于杰

摘要：近來市場上流行的G型主機，以其節(jié)能高效吸引了大量船東的眼球，然而在實際使用中，由于G型主機比傳統(tǒng)的S型主機轉(zhuǎn)速低，尺寸更大，重量更重，對機艙的振動加強提出了更高的要求，本文通過有限元分析的方法，對G型主機整個機艙包括上建進行了分析，并提出加強方案。

關(guān)鍵詞：船舶;G型主機;振動;有限元;加強

0? 引言

主機為船舶推進提供動力，是船舶動力系統(tǒng)的核心設(shè)備，主機安全高效穩(wěn)定的運行對船舶的營運起著至關(guān)重要的作用，人們一直在摸索如何將主機設(shè)計的更加節(jié)能環(huán)保。傳統(tǒng)的主機在改進時往往采取降低航速的方法以達到節(jié)能的目的，但降低航速對航運公司而言大大延長了航行時間，一些雇主對此很不滿意。市場上的主機廠商經(jīng)過研究推出了一種新的機型，即在保證航速的情況下，燃油消耗比傳統(tǒng)機型還要低，這吸引了大批船東開始關(guān)注這種機型。2012年，我廠與澳大利亞船東簽訂了64000噸散貨船建造合同，按照合同，船東選擇了市場新出的G型主機，主機廠家宣稱這種機型比傳統(tǒng)的S型機更節(jié)能環(huán)保，而且還能保證航速。但廠家資料顯示這種機型比S型機重量更重，尺寸更大，傳統(tǒng)的64000噸散貨船機艙已無法滿足這種機型的布置，必須進行重新設(shè)計。經(jīng)過進一步的消化廠家資料，我廠認識到機艙的結(jié)構(gòu)對于主機的振動相應(yīng)存在隱患，為此運用有限元分析的方法，模擬整個機艙包括上建對主機振動的相應(yīng)，就能準確的顯示出哪些結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力大，進而針對這些部位做出加強方案。

1? 概述

本次振動分析包括強迫振動分析，結(jié)果參照ISO6954-2000標準，考慮到此標準對一些潛在的高危險區(qū)域不能完全識別，我們同時參照了ISO6954-1954標準，但此標準僅作參考，最終的結(jié)果仍以ISO6954-2000標準作為考核依據(jù)。

2? 有限元建模

2.1 船體結(jié)構(gòu)建模

在軟件中建立3D模型以用于分析，所有主要結(jié)構(gòu)包括甲板，縱向和橫向艙壁，縱桁，強框架和外板作為主要受力單元，甲板橫梁以及支柱挺筋作為附屬構(gòu)件。上層建筑僅以外板和橫梁反映。為了真實反映主機的形狀和剛度，我們建立了一個全面反映主機狀態(tài)的有限元模型，此模型能輸出主機發(fā)出的力，我們以外殼和橫梁對模型進行簡化。主機橫撐我們以同等強度的結(jié)構(gòu)進行簡化。

需要注意的是，此次模型建立的網(wǎng)格單元包括橫向和縱向，這就不僅能反映全船振動水平，也能準確的反饋局部結(jié)構(gòu)振動水平，如桅，甲板板和橋翼等。

2.2 質(zhì)量模型

根據(jù)全船質(zhì)量數(shù)據(jù)和初步裝載手冊鋼板質(zhì)量通過理想化的模型進行分布，大的設(shè)備如鍋爐，發(fā)電機，舵葉，艙蓋，尾軸，螺旋槳等根據(jù)重量重心設(shè)置成節(jié)點模型。主機的質(zhì)量通過有限元模型定義。

3? 選取載荷工況和檢測部位

3.1 載荷工況的選擇

理論上，一份完整的振動分析報告需最少包含兩種工況：滿載和壓載?？紤]到此次振動分析僅是為了分析在極端情況下主機的振動響應(yīng)水平，所以我們這次選取一種具有代表性的極端工況進行分析。

根據(jù)以往S型主機64000噸散貨船的經(jīng)驗，全船的共振頻率在壓載工況下大概在6.3Hz，這對于5缸G型主機的船極有可能產(chǎn)生共振，因為這種主機的轉(zhuǎn)速僅為77轉(zhuǎn)，H型彎矩為6.4Hz。因此此次分析主要針對H型彎矩。

