劉曉之，夏利娟，吳嘉蒙

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

大型油船階梯式尾部型式振動(dòng)特性研究

劉曉之，夏利娟，吳嘉蒙

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

針對(duì)階梯式尾部設(shè)計(jì)的318 000 DWT大型油船振動(dòng)問(wèn)題，建立全船結(jié)構(gòu)三維粗網(wǎng)格有限元模型，討論粗網(wǎng)格模型對(duì)船舶剛度的影響，并分析其在船舶振動(dòng)分析過(guò)程中的適用性和可行性。基于船體動(dòng)力特性分析研究了階梯式尾部設(shè)計(jì)方案對(duì)全船以及上層建筑振動(dòng)特性的影響。相關(guān)研究結(jié)論對(duì)今后的船舶尾部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

大型油船；階梯式尾部結(jié)構(gòu)；粗網(wǎng)格模型；振動(dòng)特性

0 引 言

近年來(lái)，大型油船通常將上層建筑布置在船尾,靠近螺旋槳和主機(jī)這2個(gè)主要激勵(lì)源，振動(dòng)問(wèn)題較突出。另一方面，在船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，國(guó)外已經(jīng)提出將船舶尾部設(shè)計(jì)成階梯式布置型式的方案，而國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究較少。

采用階梯式布置的尾部結(jié)構(gòu)，將尾部區(qū)域的主甲板下移，能夠有效地節(jié)約空間，降低空船重量。然而，這種新型的尾部結(jié)構(gòu)型式使船體尾部剛度發(fā)生變化，使原本振動(dòng)問(wèn)題本來(lái)就較為突出的尾部區(qū)域的固有特性發(fā)生了改變，影響尾部和上層建筑的振動(dòng)。在螺旋槳激勵(lì)[1-4]和主機(jī)激勵(lì)[5-6]下，可能使船尾發(fā)生劇烈振動(dòng)而處于危險(xiǎn)的狀態(tài)。因此，基于階梯式尾部設(shè)計(jì)的大型油船的相關(guān)振動(dòng)問(wèn)題研究具有非常重要的實(shí)際工程意義。

1 VLCC階梯式尾部方案

本文以1艘318 000 t的VLCC船作為研究對(duì)象進(jìn)行船體振動(dòng)評(píng)估，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 318 000 DWT VLCC主要參數(shù)Tab.1 Main parameter of 318 000 DWT VLCC

階梯式布置的尾部結(jié)構(gòu)有以下2種方案：

方案1 將船尾至尾尖艙之間的主甲板下沉3.83 m，降低了舷側(cè)外板的高度，減小了尾部主甲板與舵機(jī)艙平臺(tái)之間的空間，此方案能夠節(jié)省約141.8 t鋼料。

方案2 將船尾至機(jī)艙棚前端壁之間的主甲板下沉3.83 m,降低了船尾至機(jī)艙棚前端壁的舷側(cè)外板高度，更多地減小了尾部主甲板與舵機(jī)艙平臺(tái)之間的空間，此方案能夠節(jié)省約224.9 t鋼料。

各方案示意圖如圖1所示。

圖1 VLCC各設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1 Different design proposal of VLCC

2 全船三維粗網(wǎng)格有限元模型

全船模型最全面考慮了主船體對(duì)上層建筑整體振動(dòng)的影響，且能反映整船的剪切剛度、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。采用縱骨間距網(wǎng)格大小的全船三維有限元模型的計(jì)算精度最高，但計(jì)算工作量較大，而且局部模態(tài)多，難以獲得3階以上的船體總振動(dòng)固有頻率，而采用粗網(wǎng)格模型進(jìn)行振動(dòng)分析，可以有效節(jié)省計(jì)算成本，同時(shí)也能準(zhǔn)確模擬全船的振動(dòng)特性。對(duì)于振動(dòng)較為嚴(yán)重的區(qū)域，如上層建筑以及主機(jī)基座所在的雙層底區(qū)域，采用局部細(xì)化的處理方法，以縱骨間距作為網(wǎng)格尺寸進(jìn)行建模。本文建立的全船結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖2所示。

圖2 全船結(jié)構(gòu)三維有限元模型Fig.2 3D FE model of the whole ship

空船重量按照以下程序調(diào)整：

上層建筑甲板的附加質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量加在模型的殼單元上，以模擬舾裝件的質(zhì)量，附加質(zhì)量的大小為80 kg/m2，調(diào)整每層圍壁結(jié)構(gòu)的材料密度使得有限元模型中上層建筑總質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量一致。

