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前言
美国航运局认识到整个船舶的振动是保证船舶有可居住性，安全性和功能性的重要举措。 “ABS船舶振动指南”旨在为用户提供有关设计，分析，测量程序和标准的具体指导，以达到将船舶振动限制在可接受水平的目标。 在本文中，这个文件被称为“指南”。船舶的船体，上层建筑和甲板室的设计和建造应基于“钢结构建筑和分类（钢质船规则2006）”ABS规则的所有适用要求。具体而言，对于长度超过130米的集装箱船，ABS钢船规则要求考虑船体结构的振动响应（5-5-3 / 13.1）。船舶的船体，上层建筑和甲板室的设计和建造应基于“钢结构建筑和分类（钢质船规则2006）”ABS规则的所有适用要求。 具体而言，对于长度超过130米的集装箱船，ABS钢船规则要求考虑船体结构的振动响应（5-5-3 / 13.1）。 对于液化天然气运输船，ABS钢船规则要求特别注意由于船体振动（5-8-4 / 4.2）造成的膜塌陷的可能性。 结合推进轴系对中，ABS钢制规范要求考虑推进轴的振动（4-3-2 / 7）。对于货运和客运船舶，无线电通信局根据船员的可居住性和乘客舒适度提供了可选的分类方法（ABS船舶乘客舒适性指南和船员适应性指南）。 并且无线电通信局还提供机械振动状态监测计划（7-A-14 / 5.1.2基于预防性维修技术的ABS调查指南）。这些说明提供了有关构思设计的实用指南，以帮助船舶设计人员在早期设计阶段避免舰船过度振动。 这些指导说明还有助于基于有限元分析（FEA）的振动分析程序来计算振动响应并在详细设计阶段评估设计。 分析程序代表了该局目前的分析实践。 这些指导说明还提供了关于海上试验振动测量程序的指导原则和基于国际标准和无线电通信局惯例的振动限值验收标准。这些指导说明是在2006年发布的。欢迎使用这本指导性说明的用户与海事局联系，提出有关这些指南的问题或意见。 建议用户定期与美国航运局进行核对，以确保这些指导说明的版本是最新版本。
激振
一 介绍：
首先解决主振动激振源是合适的，因为在高激振水平下，过度振动几乎可以独立于系统结构特性而发生。 一般来说，主要来源是低速柴油主机和螺旋桨。 通常认为燃气轮机比柴油发动机具有更少的激振。 因此，在本节中，主要研究低速主柴油机的激振。
二 低速主柴油机：
近年来，发动机制造商在减少振动激励方面取得了重大进展，主要是安装在发动机上的力矩补偿器。 发动机制造商采取的步骤应针对新船的主发动机规格加以解决。 在这方面，船厂或船东在技术上对这个问题有所了解是很重要的。 柴油机振动激励可以被认为是由三个周期性的力分量和三个周期性的力矩分量组成的。 实际上，沿着发动机轴线的周期性力分量固为零，并且一些其他部件通常根据特定的发动机特性平衡到零。内燃往复式发动机有两种截然不同的力量。 它们是：（a）由燃烧过程引起的气体压力（导向力偶）和（b）往复运动和旋转的发动机部件（外力）的加速度产生的惯性力。 图1的第3部分显示了作用在柴油机上的典型外力和力矩。
图一： 外力与作用力矩
根据气缸数量和点火顺序，作用在十字头上的导向力由横向反作用力产生。 引导力耦合引起发动机的摇摆（H对）和扭转（X对），如图2的第3部分所示。由相互作用力引起的发动机横向振动可能引起与发动机基础结构的共振。 在构思设计阶段的一个可能的解决方案可能是考虑横向受力（顶部支撑），将发动机的顶部结构连接到船体。