3.2 檢測部位的選擇

經(jīng)過初步核算，我們選取了九個具有代表性的位置進行考核，她們是fore end of ME top （y）， aft end of ME top （y）， lower platform （PS） （z）， Lower platform （SB） （z）， center of engine control room（z）， compass deck（y）， radar mast platform（y）， radar mast top（y）， room with sun window glass（y）。這些位置的顯示見fig11-fig16，主要反映了在0速度時這些位置和周圍結(jié)構(gòu)的情況。主機頂部參照標準根據(jù)廠家MAN的數(shù)據(jù)是25～50mm/s，其它位置根據(jù)ISO6954-1984是4～9mm/s。

3.3 主機橫撐的檢測

主機橫撐的作用是通過連接主機和尾部結(jié)構(gòu)使之形成一個整體結(jié)構(gòu)，從而增加這種整體結(jié)構(gòu)的剛度，降低自然頻率和振動響應(yīng)。如果我們將船體結(jié)構(gòu)、主機橫撐和主機的剛度分別定義為K1、K2和K3，那么整體結(jié)構(gòu)的剛度就為1（1/K1+1/K2+1/K3）。通過公式我們可以得出結(jié)論：整體結(jié)構(gòu)的剛度取決于剛度最小的單個結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖紙原始設(shè)計有四根橫撐安裝在主機排氣管一側(cè)，我們設(shè)定橫撐剛度為500MN/m，船體結(jié)構(gòu)為1000MN/m。

為了進行對比，我們設(shè)置了三種情況Variant 1，2，3：

Variant 1：將4根橫撐取消，有些情況下取消橫撐可以帶來積極的效果，通常這樣會降低主機和結(jié)構(gòu)的整體自然頻率，但會增加低頻時的振動響應(yīng)。為了降低這種響應(yīng)，我們增加了電動補償器的測試。

Variant 2：將橫撐增加到8根，兩根液壓式設(shè)置在主機泵一側(cè)，6根機械式設(shè)置在排氣管一側(cè)。根據(jù)廠家資料，泵一側(cè)的橫撐剛度設(shè)成390MN/m，排氣管一側(cè)設(shè)成709MN/m。和Variant 1一樣，補償器的測試曲線分別為Variant 2a和2b。

Variant 3：將橫撐設(shè)成6根，兩根液壓式設(shè)置在主機泵一側(cè)，4根機械式設(shè)置在排氣管一側(cè)。剛度和Variant 2一樣，補償器的測試曲線分別為Variant 3a和3b。

3.4 結(jié)果顯示

根據(jù)設(shè)置的三種情況，對選好的九個點的測試結(jié)果用曲線輸出，并進行對比，結(jié)果顯示：

Variant 1：取消所有橫撐后，結(jié)果顯示自然頻率降到了62rpm，振動相應(yīng)增加了1到24倍不等，平均7倍，這種現(xiàn)象是船體和主機整體剛度下降的結(jié)果導(dǎo)致的。這種振動響應(yīng)的劇烈程度以至于正常的補償器根本無法有效的工作，所以取消橫撐的方案不能接受。

Variant 2：船體和主機的聯(lián)合體剛度最大，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，但振動響應(yīng)下降了25%～50%，平均40%。很多點與它們自身的振動標準都保持了一致，當(dāng)然補償器可以提供更好的效果，但已經(jīng)沒有必要了。

Variant 3：船體和主機的聯(lián)合體剛度比Variant 2稍微有所下降，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，振動響應(yīng)下降了20%～45%，平均35%，僅僅比Variant 2少了5%。很多點仍然與它們自身的振動標準都保持了一致，當(dāng)然補償器可以提供更好的效果，也沒有必要了。

通過這九個點的結(jié)果顯示，全船的beam H moment振動響應(yīng)發(fā)生在71rpm，增加了主機橫撐后，任何的加強都會增加全船的自然頻率，一般在1～72rpm，考慮到主機的CSR是70.8rpm，可以想象情況非常嚴重。主機橫撐的增加將導(dǎo)致船體很多部位的振動加強響應(yīng)非常大。

因此必須增加額外的加強作為補償。

3.5 加強方案

經(jīng)過討論，我們采用Variant 3方案，主機設(shè)置6根橫撐，并增加相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)加強。

①在平臺板橫撐部位增加板厚。

②在平臺反面增加箱體結(jié)構(gòu)和實肋板以及強橫梁，見圖2藍色和粉色區(qū)域。

3.6 結(jié)果論證

試航時對主機周圍進行了全方位檢測，試航報告顯示，主機周圍振動遠低于標準，達到了預(yù)期目標。（圖3）

4? 結(jié)束語

通過這次有限元分析，成功的對主機振動響應(yīng)做出了預(yù)警，采取的方案經(jīng)過實船驗證也達到了預(yù)期的效果，這大大減少了試航交船存在的隱患，為其它船頭提供了有益的參考。

參考文獻：

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