李中揚，張 弛

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

大開口多用途船振動特點研究

李中揚，張 弛

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

中小型大開口多用途船用途廣泛、方便靈活，可以滿足裝載各種貨物及重大件的需求。為了達到綠色節(jié)能減排的要求，越來越多的中小型多用途船采用缸數(shù)更少的主機，而這種類型主機的相對較大的激振力更容易使主尺度較小的多用途船產(chǎn)生過大的振動響應(yīng)。此類船舶多為歐洲船東，對舒適性有著更為苛刻的要求。為研究此類船舶的振動問題，采用有限元方法，對12500dw t多用途船的振動作了以下研究：① 對船體梁、上層建筑和各層甲板進行固有模態(tài)分析；② 對引起船體振動的激振力進行合理評估及取舍，在此基礎(chǔ)上對此船進行頻率響應(yīng)分析，并根據(jù)ISO 6954—2000振動標準對其強迫振動進行評估；③ 對于計算過程中發(fā)現(xiàn)的問題作進一步探討，提出一系列的改進措施，并逐一驗算比較。

大開口；多用途船；整船振動；模態(tài)分析；頻率響應(yīng)分析

0　引 言

12500dw t系列多用途重吊船是上海船舶研究設(shè)計院自主開發(fā)和設(shè)計的優(yōu)質(zhì)船型，方便靈活，用途廣泛，贏得了船東的好評。此種船舶主機選型一般功率相對較大，并且為了達到節(jié)能的目的，采用能耗更低的5缸柴油機并降功率運行，會導致主機激振力較大。因此，在詳細設(shè)計階段，對此種船舶進行全船振動分析評估是非常必要的。

該船大開口的第二貨艙，重吊、多種貨物裝載是其最顯著的特點。由于其開口較大，扭轉(zhuǎn)剛度相對較低，很可能與船體梁水平振動固有頻率接近，產(chǎn)生水平與扭轉(zhuǎn)混合的模態(tài)，因此主船體貨艙段用梁單元的混合模型不夠可靠［1］，需要全船建模分析。

1　船型主要參數(shù)

1.1船體

12500dw t多用途船的典型結(jié)構(gòu)形式是雙層底、雙層殼、大開口貨艙，其主要參數(shù)見表1。

表1　主尺度參數(shù) 單位：m

上層建筑高而前后短，且靠艉部布置，容易受到船體垂向總振動的影響。這是對振動評估非常不利的一個特點。

1.2激振力

螺旋槳誘導的對船體艉部外板的脈動壓力是船體振動的主要激勵源之一。該船為4葉單槳，最大轉(zhuǎn)速94 r/min，軸頻為1.567Hz，對應(yīng)葉頻為6.267Hz。根據(jù)船模實驗結(jié)果，滿載工況最大工作轉(zhuǎn)速時，作用于螺旋槳上方船底板的葉頻脈動壓力合計為8494kN，壓載工況為8055kN。倍葉頻及高倍葉頻激勵力較小，可不考慮其影響。

該船配低速5缸柴油機，根據(jù)制造商資料，較大激勵為2次不平衡力矩（778kN·m）和5階H型傾覆力矩（778kN·m），其頻率分別為3.13Hz和7.83Hz。

2　計算模型

2.1結(jié)構(gòu)有限元模型

采用MSC.PATRAN軟件建立多用途船整船有限元模型。其中，機艙前端壁往后區(qū)域網(wǎng)格大小采用縱骨間距×肋距，盡可能反映所有結(jié)構(gòu)細節(jié)比如雷達桅等。貨艙段及艏部的網(wǎng)格可采用較粗網(wǎng)格（見圖1），以縮短建模和計算時間，但要保證局部構(gòu)件的剛度，以大幅減少不必要的局部振動［2］。模型采用坐標系見圖1。

2.2質(zhì)量分布調(diào)整

船體質(zhì)量分布是否正確對計算該船固有頻率及振型非常重要，因此需要保證模型的質(zhì)量分布與實船質(zhì)量分布相吻合［3］。

空船質(zhì)量包括結(jié)構(gòu)、舾裝和設(shè)備質(zhì)量等。非結(jié)構(gòu)舾裝設(shè)備質(zhì)量可按照對應(yīng)部分的舾裝質(zhì)量扣除大質(zhì)量舾裝件后均布到模型中，而掛舵臂、舵、克令吊等大質(zhì)量舾裝件通過分布質(zhì)量點模擬；主機通過建立簡單的有限元模型模擬其質(zhì)量與剛度。不同裝載工況下的壓載水質(zhì)量也按照實際位置分布以質(zhì)量點模擬。

附連水質(zhì)量對于船舶振動的影響巨大，主要反映在參與船體振動等效質(zhì)量的改變，從而大幅降低船體梁的固有頻率。虛質(zhì)量法通過施加一個附加質(zhì)量矩陣，實現(xiàn)不可壓縮流體對結(jié)構(gòu)的作用。雖然虛質(zhì)量法需要對浸水單元周圍流場求解 Laplace方程［4］，對硬件要求較高，但前期卡片定義比較方便，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，已成為一種主流算法。

