0 引　言

高速艇为满足高航速要求和提高经济性，要在满足安全性和适用性的前提下尽量减轻艇体重量，常采用轻质艇体结构，船体结构尺寸较小，导致其船体刚度较同类常规船型低。高速艇常采用高速主机和高速桨，其激励幅值较大，且激励频率高，不仅影响艇上人员的舒适性，也会对船体结构疲劳强度产生影响，因此高速艇的振动问题较常规船更为复杂^[1-2]。相对于总振动，高速艇局部振动问题更为突出，尤其是更靠近主要激振源的尾部区域，需要在船舶设计阶段采取适当的措施有效控制高速艇尾部局部振动。

喷水推进装置因其具有优良的高速机动性、高效率和低噪声等特点，在高速艇上应用越来越广泛。喷水推进泵内产生的激振力是引起船体振动的主要激振源之一，由其引起的高速船船体振动问题也逐渐引起了关注^[3-4]。喷水推进器与传统螺旋桨引起的激振力不同，其激振力的特性更为特殊复杂，目前国内外已有针对喷水推进泵内流场的压力脉动特性的相关研究^[5-8]，取得一定的研究成果，但目前尚无规范或成熟经验明确其引起的激振力计算方法。另外对于高速艇的船体振动评估，尤其是船长较小的高速艇，尚无针对性较强的适用规范。因此采用喷水推进的高速艇，其船体振动问题值得深入研究。

本文针对某喷水推进高速艇，对其尾部区域结构进行振动分析，将尾部结构离散为甲板、船底板、泵舱壁、尾封板等局部结构，采用规范经验公式对各尾部局部结构的板、板格进行固有频率计算，采用计及附连水质量的有限元模型对各尾部局部结构的板架固有频率进行计算，并按CCS《船上振动控制指南》关于局部振动的频率储备要求，对固有频率计算结果与轴频和叶频激励频率进行了频率储备校核。对频率储备不满足要求的局部结构，建立包含喷水推进器流道结构的全船有限元模型，基于喷水推进器的激励力进行了振动响应计算，根据《舰艇船体振动评价基准 快艇》对其振动响应进行校核评估。对采用喷水推进的高速艇的船体振动评估校核和船体设计具有参考意义。

1 高速艇局部振动衡准分析 1.1 固有频率储备衡准

船体振动的预防和控制，首要工作是防止船体总体或局部结构的固有频率接近主要激励源的激振频率而出现共振现象。因此要求设计的结构避开主要激振频率一定范围，形成一定的频率储备，避免产生有害共振。针对高速艇船体结构固有频率储备，目前尚无针对性的相关规范，国内主要参照CCS《船上振动控制指南》，如CCS《海上高速船入级与建造规范》对高速船的船体振动要求就是参见此指南^[9]。其中CCS《船上振动控制指南》2012版，对局部结构固有频率的频率储备无量化要求，只有要求避免最低固有振动频率与主要激励频率产生共振的定性描述^[10]。CCS《船上振动控制指南》2000版则对局部结构的固有频率频率储备有量化建议^[11]：局部构件固有频率应与主要激励频率错开，其中板和板格的固有频率应与主要的激励频率错开±50%，板架的固有频率与主要的激励频率错开±8%～±10%。若不满足频率储备要求，则需要进行振动响应计算，对振动响应值进行评估或实船测试。

1.2 振动响应衡准

目前船体振动响应的相关衡准，均有较为明确的适用船长范围和振动频率范围。其中针对高速艇的船体结构振动响应评估，目前国内外的船体规范中尚无针对性强的明确衡准。

目前国内外适用的相关规范，如CCS《船上振动控制指南》和DNV《Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft》中均有针对高速船的振动有相应的船体结构振动衡准^[12]，其适用范围是船长在35 m以上的高速船，对垂向、纵向和横向振动进行单独振动评估，评估的频率范围为1～100 Hz。

《舰艇船体振动评价基准 快艇》提出了基于螺旋桨激振等稳态激励的船体振动评价基准^[13]，其适用于水线长50 m以下的金属结构快艇，对垂直方向的振动单峰值进行评价，评估的振动频率范围为10～200 Hz。

本文结合所评估的高速艇船长和激励频率频段范围，选择相对适用的《舰艇船体振动评价基准 快艇》作为船体结构振动响应评价衡准。其评价基准是以2根评价基准线划分为3个区域，超过上限线为“建议改进区”，低于下限线为“良好区”，中间区域为“可接受区”，如图1所示。上限线在频率10～90 Hz时，以35 mm/s等速度线与频率在90～200 Hz时，以20 000 mm/s²等加速度线构成；下限线在频率10～50 Hz时，以15 mm/s等速度线与频率在50～200 Hz时，以4 500 mm/s²等加速度线构成。

2 尾部局部结构振动分析 2.1 有限元模型

计算对象为某高速艇，总长约20 m，最大航速为50 kn，采用2台喷水推进器推进。建立了全艇三维有限元模型，主要由壳单元、梁单元、杆单元组成。甲板板、舱壁板和外板、强框架腹板等采用壳单元模拟，纵骨及扶强材、加强筋、桁材面板等采用梁单元模拟，船体的质量模型按实际实船的质量分布，全船重量重心与实船保持一致。其中尾部的三维有限元模型如图2所示。

