§ 62. Понятие об общей и местной вибрации корпуса

Вибрация — это развитые установившиеся или неустановившиеся колебания корпуса или отдельных его конструкций. Как и всякое колебание, вибрация характеризуется амплитудой и частотой. Амплитуда — максимальное отклонение от положения равновесия. Частота — число колебаний в единицу времени, измеряется в герцах (Гц).

Колебания корпуса и его отдельных элементов могут быть свободными и вынужденными. Свободные колебания — это колебания, которые совершает тело, выведенное из равновесия и предоставленное самому себе. Свободные колебания вызываются возмущающими нагрузками ударного характера (ударная волна взрыва, удары судна о волну во время шторма и т. д.).

Рис. 15.15. Формы колебаний корпуса: а — двухуз-лового поперечного вертикального первого тона; б — трехузлового поперечного вертикального второго тона; в — четырехузлового поперечного вертикального третьего тона; г — одноузлового крутильного.

Независимо от отклонения, которое сообщается корпусу в начальный момент, совокупность порождаемых им колебаний всегда можно разложить на простейшие колебательные движения, каждое из которых отличается своим периодом, скоростью и специфической формой. Эти простейшие свободные колебания системы называются главными. В случае свободных колебаний начальное возмущение системы уже в начальный момент движения распадается на отдельные главные колебания, которые протекают затем во времени по только им присущим законам, определенным устройством системы. Количество различных главных свободных колебаний системы равно числу ее степеней свободы, т. е. числу тех линейно независимых перемещений, которыми может быть определено положение всех ее масс в любой момент времени. В состав корпуса судна входит бесконечное множество элементарных масс, поэтому число разных главных свободных колебаний судна также бесконечно велико. Форма колебаний — это форма изгиба, соответствующая данной частоте (рис. 15.15). Она зависит от тона колебаний и задается при расчете вибрации.

Формы деформации корпуса различаются в основном числом узлов, т. е. числом сечений, которые при деформации остаются неподвижными. Расположение этих узлов по длине корпуса, а также форма колебаний вне их в каждом частном случае обусловлены распределением моментов инерции сечений и массы корпуса по длине. В зависимости от количества узлов колебания называются одноузловыми (первого тона), двухузловыми (второго тона), трехузловыми (третьего тона) и т.д. (см. рис. 15.15). Наибольшим периодом, т. е. наименьшей частотой, обладает колебание первого тона; каждое главное колебание последующего тона имеет меньший период, т. е. большую частоту, чем колебания предыдущего тона; поэтому главные колебания корпуса называют также колебаниями первой (основной), второй частоты и т. д.

Расчет свободных колебаний судового корпуса позволяет найти частоту и форму главных свободных колебаний. Эта информация необходима для последующего расчета вынужденной вибрации судового корпуса. Чтобы избежать резонансных колебаний, необходимо знать частоту свободных колебаний.

Резонанс — явление, которое характеризуется тем, что частота возмущающей силы совпадает с одним из собственных

начений частоты конструкции. Явление резонанса характеризуется резким увеличением амплитуды.

Корпус судна представляет безопориую балку переменного сечения с неравномерно распределенной по длине массой. В соответствии с этим можно выделить основные виды вибрации судового корпуса, непосредствено связанные с характером возмущающих сил:

поперечные вертикальные колебания корпуса, совершаемые параллельно ДП, — эти колебания вызываются возмущающими силами, действующими в вертикальном направлении;

поперечные горизонтальные колебания, совершаемые в горизонтальной плоскости, параллельной плоскости ватерлинии,— эти колебания вызываются горизонтальными силами;

продольные колебания, при которых судовой корпус испытывает лишь осевые деформации: каждое поперечное сечение корпуса после перемещения остается параллельным своему первоначальному положению. Продольные колебания вызываются воздействием на корпус пульсирующей составляющей упора винтов;

крутильные колебания, при которых одни сечения судового корпуса закручиваются относительно других, поворачиваясь в своей плоскости, — эти колебания возбуждаются крутящими моментами.

Для реального судна каждый указанный выше вид колебаний практически не существует в чистом виде. Обязательно присутствуют одновременно несколько основных видов колебаний. Однако степень связи между различными видами колебаний неодинакова. Наиболее сильно взаимосвязаны поперечные горизонтальные и крутильные колебания. Связь между вертикальными и горизонтальными колебаниями весьма слабая, поэтому вертикальные поперечные колебания судового корпуса рассчитывают, как правило, независимо от других видов колебаний.

