丁 寧 高占峰 黃金林

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工設(shè)計(jì)研究院 揚(yáng)州225200）

引 言

集裝箱船其船體瘦長(zhǎng)、甲板大開口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其船體梁扭轉(zhuǎn)剛度較低。此外，為了在布置上爭(zhēng)取更多空間裝載集裝箱，且同時(shí)滿足駕駛室的視域要求，集裝箱船的上層建筑的結(jié)構(gòu)形式往往設(shè)計(jì)得既高且窄。而與大型集裝箱船的中島式上層建筑布置形式不同，支線集裝箱船上層建筑為艉島式，其位置更接近于主機(jī)、螺旋槳等主要激勵(lì)源。上述特性使得支線集裝箱船的振動(dòng)問題相比于其他普通貨船及大型集裝箱船更加突出。

機(jī)艙是主機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳等船舶主要激勵(lì)源的所在區(qū)域，也是船舶各種機(jī)電設(shè)備的所在區(qū)域。大量的機(jī)電設(shè)備和復(fù)雜的管路風(fēng)道布置，使得機(jī)艙空間十分緊湊，因此實(shí)船測(cè)試一旦發(fā)生振動(dòng)問題，緊湊的空間布置使得局部加強(qiáng)修改變得十分困難，損失無法估量。因此，船舶在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就必須較精確地對(duì)機(jī)艙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，提前規(guī)避振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

解決準(zhǔn)確預(yù)估船體振動(dòng)這一問題，目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者、單位均采用三維空間有限元法。事實(shí)證明，三維有限元模型是一種接近船舶真實(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算船舶振動(dòng)特性。本文采用有限元法對(duì)某支線集裝箱船機(jī)艙區(qū)的發(fā)電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)預(yù)報(bào)分析。通過計(jì)算發(fā)電機(jī)平臺(tái)局部板架結(jié)構(gòu)固有頻率，確保其位于頻率禁區(qū)之外，即避免板架與主機(jī)、螺旋槳等船舶主要激勵(lì)源發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制預(yù)報(bào)。

1 概 述

1.1 船舶主要參數(shù)

船舶的總布置圖及主要參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 某支線集裝箱船總布置圖

表1 某支線集裝箱船主要參數(shù)

1.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型

本文運(yùn)用MSC-Patran有限元計(jì)算軟件，基于機(jī)艙布置圖、機(jī)艙結(jié)構(gòu)圖、雙層底結(jié)構(gòu)圖和發(fā)電機(jī)基座加強(qiáng)圖等，建立機(jī)艙有限元模型，對(duì)機(jī)艙區(qū)域的發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架進(jìn)行振動(dòng)預(yù)報(bào)分析。模型中的船體外板、主甲板、各層平臺(tái)板、縱向艙壁和橫向艙壁等采用板單元建立，板上的縱梁、橫梁及加強(qiáng)筋等采用梁?jiǎn)卧ⅰ?/p>

由于本文旨在研究機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺(tái)的局部板架振動(dòng)問題，故有限元模型中并未包含上層建筑及貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)，其對(duì)于本文探討的方法及結(jié)論影響不大。對(duì)某支線集裝箱船機(jī)艙區(qū)建立有限元模型，如下頁圖2所示。機(jī)艙水線面以下舷側(cè)外板及外底板的附連水質(zhì)量的加載通過NASTRAN提供的虛質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)。

圖2 某支線集裝箱船機(jī)艙有限元模型

考慮機(jī)艙與中間貨艙及船尾結(jié)構(gòu)的連接形式，在機(jī)艙模型首、尾端部的縱向連續(xù)構(gòu)建處，定義簡(jiǎn)支約束為邊界條件，如圖3所示。