图二：一对参考作用力
垂直力和力矩是船体振动激振的首要考虑因素，横向力和力矩也是由于惯性效应不平衡造成的。 对于超过两个气缸的发动机，这是船舶需要引起注意的情况，垂直和横向惯性力分量在发动机基础上通常平衡到零。 留下了相关的垂直和横向力矩。 瞬间振幅的值通常在制造商的特定发动机规格中列出。目前使用的大多数低速船用柴油机有6个或更多的汽缸。 因此，二次垂直力矩M2v通常被认为对船体振动影响最大。 但是，取决于具体的气缸数量，一次或更高次力矩可以与二次力矩一样大。 在这种情况下，应该进一步考虑第一个或更高阶的时刻。直到第三或第四的船体梁的固有频率可以高达二次垂直力矩的每次两次回转激励。 船体梁比前三或四个模式灵敏度降低，可能不太受关注。 因此在构思设计中推荐以下步骤：
- 二阶垂直力矩M2v是最受关注的柴油机激振。 潜在的危险是使较低的船体梁垂直模式之一与较大的二阶垂直力矩共振。 尽可能早地向潜在的主机制造商要求M2v的价值。
- 功率不平衡（PRU）值可用于确定M2v的可接受水平
如果PRU超过220 N-m / kW，则建议进一步关注。 在最初的发动机选择阶段推荐的动作可以是改变发动机选择或安装发动机制造商提供的力矩补偿器。 否则，船体纵梁的垂直响应要在可接受的水平内通过计算进行检查，无需安装补偿器
- 由于X型和H型力矩引起的发动机横向振动可能会在发动机室底部结构中产生过度的局部振动，这取决于发动机机架刚度和发动机安装情况。 在发动机结构上安装横向支撑件将在设计初期阶段解决。
三 船体伴流：
船体伴流是避免不可接受的船舶振动的最关键方面之一。 螺旋桨引起的振动问题通常始于船尾开口区域的不利的船体线条，如螺旋桨必须在其中运行的非均匀伴流所表现的那样。 不幸的是，螺旋桨激振比内部机械源的激振难以量化。 这是因为在非均匀船体伴流中操作的螺旋桨的非稳定流体动力学的复杂性。 事实上，不均匀的船体伴流是最复杂的部分; 不幸的是，它也是最重要的部分。 如果螺旋桨盘流入是圆周均匀的，则在船舶设计中螺旋桨引起的振动不是考虑因素。 对螺旋桨激振的任何处理都必须从考虑船体伴流开始。对于工程简化，基本概念允许船体尾迹的周向不均匀性，但为了稳定运行，假设船舶固定坐标系中的尾迹是时间不变的。 标准伴流数据来自拖曳水箱中的模型尺度测量结果，以等高线图形式显示，或以螺旋桨盘中不同半径处速度与角位置的曲线显示。 第3部分，图3显示了典型的常规船尾商船的轴向和切向速度分量。在图3的第3部分上的位置角theta;被视为正向逆时针向前看，并且x是正向向后。 在船舶前进速度U上，轴向伴流速度VX和切向伴流速度VT是无量纲的。注意，轴向速度关于上止点（偶函数）是theta;对称的，而切向速度是不对称的（奇函数）。 由于船体相对于螺旋桨盘的横向对称性，这是单螺旋桨的特征; 当然，这种对称性在双螺旋船中当然不存在。上图所示的伴流代表了两种典型不同类型船舶伴流中的一种。 常规船尾鳍水流特征基本上是水线流动; 流线沿着船尾鳍进入螺旋桨盘或多或少是水平的。 沿螺旋桨盘前方的陡峭臀部线的流动分量很小。 所产生的伴流的占主导地位的轴向速度场在所有半径处沿垂直中心线垂直贯穿盘
图三：典型商船的正常伴流分布