大型設(shè)備(如舵，槳等)采用質(zhì)量點(diǎn)連接到相應(yīng)接點(diǎn)上。

將主船體分為若干部分，調(diào)節(jié)各部分材料密度，使得其總質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量一致。

貨油、燃油和壓載水通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)施加到相應(yīng)艙室邊界節(jié)點(diǎn)上。

采用強(qiáng)框間距劃分有限元網(wǎng)格，會(huì)導(dǎo)致骨材數(shù)目的減少，因此在每個(gè)強(qiáng)框上建立骨材，將強(qiáng)框間的骨材合并為1根，保證質(zhì)量一致。

2.1 粗網(wǎng)格模型對(duì)局部板架剛度影響

在318 000 DWT大型油船的中間貨艙處取一強(qiáng)框之間的內(nèi)底板板架為研究對(duì)象，討論粗網(wǎng)格模型對(duì)局部板架剛度的影響。粗網(wǎng)格模型保持板厚不變，將板架上骨材平分到粗網(wǎng)格上，在板架四周施加簡(jiǎn)支約束?？梢圆捎帽容^靜剛度的方法分析骨材調(diào)整前后的板架剛度變化。在2種模型的板架都施加相同壓強(qiáng)，用有限元方法分析得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移，通過(guò)力與位移的關(guān)系得到節(jié)點(diǎn)的剛度。通過(guò)計(jì)算得到的靜剛度如表2所示。

表2 粗網(wǎng)格模型和細(xì)網(wǎng)格模型靜剛度比較Tab.2 Comparison of static stiffness in coarser model and fine mesh model

從計(jì)算結(jié)果可看出，粗網(wǎng)格模型的靜剛度低于細(xì)網(wǎng)格模型的靜剛度。采用粗網(wǎng)格模型模擬船體結(jié)構(gòu)，對(duì)局部結(jié)構(gòu)的剛度影響較大。

2.2 粗網(wǎng)格模型對(duì)整船剛度的影響

為了討論粗網(wǎng)格模型對(duì)整船剛度的影響，參照該油船主尺度以及中間貨艙裝載工況，設(shè)計(jì)粗網(wǎng)格模型和對(duì)應(yīng)的細(xì)網(wǎng)格模型，如圖3所示。計(jì)算得到的整體固有頻率比較如表3所示。

圖3 粗網(wǎng)格模型和細(xì)網(wǎng)格模型Fig.3 Coarse mesh model and fine mesh model

表3 粗細(xì)網(wǎng)格模型固有頻率比較Tab.3 Comparison of natural frequency in coarse and fine mesh model(loading)

從計(jì)算結(jié)果可看出，粗網(wǎng)格模型計(jì)算的前2階垂向、水平和扭轉(zhuǎn)固有模態(tài)誤差都比較小，小于7%，能夠滿足工程精度的要求。因此，采用粗網(wǎng)格模型可以較好地模擬實(shí)船的整體振動(dòng)特性。與細(xì)網(wǎng)格模型相比，粗網(wǎng)格模型的垂向和水平振動(dòng)的前2階固有頻率較低，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率有所增大，說(shuō)明粗網(wǎng)格模型的骨材合并處理在一定程度上使得扭轉(zhuǎn)剛度增大，而彎曲剛度變小。

3 整船振動(dòng)模態(tài)分析

采用全船結(jié)構(gòu)三維有限元粗網(wǎng)格模型來(lái)模擬實(shí)船，在考慮了剛度和質(zhì)量調(diào)整后，還需計(jì)及舷外水的影響。本文利用目前國(guó)際通用的MSC/NASTRAN，用虛擬質(zhì)量法[7]模擬附連水質(zhì)量。在滿載出港工況下，3種設(shè)計(jì)方案的前3階垂向、水平和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率如圖4所示。

圖4 各設(shè)計(jì)方案前3階固有頻率計(jì)算結(jié)果Fig.4 Natural frequency of first 3-order vibration

從計(jì)算結(jié)果可看出，階梯式尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于全船總振動(dòng)的影響很小。從頻率儲(chǔ)備的角度看，3種設(shè)計(jì)方案都能夠滿足頻率錯(cuò)開(kāi)設(shè)計(jì)的要求。

