t，它作用于船体桥梁的38号节点。如果用模拟叠加的算法就能求得船体梁上上层建筑的支承处位移，再通过求得支承激励下的相应的方法得到受控前上层建筑梁的顶部节点的位移相应。
其中全参数l=5000，r=1，所以就可以得到G=0.3847。所以对于船舶100t的激振力，如果控制力的最大值能够取到37t，到稳定状态后可以减小到17t，所以说，这种控制主控力控制方法用于船舶上层建筑的稳态振动控制是有效的。
总结：船舶振动对于船体本身和船上人员都会带来很大影响，本文通过对于船舶振动各方面的介绍和其上建结构的固有振动频率进行了简要的分析，表明了如果能够在船舶航行时掌握其局部的振动频率参数，对于未来的船舶设计和研究如何避免船舶产生振动是很有帮助的。
参考文献：
[1] 殷玉梅，赵德有.船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报方法研究[J].船舶力学，2011，15（5）.
[2] 邹利军.船舶上层建筑振动的最优控制分析[D].上海交通大学，1996.
[3] 马广宗，刘健宜，石慈忠.估算船舶上层建筑固有频率的新方法[J].中国船业，1986（6）.
关键词：船舶振动；局部振动；上建结构；上层建筑整体纵向振动固有频率
在船舶结构的整体设计中，船舶局部振动是不可忽视的一个重要指标。近年随着我国海上船舶业的蓬勃发展，船舶的设计引入了更多的科技元素，并且功率越来越大。但是，船舶的上建结构因为有别于传统设计且刚度有所减弱，所以当船舶振动频率过大时，上建结构就会产生严重振动，威胁整个船体的安全航行。
一、船舶振动
虽然船舶在海上航行时，受波浪的影响较大。但是船舶振动的主要来源还是来自船舶中的各种机械。在船舶内部的机械、轴系、螺旋桨等部件运转的激励下，船舶的总体或者局部就会引起结构上的振动，这就是船舶振动。
（一）船舶振动的振源
船舶的结构是非常复杂的，它有许多的局部结构和船用设备，并且现在的船舶加装了许多高精密的电子仪器，对操作环境的要求又很高，所以船舶结构的振动首先对这些精密的船用设备来说，就是极大的威胁。实际上，船舶结构就是一种复杂的组合弹性体，如果按照振动的分布范围来说，船舶振动可以分为总体振动和局部振动；按照船体受力的角度讲，又可以分为自由振动和强迫振动。
因为在船体中的机械众多，所以船舶是一个多振源系统，这种机械给船体带来的振动动力我们称之为“激励”。它们都是对船体有害的因素。船舶中主要的激励来源有螺旋桨、机械（包括主机、发电机、发动机、泵、风机等）和波浪。其中大部分的振动激励来自于螺旋桨。因为在船舶中，螺旋桨桨叶通过转动将水动力传承给桨轴，再由桨轴传给船体产生轴承力，另外螺旋桨也将水表面上的脉动水压力传送给船体，所以轴承力和水面的表面力是螺旋桨的主要激振来源，也就是桨激励的两种形式：轴频激励和叶频激励。影响螺旋桨系统激励的因素主要和桨叶的形状参数，船尾部的设计造型以及航行速度有关。螺旋桨在船的尾部工作时，会让桨叶周围的水受到船体运动的影响而产生桨漩涡涡流，这种追随船体运动的水涡流就叫做伴流，这是由叶频激励产生的。这些水伴流会在船后形成一股具有轴心向的伴流场。所以说如果将轴向伴流速度设定为Ua，进入螺旋桨盘面上的水流速度为Va，航速为Vs，那么航速、进速和轴向伴流速度三者之间的关系就是Va=Vs-Ua。
船舶是一个复杂的弹性组合体，它和局部机械的联系是很多的。例如和柴油机。船舶柴油机在工作时会对船舶的局部产生干扰力，这主要是由柴油机运动部件的惯性形成的一种不平衡的力矩，即气体爆炸压力产生的侧向压力和倾覆力矩。因为柴油机的机座与船体是一个有效的弹性体，所以柴油机在运行时就会给船体带来扭转振动，这也是一种由船舶内部的动力系统带来的船舶振动现象。
二、上建结构
船舶的结构复杂，主要包括船壳板、船体骨架、甲板、船舱和上建结构。其中船舶的上建结构就是上层建筑，即船舶主甲板以上的建筑。上层建筑主要用来布置不同用途的船舱舱室，主要包括生活区、工作区、储藏区和仪器设备区。
上层建筑包括首楼、桥楼和尾楼，其他的建筑被称为甲板室。整体被称为“船楼”。
（一） 上建结构的局部振动控制理论
引起船舶上层建筑振动的原因主要由外界激振力频率与上层建筑固有频率发生共振两种。