这个缺陷是船尾迅速前进的弊端。 螺旋桨盘中的切向流动是朝向自由表面的向上流动的分量和相对于基线的任何盘倾斜的组合，其要小得多。为了概念的目的，这种伴流的理想化是放置在螺旋桨前方的深垂直支柱后面的二维流动。 在这种理想化中，轴向速度分布是垂直不变的，并且任何切向速度分布（由于盘倾斜）都是围绕垂直盘轴线不对称的。 这个基本特征在第3部分，图3中展示。
图4 不同的轴系布置：敞水支柱式船尾（上图）; 传统的艉鳍（下图）
一个特征不同的伴流与支撑或驳船式船尾有关，图4中第3节的上部，在螺旋桨盘上方有一个大的计数器，并且立即有最小的不规则性。尽管开放的支撑船尾对于任何速度的振动最小化（假设尾部线不太陡峭），但发动机在这种尾部类型下进一步向前，以适应在高速船舶中使波浪阻力最小化所需的更精细的船尾线。这种类型的船尾的流动特征基本上沿着船体纵剖线，而不是水线。一些伴流不均匀性可能由前向附件（如支柱和轴承）或轴倾角产生，但根据相对盘位置的主要伴流缺陷将会是逆边界层开销。在这种情况下，假设最小的轴倾角，再次存在大量的轴向伴流，但仅在盘的顶部。通常，只有叶尖穿过顶部边界层，并且轴向伴流缺陷仅出现在顶部死点附近的极限半径处，而不是沿着垂直中心线的所有半径处，如在常规单螺旋桨船尾的情况。正如传统船尾的情况一样，支撑船尾的切向圆盘速度通常很小;通过螺旋桨盘的垂直向上速度比将具有尾倾角和轴倾角之和的切线量级的平均值。驳船尾部的理想化作为传统尾部伴流的垂直支柱理想化的续集，是螺旋桨上方的水平平板。这里，轴向伴流不均匀的程度取决于螺旋桨盘和边界层之间的重叠。由于平板边界层仅产生轴向缺陷，所以切向（和径向）伴流分量完全归因于该理想化中的轴倾角。
3.1 船身螺旋桨间隙
两种基本不同的伴流类型之间的区别有助于理解螺旋桨叶片和当地船体表面之间的间隙的重要性。 首先，将螺旋桨的船体表面激励考虑为两种效应对分析问题是有益的：
- 伴流效应。 根据指定的螺旋桨重新安置将伴流入流改变为螺旋桨，但是螺旋桨实际上固定在相对于船体的位置上。
- 衍射效应。 改变相对于船体的螺旋桨位置的影响，但是随着螺旋桨的伴流流入保持固定。
这是一个常见的误解，螺旋桨 - 船体间隙的关键性主要与衍射效应有关。 相反，分析表明，对于伴流入保持不变，螺旋桨引起的激励水平对螺旋桨位置的近场变化相对不敏感。 螺旋桨叶片压力和空泡开始对伴随间隙变化的伴流不均匀性的变化具有高灵敏度，所述变化指示需要最小间隙。 一般来说，随着螺旋桨 - 船体间隙的减小，伴流梯度变得更加极端。鉴于上述事实，将考虑传统的和支撑尾部的伴流类型。在传统的单螺旋船舶上，通常可能会过分强调孔径间隙。从垂直间隙的角度来看，这种船尾类型的螺旋桨上方的通常窄的定标器上没有明显的边界层。此外，从船尾鳍的垂直支柱理想化角度来看，轴向速度分布对于垂直盘位置是不变的。在传统的船尾情况下，垂直顶部间隙的关键项目似乎是上部船尾鳍区域的水线坡度。平坦的水线结局可能导致局部分离，并且上盘中的尾迹梯度大大超过简单支柱理想化的结果;那么“钝支撑”理想化会更合适。传统的船尾箱中的前后间隙通常不如垂直间隙重要。随着距离的减少，伴流的速度非常缓慢。虽然增加叶片尖端和船尾鳍边缘之间的前后间隙当然起到减小尾迹严重性的作用，但是在这种间隙变化的通常限制范围内，可以稍微检测到减少量。由于局部水线钝性，在上部磁盘分离的情况下会存在例外情况。在这种情况下，分离腔的封闭区域在轴向速度上表现出很大的梯度。一些船尾支柱船舶的伴流不均匀性来自于竖支柱和相对较高的轴倾角，这些倾斜通常需要维持25％的顶部间隙。 