4 上層建筑強(qiáng)迫振動(dòng)分析

4.1 船舶主要激勵(lì)和阻尼

船舶在航行過(guò)程中受到復(fù)雜多樣的激勵(lì)影響，在強(qiáng)迫振動(dòng)分析中，主要考慮螺旋槳引起的葉頻干擾力和主機(jī)不平衡慣性力的影響。本文以主機(jī)CSR轉(zhuǎn)速為考核點(diǎn)，由于有限元模型誤差以及重量分布的不確定性，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)固有頻率落在螺旋槳和主機(jī)名義激振頻率±10%范圍內(nèi)時(shí)，均有可能發(fā)生共振。

采用Holden方法[8]計(jì)算螺旋槳葉頻脈動(dòng)壓力，將計(jì)算所得的脈動(dòng)壓力通過(guò)PCL程序?qū)毫?chǎng)施加于船體尾封板向首部延伸3倍螺旋槳直徑的濕表面處。主機(jī)激勵(lì)考慮主機(jī)7階H型傾覆力矩。其中，螺旋槳激振力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(1)

主機(jī)激振力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(2)

本文采用ABS推薦的模態(tài)阻尼值1.5%[9]。

4.2 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)

船體振動(dòng)響應(yīng)以典型評(píng)估點(diǎn)的速度頻響曲線給出，在主甲板和上層建筑等位置選取若干點(diǎn)，作為振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)。本文所選取響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)為：主甲板縱中剖面尾端處，主甲板和上層建筑各層甲板與縱中剖面及上建前端壁的交點(diǎn)處，翼橋端部以及煙囪頂板等。

4.3 上層建筑在螺旋槳葉頻激勵(lì)下的響應(yīng)

在螺旋槳葉頻激勵(lì)下，計(jì)算出船體尾部及上層建筑的振動(dòng)響應(yīng)值，螺旋槳的葉頻激勵(lì)頻率為4.2 Hz，校核頻率范圍為激勵(lì)頻率上下10%以內(nèi)，即3.7～4.7 Hz，由于螺旋槳激勵(lì)頻率低于5 Hz，以加速度響應(yīng)值作為振動(dòng)衡準(zhǔn)的參考。不同設(shè)計(jì)方案在螺旋槳葉頻激勵(lì)下的加速度響應(yīng)幅值比較如圖5所示。

圖5 螺旋槳葉頻激勵(lì)下的加速度響應(yīng)峰值Fig.5 Acceleration response under blade frequency exciting force of propeller

所有設(shè)計(jì)方案的加速度響應(yīng)峰值都在285 mm/s2以下，滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)要求，并且大部分響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值在126 mm/s2以下，振動(dòng)特性良好，只有設(shè)計(jì)方案1和設(shè)計(jì)方案2的尾封板處以及設(shè)計(jì)方案2的煙囪頂部響應(yīng)較大，但仍處于可以接受的范圍內(nèi)。說(shuō)明在螺旋槳葉頻激勵(lì)下，尾部階梯式設(shè)計(jì)方案都能滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)要求。另一方面，從主甲板依次往上至羅經(jīng)甲板，振動(dòng)響應(yīng)越來(lái)越大，說(shuō)明隨著上層建筑的高度增加，振動(dòng)也會(huì)越來(lái)越劇烈。

設(shè)計(jì)方案1的上層建筑振動(dòng)較原方案有所增大，尤其是尾封板附近振動(dòng)響應(yīng)增大許多，這是因?yàn)殡A梯式方案的設(shè)計(jì)直接改變了尾封板處的結(jié)構(gòu)型式。煙囪處的響應(yīng)值變小，并不表示階梯式方案1的煙囪振動(dòng)特性變得更好，而是階梯式結(jié)構(gòu)改變了煙囪根部的結(jié)構(gòu)型式，改變了煙囪的固有頻率，煙囪最大振動(dòng)響應(yīng)不在螺旋槳葉頻附近。設(shè)計(jì)方案2的加速度響應(yīng)峰值較原方案更大，尤其是尾封板煙囪頂部。

總的來(lái)說(shuō)，3種方案都能滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)要求，所以階梯式設(shè)計(jì)方案在大型油船設(shè)計(jì)中可行。

4.4 上層建筑在主機(jī)7階H型激勵(lì)下的響應(yīng)

將主機(jī)7階H型傾覆力矩平均施加在主機(jī)有限元模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上[10]，分析的頻率變化范圍為6.6～8.2 Hz，大于5 Hz，采用速度響應(yīng)值作為振動(dòng)衡準(zhǔn)的參考響應(yīng)值。計(jì)算得到船體在7階H型傾覆力矩作用下的3個(gè)設(shè)計(jì)方案速度頻響曲線如圖6所示。