圖3 某支線集裝箱船機(jī)艙有限元邊界條件

1.3 振動(dòng)評(píng)估方法

機(jī)艙局部振動(dòng)預(yù)報(bào)采用固有頻率法。即對(duì)機(jī)艙進(jìn)行模態(tài)分析，求得各平臺(tái)板架處的固有頻率。在激振力頻率已知的前提下，必須將船體的固有頻率與激振力頻率保持一定的差值以防止有害振動(dòng)的發(fā)生，這個(gè)差值的范圍即是頻率禁區(qū)，通常取為對(duì)應(yīng)的頻率的前后15%。

本船外激振力主要考察主機(jī)和螺旋槳產(chǎn)生的低頻激振力，至于發(fā)電機(jī)本身的激振力，由于其頻率較高，故可不必考慮。主機(jī)主要的激振力為各階不平衡力矩、X型振動(dòng)激振力矩及H型振動(dòng)激振力矩。螺旋槳的主要激振力為脈動(dòng)壓力。本船基于主機(jī)及螺旋槳設(shè)備資料，選定主機(jī)二階不平衡力矩、六階H型振動(dòng)激振力矩及螺旋槳脈動(dòng)壓力為主要外激振力，則本船的頻率禁區(qū)如表2所示。

表2 某支線集裝箱船頻率禁區(qū)Hz

2 發(fā)電機(jī)平臺(tái)集中質(zhì)量與管路等分布質(zhì)量不同模擬方法研究

由于頻率禁區(qū)在主機(jī)、螺旋槳選型后便已確定，則機(jī)艙區(qū)域振動(dòng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)機(jī)艙區(qū)域板架的固有頻率。結(jié)構(gòu)固有頻率僅與剛度和質(zhì)量有關(guān)，而根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙建立的有限元模型，可保證發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架結(jié)構(gòu)剛度的準(zhǔn)確性。因此，機(jī)艙區(qū)域振動(dòng)預(yù)報(bào)分析的關(guān)鍵在于機(jī)艙區(qū)域均布質(zhì)量的合理分布及大型設(shè)備重量的準(zhǔn)確模擬。

本文以發(fā)電機(jī)平臺(tái)為研究對(duì)象，建立局部細(xì)網(wǎng)格有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過分析對(duì)比不同均布質(zhì)量模擬方式及發(fā)電機(jī)重量的模擬方式下發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架的模態(tài)頻率，總結(jié)出一套快速、準(zhǔn)確定義均布質(zhì)量和發(fā)電機(jī)質(zhì)量的方法。

2.1 均布質(zhì)量模擬方式研究

基于結(jié)構(gòu)圖紙建立的有限元模型只能準(zhǔn)確反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)重量，對(duì)于發(fā)電機(jī)平臺(tái)的水管、風(fēng)管、電纜、外舾裝件（欄桿、扶手、托架……）等非結(jié)構(gòu)、非集中的質(zhì)量，需要通過均布質(zhì)量的方式加載到發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架有限元模型中。通過與各船級(jí)社、設(shè)計(jì)公司的技術(shù)交流，同時(shí)查閱相關(guān)計(jì)算報(bào)告及科研文獻(xiàn)，目前業(yè)內(nèi)主要有兩種常用的均布質(zhì)量加載方式，即：

（1）通過修改板材密度，將上述非結(jié)構(gòu)質(zhì)量均攤到對(duì)應(yīng)板材上；

（2）通過PATRAN板單元的“Non-Structure”屬性，將非結(jié)構(gòu)質(zhì)量加載到板單元上。

通過重量統(tǒng)計(jì)，本船發(fā)電機(jī)平臺(tái)區(qū)域的水管、風(fēng)管、電纜、外舾裝件總重為3.8 t。以下為2種均布質(zhì)量模擬方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

（1）將3.8 t質(zhì)量以增加板材密度的形式均勻分布至整個(gè)發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架上，模態(tài)分析結(jié)果見圖4。

圖4 基于密度均布質(zhì)量加載方式的發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架15.42 Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

（2）將3.8 t質(zhì)量通過定義板單元“Non-Structure”屬性的形式均勻分布到整個(gè)發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架上?！癗on-Structure”模型區(qū)域及模態(tài)分析結(jié)果見圖5。

