某船船体模态及振动测试

海军工程大学 船舶与动力学院 武汉 430033

船舶在使用过程中，随着服役年限的增长，其船体的机械性能将会发生一定的变化，从而使其动态特性也相应改变，这些变化主要通过其振动参数(如模态频率、振型等)的改变体现出来。因此，可以通过测试整体模态和局部振动检测相应的变化[1]。

船舶结构系统的振动模态分析与参数辨识是是船舶动态设计、振动控制以及利用振动信号的状态监测和故障诊断的基础[2，3]。随着电子技术与计算机技术的迅速发展，模态及振动测试和分析已成为解决船舶结构振动问题的主要工具。

船舶工作状态下的振动测试不但可以评价现有船舶动态特性，还可以用于识别船舶主要的振动源和噪声源，并为船舶机械的故障诊断提供基本数据。通过借助于试验与理论分析相结合的方法，对船舶结构进行分析和评价，从中找出船舶结构在动态性能上存在的问题，以确保船舶能安全、可靠及有效地工作。并为船舶的改进和设计提供可靠的依据。

1 时域法振动模态参数识别

船舶模态测试分析中关键技术是模态参数识别，它是从测试所得的数据中，确定振动系统的模态参数，其中包括模态固有频率、模态阻尼比、模态质量、模态刚度及振型等。目前参数识别分为频域法、时域法、时频方法及基于模拟进化的方法四大类[4-6]。本研究根据船舶模态测试分析的特点，采用时域法振动模态参数识别技术。

时域法是近年才在国内外发展起来的一门新技术，它可以克服频域法的一些缺陷。 特别是对大型复杂构件，如飞机、船舶及建筑物等受到风、浪及大地脉动的作用，所承受的荷载很难测量，但响应信号很容易测得，直接利用响应的时域信号进行参数识别无疑是很有意义的。

时域法是将振动信号直接进行识别。最基本、最常用的有Ibrahim时域法、ITD法、最小二乘复指数法(LSCE法)、多参考点复指数法( PRCE 法)、特征系统实现法(ERA法)和ARMA时序分析法。

本研究采用时间序列分析方法，对有序的随机数据进行分析、研究和处理。在以往进行频域谱分析时，常由于信号截断而引起泄露，出现旁瓣、分辨率低及信号被淹没等缺陷，而时间序列分析则与谱分析不同，由于时序谱是动态谱，观测数据能外延，因此不会由于观测数据的样本长度有限而产生上述缺陷。

2 实船模态及航行振动测试

根据前面的基本理论和实验方法，参照有关的标准规范，对东海某船船体进行有关模态测试以及振动测量。测量内容主要有船体低阶固有频率、振动加速度及振动速度。

实验测试系统的组成如图1所示。信号采集器为B&K公司生产的专用的八通道信号采集器。振动分析系统为B&K PULSE 多功能分析软件。模态测试采用抛锚激励法，即船舶在试验区静止后，将锚悬在锚穴下，将锚自由下落，锚下落的距离以不触及到海底为限，随之用锚链止链器迅速制动，使船体振动。记录全过程的振动信号并采用时间序列分析方法提取前两阶模态参数。

图1 测试系统的组

测量环境对测试结果有比较大的影响，相关标准规范要求试验区水深不小于19 m，离岸或其它建筑较远，海况不大于2级，水流平缓。试验时船的状态为满载，排水量误差不大于+2%，载荷分布接近设计状态，船体横倾角不大于0.5°，纵倾状态与设计状态一致，误差不大于0.05 m。

激振试验时船舶处于自由漂浮状态，船舶上的机械均停止运行，人员无随意走动或敲打。

航行振动测试试验时船舶直线航行，操舵角在±2°以内，其它非航行必须设备均停止运行，人员无随意走动或敲打。

模态测点测量方向为水平向和垂向，测点具体位置说明见表1。 航行振动试验和局部振动测点具体位置说明见表2。

表1 模态试验测点布置说明表

表2 航行振动测试试验和局部振动测点布置说明表

3 测试结果及分析

船体垂向及水平方向模态固有频率测量结果见表3，相应的模态振型见图2～5。

表3 模态固有频率

图2 垂向固有频率第1阶振型

图3 垂向固有频率第2阶振型

图4 水平向固有频率第1阶振型

图5 水平向固有频率第2阶振

航行试验振动测量时，测试工况为主机分别在1 000、950、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、370 r/min转速下保持直线稳定运行，通过对测试数据的处理与分析，得到了各工况下船体的振动加速度峰值在频率上的分布及诺模图[7]。以最高转速为例，主机运行工况为1 000 r/min时,1～4号测点部分测量数据见表4，表中“*”表示该点对应频率振动处于“可接收区”，其它测点均处于“良好区”。测点诺模图见图6。

表4 主机转速1 000 r/min振动速度峰值

图6 主机转速1 000 r/min测点1x-9z诺模

根据相关船舶船体振动评阶基准，航行试验中，在主机转速各测试转速工况中，除推力轴承顶部测点个别频率的振动幅值位于“可接受区”外，其它振动测点的振动幅值均处于“良好区”；在主机转速低于550 r/min后，各振动测点的振动幅值均处于“良好区”。

4 结论

通过对船舶模态的测试，可以发现船舶的模态频率及其振型，有利于工程人员对装备进行管理。通常船舶上的工作机械应该避免在模态频率附近的工况下运行，如果某些设备长期工作时不能避开船舶的某阶模态频率，那么这些装备应该安装在相关模态频率所对应的节点位置附近(该位置可以通过模态振型找到)。通过对船舶振动的测试，发现了其振动较为强烈部位，并提出建议，重点关注并采取适当的方法和措施改善其动态性能。通过定期船舶模态和振动的测试，可以发现船舶模态和振动的变化规律，从而观察船舶结构的动态变化，这样有利于评价船舶的结构性能，为船舶的维修和保养提供参考依据。

[1] 朱石坚，何 琳．船舶减振降噪技术与工程设计[M]．北京：科学出版社，2002.

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

[3] 张令弥.试验模态分析的进展[J].振动工程学报，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] 曹树谦等. 振动结构模态分析理论、实验与应用[M].天津:天津大学出版社，2001.

[6] 李德葆，陆秋海. 实验模态分析及其应用[M]. 北京:科学出版社，2001.

[7] 中华人民共和国国家军用标准. 舰艇船体振动评价基准[S].北京：中国标准出版社, 1990.