圖1　多用途船整船結(jié)構(gòu)有限元模型

3　自由模態(tài)分析

3.1船體梁模態(tài)分析

常規(guī)船型的船體梁模態(tài)分析大多只考慮兩種典型裝載工況：滿載出港和壓載到港。其中，滿載出港假設(shè)貨物重量分布于內(nèi)底上。

應(yīng)用MSC.NASTRAN軟件計算船體梁模態(tài)，可得其垂向前4階的固有頻率及對應(yīng)振型（見表2）。

表2　滿載及壓載的垂向固有頻率及振型 單位：Hz

水平方向振型與扭轉(zhuǎn)振型相互影響，出現(xiàn)比較多的耦合振型，可通過與水平和扭轉(zhuǎn)有關(guān)的強迫振動響應(yīng)評估。

由分析結(jié)果可見，滿載工況由于質(zhì)量更大，固有頻率偏低；而在較高階模態(tài)，雙層底出現(xiàn)非梁振動。激振力的固有頻率與船體梁垂向固有頻率有一定錯開。

3.2局部模態(tài)分析

應(yīng)用MSC.NASTRAN軟件對局部板架進行局部模態(tài)分析，其最低階固有頻率結(jié)果＞14Hz，與激振力頻率差距較大，可認為不會引起過大的局部振動。

雷達桅一階振動為x方向，固有頻率為f=4.55Hz；二階為y向振動，固有頻率為f=9.70Hz；如考慮彈性約束，固有頻率可能更低，接近激振力頻率（見圖2、3）。

上層建筑縱向振動的固有頻率見表3。

表3　滿載及壓載的上層建筑固有頻率 單位：Hz

4　頻率響應(yīng)分析

4.1計算工況

常規(guī)船型計算振動大多只考慮兩種典型裝載工況：滿載出港和壓載到港，其他工況均可近似看作介于此兩種工況之間。但該船裝載工況多而復雜，幾種滿載工況的貨物重心位置差距較大，對計算結(jié)果有較大的影響。故該船在計算頻率響應(yīng)的時候滿載出港工況考慮 3種：1） 貨艙內(nèi)貨物重心接近內(nèi)底，對應(yīng)裝載10000 t鋼卷筒的工況；2） 貨艙內(nèi)貨物重心位于貨艙形心，對應(yīng)裝載10000 t均質(zhì)貨；3） 甲板裝貨工況，艙內(nèi)裝7000 t，甲板上裝3000 t。

4.2分析過程

對船體施加“1.2”節(jié)所提到的激振力，應(yīng)用MSC.NASTRAN對全船進行頻率響應(yīng)分析。

船舶振動阻尼是一個復雜的因素，根據(jù)大量數(shù)據(jù)的積累，該船阻尼假設(shè)選取見表4，其余頻率點處線性插值。

表4　結(jié)構(gòu)阻尼

4.3測點選取

該船在計算模型中選取了 18個測點，分布于上層建筑、船體艉部、各生活處所和工作處所。本文只給出典型位置：雷達桅平臺和船長室的結(jié)果，并進行分析、修改及驗證。

上海市崇明區(qū)2016至2017年肺結(jié)核發(fā)病率從50歲開始出現(xiàn)高峰，早于2008至2009年(60歲)[7]，這可能與上海中老年人群重視體檢并及時診療有關(guān)。2010年，全國第5次結(jié)核病流行病學抽樣調(diào)查報告[8]發(fā)現(xiàn)，老年肺結(jié)核患者中近40%無癥狀，有癥狀者未就診的比例也超過1/2。老年人群因年齡大、生理功能減退、抗病能力低下、愛集聚娛樂等原因，極易感染結(jié)核桿菌；老年肺結(jié)核發(fā)病率高也可能與其?；加刑悄虿?、心血管疾病及肺部其他疾病，導致機體抵抗力下降有關(guān)[9]。

4.4計算結(jié)果及分析

分別校核滿載出港“1）”和壓載到港工況下各計算點在主機最大持續(xù)轉(zhuǎn)速（SMCR，94 r/m in）及服務(wù)轉(zhuǎn)速（CSR，89 r/min）下的速度響應(yīng)結(jié)果（見表5），并根據(jù)ISO6954—2000［5］標準對響應(yīng)速度幅值進行全頻率計權(quán)均方根值修正。

表5　SMCR和CSR下計權(quán)均方根值速度響應(yīng)結(jié)果

各計算點處的速度響應(yīng)值均滿足 ISO 6954—2000中的評估限值要求，但某些轉(zhuǎn)速的結(jié)果也接近極限值，尤其是上層建筑船長和船寬方向的振動。

為消除主機二階不平衡力矩的影響，該船采用滬東重機生產(chǎn)的力矩平衡補償器，最大輸出力為127kN。經(jīng)有限元計算，在輸出力≈38kN時，可將主機二階不平衡力矩對上層建筑產(chǎn)生的船長方向的速度響應(yīng)減小到1mm/s以內(nèi)（見圖4、5）。