Вибрация корпуса может быть вызвана периодическими усилиями от работающих на судне неуравновешенных механизмов и винтов, а также ударами волн во время шторма. При действии периодических сил, возникающих при работе гребных винтов или неуравновешенных судовых машин и механизмов, возникает вынужденная или так называемая ходовая вибрация судна. Винты передают на корпус периодические усилия непосредственно через линию валопровода. Кроме того, при работе гребных винтов возникает пульсирующее поле гидродинамического давления, действующего на обшивку корпуса. Наибольшего значения эти виды давления достигают в районе расположения гребных винтов на участке длиной, примерно равной диаметру винта.

Возмущающие силы первого порядка с частотой, равной частоте вращения гребного вала, создают ходовую вибрацию пер-

вого порядка. Помимо вибрации первого порядка наблюдается еще так называемая винтовая (или лопастная) вибрация z-го порядка с частотой  = nz, где п — частота вращения вала; z — число лопастей гребного винта. Лопастная частота обусловлена преимущественно пульсирующим давлением, которое передается на корпус через воду.

Периодические усилия вызывают колебания корпуса судна как балки, а также колебания его конструкций, элементов. Колебания корпуса судна в целом называют общей вибрацией судна, а колебания отдельных его конструкций — местной вибрацией. Как правило, общая вибрация всегда сопровождается местной. При общей вибрации корпуса судна происходит смещение опорных контуров судовых перекрытий, пластин, балок, что и вызывает их местную вибрацию. Местная вибрация в отдельных случаях может оказать заметное влияние на параметры общей вибрации корпуса. Такое влияние наблюдается при условии, если частота свободных колебаний корпуса как балки близка к частоте свободных колебаний конструкций. Заметное влияние на общую вибрацию могут оказать лишь конструкции, обладающие значительной массой (например, судовые перекрытия, надстройки и т. п.).

Ходовая вибрация судна отрицательно влияет на его эксплуатационные качества: создаются дополнительные помехи в работе отдельных судовых механизмов и приборов; в местах усиленной вибрации возникают усталостные разрушения связей корпуса судна и отдельных деталей механизмов; вибрация вредно влияет на здоровье команды и пассажиров, снижает их работоспособность. Поэтому общая и местная вибрация обязательно нормируется по частоте и амплитуде, а местная вибрация еще и по допускаемым напряжениям [15].

С целью уменьшения вибрации корпуса от работы гребных винтов при проектировании предусматривают конструктивные меры по снижению вибрации:

покрытие участков днища в районе гребных винтов резиной:

поддув воздуха к днищу корпуса над гребными винтами с целью создания воздушной пелены, которая играет роль демпфера между сплошной жидкой средой и обшивкой корпуса;

устройство в корпусе судна над гребными винтами специальных ниш. Открытые ниши уменьшают пульсирующие давления (чтобы уменьшить сопротивление воды, ниши закрывают листом обшивки с отверстиями);

используют различного рода виброгасители. Особенно эффективны они при гашении вибрации отдельных механизмов, работающих в строго определенном частотном режиме. Для гашения общей вибрации виброгасители не применяют.

Отрицательные последствия ходовой вибрации можно избежать или хотя бы уменьшить лишь путем уменьшения ее параметров (перемещений, скоростей и ускорений). Для этого необходимо прежде всего располагать методами расчета ходовой вибрации.

До сих пор в расчетах общей вибрации судовой корпус моделировался непризматической балкой. Во многих случаях использование такой простой модели в расчетах вибрации приводит к результатам, достаточно близким к экспериментальным данным. Однако для некоторых новых типов судов (контейнеровозов, лихтеровозов, супертанкеров) использование балочной модели может привести к недопустимым погрешностям. При расчетах вибрации таких судов используют пространственную стержневую модель, а в последние годы с целью уточнения расчетов по вибрации судового корпуса все чаще прибегают к использованию метода конечных элементов (МКЭ).

Для расчета вибрации необходимо иметь кривые распределения по длине судна моментов инерции относительно вертикальной и горизонтальной осей и кривые распределения масс. Особые трудности в расчетах вибрации возникают при определении присоединенных масс воды. Судно совершает колебания в жидкости; колебания судовых конструкций возбуждают частицы жидкости, окружающей судно. Жидкость оказывает на конструкцию силовое воздействие, т. е. в свою очередь влияет на ее колебания. Поэтому расчеты вибрации корпуса необходимо выполнять с учетом массы присоединившейся воды.

Для определения собственной частоты колебаний корпуса судна на ранних стадиях проектирования пользуются приближенными формулами [15].