内河破冰船的冰激船体结构振动与舱室噪声试验研究

摘要

破冰船在冰区破冰过程中必然受到破冰载荷的作用，当冰带区船体结构受到破冰激励载荷作用时，该区域船体结构将发生剧烈的振动响应，当这种冰激结构振动能量传递至船体其他区域，也可能引起该区域的船体结构产生一定程度的振动响应，这种由破冰所导致的船体结构振动与舱室噪声响应增大的现象，可能会对船上人员的正常生活与工作造成影响。针对破冰船在破冰作业时的由冰载荷引起的冰激船体结构振动与舱室噪声问题，通过开展实船破冰振动与舱室噪声测试试验来分析冰激船体结构振动与舱室噪声特性将具有重要的意义。
　　介绍了用于此次实船破冰振动噪声测试试验的破冰船的主要参数及其破冰方式，以及试验所用振动与噪声信号的测量与采集仪器的性能参数与主要用途;在综合考虑了影响冰激船体结构振动的主要因素与试验冰区的冰况及破冰船破冰能力的基础上，制定了基于冰况与破冰速度这两个参数的破冰试验测试工况;根据船上结构振动与舱室噪声的相关标准，参照船体结构图与舱室布置图，制定了破冰试验过程中的振动加速度传感器与噪声传声器与声级计的布置方案。
　　采用对信号分段截取与短时傅里叶变换结合的方法对采集的振动加速度信号进行处理得到时频域上分析精度满足要求的加速度幅值谱;分析了破冰速度与冰况两种因素对破冰船各主要区域的冰激船体结构振动的影响;随着在完整冰区的破冰速度逐渐增大，冰激船体结构振动响应随之增大;破冰船在完整冰区破冰时，其振动加速度谱是谱线较为丰富且峰值较大的宽带响应谱，相比之下，漂浮冰区航行时的振动加速度谱的响应峰略显单一且峰值略低;在破冰船主甲板与驾驶甲板区域，对于局部板格中心、横梁跨中以及纵桁与横梁交叉处这三种典型的板架结构位置，在破冰过程中，其振动加速度响应有依次减小的关系，这种情况在破冰船各主要考察区域均有所体现。通过对冰激结构振动的时历曲线进行分析，初步认为冰激船体结构振动属于连续破冰载荷激励下的非稳态随机振动。
　　通过对不同试验工况下的各舱室声压幅值谱以及倍频程谱进行分析后，发现在破冰过程中，船舶各舱室的噪声普遍增大，将对船上各主要舱室的舒适性产生一定的影响;对于不同类型的舱室，其舱内声压频谱在响应峰值大小以及频谱特征上的差别较大;对于内部无设备噪声源且远离冰带作用区的舱室，破冰载荷引起的船体结构振动声辐射是导致其舱室噪声增大的主要原因，而且其舱室噪声谱的增大效应主要集中在200Hz内的低频段上;对于位于冰带作用区范围内且有舱口与外界空气相连通的舱室，破冰载荷直接作用于其舱壁板上，同时破冰产生的空气噪声直接传递至舱内，将导致该舱室噪声谱在500～2000Hz中高频段上显著增大;当破冰船在完整冰区破冰时，其舱内噪声声压谱的响应丰富且峰值较大，相比之下，在漂浮冰区航行时，其舱内声压谱的响应峰略显单一且峰值较小;随着在完整冰区破冰速度的提高，舱室噪声在整个频谱上呈现出增大的趋势，但对不同的舱室，在倍频程各中心频率处的增量变化有所不同。
　　对破冰船艏部冰带区的船体外板的形式进行合理简化，采用合理的冰载荷幅值计算方法与冰力学强度参数，计算了艏部冰带区船体外板的冰载荷幅值;结合结构的破冰振动加速度时历曲线特征与试验现场观测情况，估算得到冰层断裂长度的取值范围，据此计算了不同破冰速度下艏部冰带各区域的破冰载荷作用周期;结合船艏区域外板等结构的振动加速度时历曲线的特征与破冰试验过程中观测到的冰层受船体作用发生破坏的过程，合理假设了冰载荷作用周期内的时历特征，建立了本次破冰船在完整冰区破冰时作用于其艏部的动态破冰载荷模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 冰激结构振动的理论研究

1．3 冰激结构振动问题的国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

第2章 实船破冰结构振动与舱室噪声试验规划

2．1 实船破冰试验的目的

2．2 破冰试验工作船及试验测量仪器

2．2．1 破冰工作船概况

2．2．2 破冰船的主要破冰方式

2．2．3 破冰试验测量仪器

2．3 破冰试验测试工况

2．3．1 船与冰之间相互作用的冰况

2．3．2 破冰试验测试工况

2．4 破冰试验测点布置方案

2．4．1 船体结构振动测点布置

2．4．2 船舶舱室噪声的测点布置

2．5 本章小结

第3章 破冰试验的冰激船体结构振动响应分析

3．1 破冰试验振动加速度测试信号的处理

3．2 不同参数对冰激船体结构振动的影响

3．2．1 冰况对船体结构振动的影响

3．2．2 破冰速度对船体结构振动的影响

3．3 冰激船体结构振动对舒适性的影响

3．4 本章小结

第4章 破冰试验的冰致船舶舱室噪声响应分析

4．1 破冰试验噪声测试信号的处理

4．1．1 传声器测量信号的处理

4．1．2 声级计测量信号的处理

4．2 不同参数对冰激船舶舱室噪声的影响

4．2．1 冰况对破冰船舱室噪声的影响

4．2．2 破冰速度对船舶舱室噪声的影响

4．3 冰激船舶舱室噪声对舒适性的影响

4．4 本章小结

第5章 破冰冲击载荷的分析与建立

5．1 引言

5．2 冰层主要破坏模式与冰载荷计算模型

5．2．1 破冰时冰层的破坏模式

5．2．2 冰层破坏时的冰载荷幅值计算模型

5．3 破冰冲击载荷的建立

5．3．1 破冰载荷作用位置的简化处理

5．3．2 破冰载荷幅值的计算

5．3．3 破冰载荷的时历特征

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