一般对于上建结构的振动控制分析会用到有限元法。它对上层建筑和船体分别进行离散化，就可以得到M-K-C系统。所以对一般的受控结构系统，就可以知道它应有的运动方程是：Mq+Cq+Kq=P（t）。P（t）包含了激振力和主动控制力。那么就可以把运动方程变化成描述状态的：x=Ax+BP（t）。其中：
此方式表达了在存在激振力的条件下，船舶会发生强迫振动。如果t值是无极限时，x（t）就不会趋近于0，它就不满足线性系统二次指标品质问题的条件。如果将Mq+Cq+Kq=P（t）改为Mq+Cq+Kq=Q（t）+v（t），其中Q（t）是激振力，v（t）是主动控制力，所以得出x=Ax+BQ（t）+Bv（t）。所以说在船舶结构系统中，系统的相应包括了两个部分，其中一部分与激振力Q（t）有关，另外一部分与主动控制力v（t）有关，所以x=x1+x2，其中要满足 x1=-Ax1+Bv（t），x2=Ax2+BQ（t）+Bv2（t），v1要满足线性系统二次指标品质问题的条件，所以v1=R-1BTPx=-Gx。其中nXn矩阵中P是Riccati方程的唯一一个对称的正定解，也就是
按照数值解法求解Riccati方程就可以得出P的数值。对于v2，在上建结构中，振动是由基座处的支承运动引起的，因为基座处的运动响应与激振力的大小有相当的关系，所以在上建结构的振动控制中，v2（t）与支座处的运动相应也有关。通过上述条件我们就可以得出船舶上建结构中的主动控制力是V（t）=V1（t）+V2（t）。
（二）上建结构振动频率的分析
对船舶振动频率的估算可以帮助船舶设计从而减小振动对船舶带来的影响。目前在世界船舶领域对船舶上层建筑整体纵向振动固有频率的算法有两种：一种主要是从上建结构的尺度入手，包括船体上层建筑的总高度、长度和各层建筑的高度以及层数等；另一种是将上层建筑根部固定在船体上的剪弯振动固有频率和刚体回转振动固有频率两个参数，采用公式计算出上层建筑整体的纵向固有频率。即： 。
在此公式中，fc是上层建筑的整体纵向振动固有频率，fs是指上层建筑根部的纵向剪弯振动固有频率，fr是刚体回转振动固有频率。根据上层建筑根本固定时，上层建筑会产生剪切振动，所以它的固有频率应该是：
其中H是甲板以上上层建筑的总高度，m和n是上层建筑的总层数，i是由下而上的层数，Mi是第i层上层建筑质量， 为第i层质量系数，Si为第i层剪切面积，G为材料的剪切面。所以我们可以得出：
对于上层建筑整体纵向振动固有频率的计算为：
此公式可以通过刚度参数、等效刚性系数、弯曲振动系数、剪弯振动固有频率和刚体回转振动固有频率等具体数值，计算出上层建筑纵向振动固有频率的最终值，并可与实测值进行对比验证其准确性。
（二） 具体计算实例
假设以一条50000DWT的油轮为基础进行仿真计算，它的船体梁有45个节点，其中有44个单元。那么它的上层建筑支承在船体梁的33号节点上，假设有7个节点，其中含6个单元。在螺旋桨方面，它具有三叶桨，转速达到190r/min，叶片频率是9.8Hz，力的大小是100t，它作用于船体桥梁的38号节点。如果用模拟叠加的算法就能求得船体梁上上层建筑的支承处位移，再通过求得支承激励下的相应的方法得到受控前上层建筑梁的顶部节点的位移相应。
其中全参数l=5000，r=1，所以就可以得到G=0.3847。所以对于船舶100t的激振力，如果控制力的最大值能够取到37t，到稳定状态后可以减小到17t，所以说，这种控制主控力控制方法用于船舶上层建筑的稳态振动控制是有效的。
总结：船舶振动对于船体本身和船上人员都会带来很大影响，本文通过对于船舶振动各方面的介绍和其上建结构的固有振动频率进行了简要的分析，表明了如果能够在船舶航行时掌握其局部的振动频率参数，对于未来的船舶设计和研究如何避免船舶产生振动是很有帮助的。
参考文献：
[1] 殷玉梅，赵德有.船舶上层建筑整体纵向振动固有频率预报方法研究[J].船舶力学，2011，15（5）.
[2] 邹利军.船舶上层建筑振动的最优控制分析[D].上海交通大学，1996.
[3] 马广宗，刘健宜，石慈忠.估算船舶上层建筑固有频率的新方法[J].中国船业，1986（6）.