可見，由于二階不平衡力矩主要激起船體梁的垂向振動，增加力矩平衡補償器后抵消其影響，上層建筑x向的振動幅度明顯降低，z向振幅也相應(yīng)降低。

但是，由于主機5階H型傾覆力矩引起的上層建筑y向振動響應(yīng)依然較大。經(jīng)過與機艙內(nèi)測點的比較，發(fā)現(xiàn)機艙內(nèi)主發(fā)電機平臺測點的振動很??；觀察其最大振動響應(yīng)對應(yīng)頻率下的振型，發(fā)現(xiàn)此振動為船體梁的扭轉(zhuǎn)振動帶動的上層建筑左右晃動。振型見圖6。

為減小上層建筑y向振動，采取一系列改進措施及計算結(jié)果見表6，其中，響應(yīng)結(jié)果為主機H型傾覆力矩引起的未修正結(jié)果。

圖4　船長房間壓載工況下不帶補償器的頻率響應(yīng)結(jié)果

圖5　船長房間壓載工況下帶補償器的頻率響應(yīng)結(jié)果

圖6　主機H型傾覆力矩引起的上層建筑y向振型

表6　改進方案及計算結(jié)果

此外，對于滿載工況“2）”和“3）”也進行了主機H型傾覆力矩為激振力的頻率響應(yīng)計算，其結(jié)果見表7。

表7　不同的滿載工況下的結(jié)果

由此可見，不僅重量及其沿船長度方向的分布有影響，貨物的重心高度影響也較大。因此主船體采用梁模擬的混合有限元模型不夠可靠。對于均勻裝載的船舶，重量分布相對均勻，混合模型結(jié)果尚可；但對于大型集裝箱船及其他非常規(guī)船舶，貨物對船體的作用混合模型無法體現(xiàn)。

5　結(jié) 語

以上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)的12500dw t多用途船為例，對此種大開口船型作了多種工況下的模態(tài)分析及振動響應(yīng)分析，并對相關(guān)問題進行了探討。

1）由于此類船的特點（大主機降功率運行、大開口、高上層建筑和上層建筑艉置），建議此類船舶用全船有限元模型進行模態(tài)分析及頻率響應(yīng)分析都是必要的；

2）在基本設(shè)計已經(jīng)決定的情況下，型線、橫剖面和總布置等都難以做大的調(diào)整，這時如果出現(xiàn)振動問題，僅僅對艉部的局部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整效果并不顯著，因此，前期預報的經(jīng)驗相當重要。對于設(shè)計人員來說，母型船振動數(shù)據(jù)資料的積累是很必要的；

3）船體及貨物重量的大小和分布對于船舶振動是很重要的參數(shù)，本文貨物加載方式模擬的精度不夠，尤其是貨物以及艙蓋在水平振動時其回復力的作用機制，以及對船體水平振動的影響，值得繼續(xù)探索。

［1］ 金咸定，夏利娟. 船舶振動學［M］. 上海：上海交通大學出版社，2011.

［2］ 楊 光，林 一，劉亞沖，等. 大型集裝箱船上層建筑整體振動的分析方法［J］. 船舶與海洋工程，2014 （3）： 16-20.

［3］ 王輝輝，王秀蘭，江克進. 大型液化氣船振動計算分析［J］. 船舶與海洋工程，2014 （4）： 1-7.

［4］ 劉曉明，張 悅，高志龍. 集裝箱船振動與響應(yīng)分析［J］. 中國造船，2004 （4）： 23-27.

［5］ ISO 6954—2000， Guidelines for the measurement， reporting and evaluation of vibration w ith regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.

Study on Vibration Characteristics of Large Opening M ulti-purpose Vessel

LI Zhong-yang， ZHANG Chi

（Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute， Shanghai 201203）

Being convenient， flexible and w idely used， the m iddle and small sized large opening multi-purpose vessels are capable of shipping all kinds of goods and large cargoes. In order to meet the requirements of energy saving and emission reduction， more and more middle and small sized multi-purpose vessels are using main engines w ith less number of cylinders. However， this type of main engine has relatively larger excitation forces which can make the smaller dimensioned ships vulnerable to excessive vibration responses. Most ships of this type are owned by European ship owners， who have more stringent requirements on com fort. In order to study the vibration issue of these ships， the finite element method was used to perform vibration analysis of a 12500dw t multi-purpose vessel from the follow ing aspects：① inherent mode analysis on hull girder， superstructure and all the decks； ② rational evaluation and selection on the excitation force that induce hull vibration， and perform frequency response analysis for the ship on this basis， and make assessment on the forced vibration according to ISO 6954—2000 vibration standard； ③ further discuss the problems discovered during the calculation process， propose a series of improvement measures and check them one by one.

large opening； multi-purpose vessel； global hull vibration； mode analysis； frequency response analysis

U661.44

A

2095-4069 （2016） 02-0004-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.002

2015-03-16

李中揚，男，工程師，1983年生。2009年上海交通大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析工作。