2.2 尾部局部结构固有频率计算及频率储备校核

本艇主要激励源位于尾部机舱段和泵舱段，因此按照CCS《船上振动控制指南》的要求，对艇体尾部的船底板、尾封板、泵舱壁和甲板的板、板格和板架的固有频率进行计算，并校核其频率储备。其中板为纵骨与横梁之间的最小板，板的宽度为纵骨间距；板格是带附连翼板的纵骨，板格宽度为1/6纵骨跨距，但不大于纵骨间距。局部构件中的板和板格的固有频率，采用CCS《船上振动控制指南》中板和板格固有频率经验公式进行计算，其中尾封板水线以上部分、甲板以及泵舱壁板不接触水，只需计算在空气中的固有频率；尾封板水下以下部分以及船底板单面接触水，因此需计算单面接触水时的固有频率。板架的固有频率采用有限元方法进行直接计算，并计及附连水质量的影响。

局部构件固有频率应与主要激励频率错开，其中板和板格的固有频率应与主要的激励频率错开±50%，板架的固有频率与主要的激励频率错开±8%～±10%。若不满足频率储备要求，则需要进行振动响应计算，对振动响应值进行评估。

本艇典型工况下的激励频率见表1。艇体尾部船底板、尾封板、泵舱壁和甲板的板、板格和板架固有频率计算结果及频率储备如表2~表4所示，部分板架有限元计算固有频率及振型结果如图3～图6所示。

从表2~表4各局部结构的固有频率频率储备计算结果可以看出，尾部船底板和尾封板的板、板格和板架的固有频率在各工况下均满足CCS振动指南中的频率储备要求；泵舱壁板的固有频率与全速工况下的叶频激励频率避开为39.6%，不满足局部板±50%的频率储备要求，泵舱壁板架的1阶固有频率与全速工况下的轴频激励频率避开为0.1%，不满足局部板架±8%～±10%的频率储备要求，其余泵舱壁板、板格和板架的固有频率在各工况下均满足频率储备要求；甲板板格和板架的固有频率均满足频率储备要求，甲板板的固有频率与巡航工况和全速工况下的轴频激励频率避开满足频率储备要求，但与全速工况下的叶频激励频率避开为39.9%，不满足局部板板±50%的频率储备要求。

2.3 尾部局部结构振动响应计算分析

针对不满足频率储备要求的泵舱壁和甲板局部结构，需计算该局部结构在激振力作用下的振动响应。振动响应计算以全船的有限元模型为计算模型，计及附连水质量的影响，对尾部局部结构进行频域瞬态响应分析，选取尾部泵舱壁和甲板结构中频率储备较小区域的速度和加速度响应值进行计算评估。

1）激振力分析

喷水推进的高速艇，其激振源主要为主机不平衡力和喷水推进泵激振力。在喷水推进器运行时，叶轮与导叶之间的相互作用、部分工况下的局部空化以及内部不稳定流动等，使得推进器内流体压力随时间快速变化，产生压力脉动，进而引起结构振动，出现水力激振。根据相关文献的研究成果^[5～8]，混流泵内压力脉动的振源主要位于叶轮与导叶交界处，且压力脉动自交界面处分别向上下游传播并逐渐减弱，最大压力脉动在叶轮进口，在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频。

2）激振力大小及施加

根据设备单位提供的设备激振力资料，主机1阶、2阶不平衡力和力矩为基本为0，全速工况时喷泵流道内叶轮叶频激励的表面脉动压力为：叶轮出口处至叶轮中心外表面处，P = 3814 Pa；叶轮中心处至流道入口，P= 53 214 Pa；叶轮前侧向首延伸段，P = 1343 Pa。选取的计算频率为0～168.8 Hz（叶频）。

喷泵叶轮叶频激励通过压力的形式施加于叶轮附近流道壳板上，施加形式如图7所示。

3）振动响应计算分析

基于上述计算模型和激振力，进行振动响应计算，并选取不满足频率储备要求的泵舱壁和甲板区域结构单元的速度或加速度响应值。全速工况下泵舱壁和甲板区域振动响应计算点的振动响应计算结果如图8和图9所示。可知，泵舱壁和甲板计算点的速度响应最大值分别为4.95 mm/s和6.03 mm/s，对应频率为69 Hz，对应评价结果为良好；泵舱壁和甲板计算点的加速度响应最大值分别为7 540.58 mm/s²和5213.95 mm/s²，对应频率分别为193 Hz和183 Hz，对应评价结果为可接受。因此高速艇尾部结构满足《舰艇船体振动评价基准 快艇》中船体振动响应的衡准。

3 结　语

高速艇由于采用轻质艇体和喷水推进器推进，其振动问题十分复杂，尤其是靠近推进器和主机等激励源的船体尾部区域，对该区域结构振动的准确评估是解决该类船型设计的关键点。本文针对高速艇的振动衡准，从船型船长和激励频率范围等角度分析了国内外规范相关船体振动衡准的适用性，并基于相关文献分析了喷水推进器的压力脉动特性。采用CCS《船上振动控制指南》中的局部结构固有频率估算经验公式和有限元直接计算方法，对某高速艇尾部局部结构的板、板格和板架进行了固有频率计算和频率储备校核。对频率储备不满足要求的局部结构，采用有限元方法，施加喷泵激振力进行了振动响应分析，并基于《舰艇船体振动评价基准 快艇》对振动响应进行评价。本文为喷水推进高速艇尾部振动的计算分析和评估提供参考。