Известно, что анализ вибрации судовых конструкций на стадии проектирования позволяет гораздо более эффективно удовлетворить нормативным требованиям, чем устранение вибрации на уже построенном судне. Средства воздействия на вибрацию корпуса судна ограничены, поэтому анализ вибрации желателен уже на ранних этапах проектирования.
Наибольшую сложность представляет вибрационное проектирование конструкций в кормовой оконечности. Главным образом это связано с неопределённостью возбуждающих сил. Основными причинами повышенной вибрации пластин и перекрытий в этом районе являются:
- гидродинамические давления от винтов (имеют наибольшую интенсивность и ширину спектра при возникновении кавитации);
- возбуждение от МОД;
- кинематическое возбуждение опорного контура от общей ходовой вибрации корпуса (может вызывать большие вибрационные напряжения при контакте с жидкостью [1]);
- различного рода резонансы.
Исключение резонансных колебаний представляет большую проблему не только в связи с широким спектром возбуждающих сил на разных режимах загрузки и работы судна, но также вследствие неконтролируемого влияния различных технологических и эксплуатационных факторов на частоты собственных колебаний конструкций. Такими факторами являются: остаточные деформации; остаточные и эксплуатационные напряжения; переменный уровень жидкости в цистернах и др.
В частности, при вибрации пластин обшивки с начальными деформациями и напряжениями проявляются существенные нелинейные эффекты. На рис. 1 представлен пример амплитудно-частотной характеристики пластины с начальной погибью. В этом случае возможны вибрационные хлопки в широкой окрестности линейного резонанса идеальной пластины. Их появление может быть вызвано нестационарными возмущениями, например, ударами, акустическими волнами, передаваемой через фундаменты вибрацией и т. п.
Рис. 1. Примеры амплитудно-частотных характеристик:
1 – при линейных колебаниях плоской пластины;
2 – при нелинейных колебаниях слабо изогнутой пластины
Однако если пластинам искусственно придать начальную погибь, величина которой существенно превосходит амплитуды вынужденной вибрации, но в тоже время остаётся малой (порядка нескольких сантиметров), то вибрационные свойства обшивки улучшаются: влияние случайных отклонений формы становится незначительным, жёсткость повышается, низкочастотные резонансы исключаются.
В качестве примера рассмотрим стальную обшивку (например, переборки, ограничивающей цистерну) с начальной погибью между балками набора по цилиндрической поверхности (рис. 2).
Рис. 2. Расчётная схема обшивки с начальной погибью
Для упрощения задачи считается, что балки набора не смещаются, а закрепление обшивки на балках считается шарнирным. Параметры модели: шпация 0,7 м; толщина 10 мм. С вогнутой стороны обшивки находится вода.
Результаты численных расчётов при разной величине погиби представлены в таблице и на рис. 3 [2].
Рис. 3. Влияние начальной погиби на собственную частоту 1 тона
По этим результатам можно сделать следующие выводы:
- даже небольшая начальная погибь очень существенно увеличивает собственные частоты (при h/a = 0.03 для 1 тона - более чем в 3 раза);
- наличие жидкости более чем в 2 раза снижает собственные частоты пластин;
- при h/a > 0.03 собственная частота изменяется мало;
- учитывая, что обшивка перекрытий судна практически всегда имеет малую начальную погибь, вызванную технологическими и эксплуатационными воздействиями, а также может частично или полностью контактировать с жидкостью, реальные собственные частоты пластин являются случайными величинами, изменяющимися в широком диапазоне;
- приданием пластинам криволинейной формы можно достаточно эффективно регулировать спектр собственных частот конструкций, повышать их жёсткость и делать более «управляемыми» их характеристики.
Ссылки:
1. Чувиковский В.С. Численные методы расчётов в строительной механике корабля. – Л.: Судостроение, 1976.
2. Чижиумов С.Д. Пример вибрационного проектирования обшивки на основе численного моделирования // Сборник трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова, Владивосток, ДВГТУ, 2000.
| 