在正确对准流量的情况下，轴支柱在伴流中产生高度局部化的不规则性，这在产生振动激励时通常是无效的。 尽管从高度倾斜的螺旋桨轴向前流出的分离流可产生严重的轴向缺陷，但轴倾斜的主要影响是通过螺旋桨盘的相对向上流动。 在3点和9点钟的叶片位置产生的空泡现象已被证明是噪音和小叶片空泡的主要原因，但是对于支柱船尾来说，所产生的船体振动激发并未被发现具有重要意义。25％螺旋桨直径的最小垂直顶端间隙或多或少被认为是商业惯例和海军的标准。 与前面的分析一致，以下列出了为避免过度的螺旋桨引起的振动而按优先顺序排列的船尾布置的推荐配置：i）单/双螺纹支柱船尾
bull;最小垂直顶端间隙不应小于螺旋桨直径的25％。
bull;相对于基线的轴倾角不应超过5度。
bull;相对于柜台臀部角度的轴倾角不应超过10度。 参考第3部分，图5。
图5 敞水支柱式船尾布置
- 传统支柱式船尾和船毂。
bull;从螺旋桨顶部正前方孔口入口到垂直中心平面的水线角度不应超过35度。 参考第3部分，图6。。
图6 传统的尾鳍布置
bull;就螺旋桨叶顶间隙而言，如前所述，传统的尾鳍船不如支柱船严重。 在实践中，通常采用螺旋桨直径的25％和螺旋桨直径的40％的向前间隙的最小垂直顶端间隙作为惯例。
- 如果在构思设计中无法实现这些限制，建议继续进行模型试验和/或直接计算以确认或建立船尾线。
四 螺旋桨：
在不利的伴流情况下，螺旋桨的修改通常需要获得补偿装置。 结合第2/5小节中确定为关键的三个主要项目，主要关注两种类型的激振
- 轴系和机械的交替推力激振纵向振动，以及
- 船尾计数器上激励船体和上部结构振动的垂直压力。。
4.1交替推力：
轴系/主机械系统纵向振动的激励发生在叶片速率频率（螺旋桨转速times;叶片数量N）及其倍数。然而，基波通常比其谐波大得多。交替推力是由船体尾迹的叶片数圆周谐波产生的。这表明叶片数越高越好，因为尾波谐波序列确实收敛。然而，在典型的叶片数4,5和6的情况下，尾迹谐波级数收敛不是很好的组织，并且不是主要考虑因素。事实上，随着传统的单螺旋桨船尾，较低的交替推力有利于奇数叶片螺旋桨。这是因为，对于均匀叶片式螺旋桨来说，沿螺旋桨轴线上下垂直中心平面的特征伴流尖峰的相对叶片阵列。这种伴流特征在第3/5分节中讨论了船体伴流。对于尾鳍船舶来说，在伴流的基础上通常没有多少桨叶偏差。存在关于螺旋桨叶片“歪斜”在减少振动激励方面的有效性的误解。 倾斜是带有半径的刀片的切向“包裹”。 正斜率是在与旋转方向相反的角度方向上。 对于传统的单螺旋船舶伴流的情况，已经讨论过，船尾鳍的阴影产生沿盘垂直中心线集中的严重轴向伴流缺陷。 常规推进器的叶片从轮毂射出（即，叶片中弦线或多或少是从轮毂中心线发出的直射线）。 这种“未扭曲的”叶片突然遇到在顶部和底部死点叶片位置处的传统船尾尾迹的轴向速度缺陷。 突然相遇的径向同相特征导致高的净叶片载荷和辐射压力。通过垂直尾迹缺陷的叶片更平缓的进展通过弯曲叶片来完成。 不同的半径在不同的时间进入和离开唤醒峰值; 消除导致叶片负载和辐射压力的径向积分，其结果是潜在地显着减少了振动激励。百分比偏斜是相对于通过螺旋桨轮毂部分的中弦的叶片光线除以叶片间距角度的叶片尖端偏斜角（例如，对于5个叶片，叶片间距角度为72度
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