圖6 主機(jī)7階H型激勵(lì)下的速度響應(yīng)峰值Fig.6 Velocity response peak under 7th H type exciting force of main engine

3個(gè)設(shè)計(jì)方案大部分計(jì)算點(diǎn)的速度響應(yīng)峰值都在9 mm/s以下，滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)要求，只有設(shè)計(jì)方案一翼橋端部速度響應(yīng)略微超過(guò)9 mm/s。在主機(jī)7階H型激勵(lì)下，尾部階梯式設(shè)計(jì)方案基本都能滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)要求。

設(shè)計(jì)方案1大部分計(jì)算點(diǎn)速度響應(yīng)峰值比原設(shè)計(jì)方案大，設(shè)計(jì)方案2則更大。說(shuō)明在主機(jī)7階H型激勵(lì)下，2種階梯式尾部的振動(dòng)變化趨勢(shì)與在螺旋槳葉頻激勵(lì)下基本一致。但是在尾封板附近，設(shè)計(jì)方案1和設(shè)計(jì)方案2的速度響應(yīng)峰值更小，也就是說(shuō)階梯式尾部的方案改善了尾封板在主機(jī)7階H型激勵(lì)下的振動(dòng)特性。而在翼橋端部，2種階梯式尾部的方案速度響應(yīng)峰值都接近振動(dòng)衡準(zhǔn)的上限值，需要對(duì)翼橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

粗網(wǎng)格模型對(duì)局部結(jié)構(gòu)剛度影響較大，但對(duì)整船總振動(dòng)剛度影響較小，同時(shí)能夠大大減少局部模態(tài)，易于獲得結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)。建議采用粗網(wǎng)格模型模擬實(shí)船進(jìn)行整船振動(dòng)評(píng)估，僅需對(duì)振動(dòng)問(wèn)題較為突出的局部區(qū)域如上層建筑，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

對(duì)大型油船的原設(shè)計(jì)方案和兩個(gè)階梯式尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行船體總振動(dòng)模態(tài)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果表明階梯式尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)船舶總振動(dòng)的影響很小，在螺旋槳激勵(lì)和主機(jī)激勵(lì)下，階梯式尾部設(shè)計(jì)的大型油船上層建筑響應(yīng)亦能夠滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)的要求，證實(shí)了階梯式尾部設(shè)計(jì)的合理性和可行性。值得注意的是，階梯式尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在艉封板，翼橋端部和煙囪頂部等局部區(qū)域，其振動(dòng)響應(yīng)較原方案有所增大，建議針對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

[1] 張新偉, 陸利平, 吳小康.400000DWT礦砂船的全船和局部振動(dòng)研究[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2012(B11):25-33.

[2] 張欣.低壓載水型油船的總體振動(dòng)性能研究[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[3] 聶開(kāi)利, 張連慶.螺旋槳激振力與船舶尾部振動(dòng)[J].水產(chǎn)科學(xué),1995(2).

[4] 陸忠杰.三用工作船螺旋槳激振力引起強(qiáng)迫振動(dòng)解決方案分析[J].價(jià)值工程,2013,32(19):55-56.

[5] 吳嘉蒙.集裝箱船的振動(dòng)與響應(yīng)評(píng)估[J].上海造船,2009(4):14-18.

[6] 虞銑輝,蔡承德.柴油機(jī)及螺旋槳引起的船體穩(wěn)態(tài)振動(dòng)[J].中國(guó)造船,1979(4):004.

[7] 陳火紅.新編MDNastran有限元實(shí)例教程[M].DynoMediaInc.,2008.

[8] 何勇, 夏利娟.考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的全船結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[9]ABS.Guidancenotesonshipvibration[S].

[10] 金咸定,夏利娟.船體振動(dòng)學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2011.

Strength analysis and experimental investigation of wearing parts in ship structure

LIU Xiao-zhi, XIA Li-juan, WU Jia-meng

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

For the vibration problem of a 318 000 DWT stepped stern VLCC, whole ship coarse mesh model was established to determine the feasibility of the coarse mesh in ship structure vibration analysis.The influence of stepped stern design for the whole ship and the superstructure has been discussed through dynamic analysis.Some meaning results may do some help to the optimization design of ship stern structure.

VLCC; stepped stern; coarse mesh model; vibration characteristics

2015-01-16；

2015-03-11

劉曉之(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0026-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.006