圖5 基于“Non-Structure”屬性均布質(zhì)量加載方式的發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架15.42Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

通過對(duì)比上述結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

修改板材密度的方式和定義板單元“Nonstructure”屬性這2種均布質(zhì)量加載方式，對(duì)于模態(tài)分析而言是完全相同的，但考慮到均布質(zhì)量加載的快速性和便捷性，即可認(rèn)為定義板單元“Nonstructure”屬性為最佳的均布質(zhì)量加載方案。

2.2 發(fā)電機(jī)及其基座模擬方式研究

本文研究對(duì)象為機(jī)艙左舷發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架，其上共有2臺(tái)發(fā)電機(jī)，靠近左舷的發(fā)電機(jī)濕重33.8 t，其基座重1.8 t；靠近船舯的發(fā)電機(jī)濕重36.4 t，其基座重1.8 t。發(fā)電機(jī)及其基座是發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架重量的主要組成成分，其模擬的準(zhǔn)確與否直接影響振動(dòng)預(yù)報(bào)的可靠性。

本文共提出4種不同的發(fā)電機(jī)及其基座的模擬方法以進(jìn)行對(duì)比研究，各種方法的模擬方式及其計(jì)算結(jié)果如下所示：

（1）將發(fā)電機(jī)濕重及其基座重量通過定義板單元“Non-Structure”屬性的形式，分別定義在各自基座區(qū)域的板單元上，模態(tài)分析結(jié)果見圖6。

圖6 發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架11.2 Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

（2）建立發(fā)電機(jī)基座模型，將發(fā)電機(jī)濕重（33.8 t）以質(zhì)量單元的形式均布在發(fā)電機(jī)基座上，分析結(jié)果見圖7。

圖7 發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架11.6 Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

（3）建立發(fā)電機(jī)基座，在發(fā)電機(jī)重心位置處建立集中質(zhì)量單元，并建立RBE2剛性連接到基座上。模態(tài)分析結(jié)果見下頁圖8。

圖8 發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架13.2 Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

（4）建立發(fā)電機(jī)基座，將發(fā)電機(jī)濕重（33.8 t），通過在發(fā)電機(jī)重心建立集中質(zhì)量單元并建立RBE3剛性連接到基座上。模態(tài)分析結(jié)果見圖9。

圖9 發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架12.3 Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)圖

通過對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）相比于直接將發(fā)電機(jī)基座以均布質(zhì)量的形式施加到發(fā)電機(jī)區(qū)域的板單元上的模擬方式，建立發(fā)電機(jī)基座有限元模型可提高發(fā)電機(jī)板架剛度，平臺(tái)板架固有頻率有所提升；

（2）相比于將發(fā)電機(jī)以質(zhì)量點(diǎn)的形式均布在發(fā)電機(jī)基座上的模擬方式，在發(fā)電機(jī)重心位置處建立質(zhì)量單元并通過REB2或REB3的方式連接到基座上，發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架剛度有所提升；

（3）RBE2的連接方式對(duì)于發(fā)電機(jī)平臺(tái)剛度的影響大于RBE3。

基于上述對(duì)比分析，可以認(rèn)為建立發(fā)電機(jī)基座有限元模型，并在發(fā)電機(jī)重心位置處建立質(zhì)量單元通過RBE3連接到基座上，這種方式更接近實(shí)際情況。理由如下：

（1）發(fā)電機(jī)基座作為發(fā)電機(jī)主要強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，其對(duì)于板架剛度的貢獻(xiàn)不可忽略，必須建立準(zhǔn)確的發(fā)電機(jī)基座有限元模型；

（2）相比于在基座上直接建立質(zhì)量單元，在重心建立質(zhì)量單元并通過剛性連接到基座上，更能體現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)體剛度的貢獻(xiàn)；

（3）RBE2與RBE3在NASTRAN中的計(jì)算機(jī)理是不同的，考慮到發(fā)電機(jī)與基座直接由減震器連接，并不是完全剛性連接，故認(rèn)為RBE3更準(zhǔn)確。

3 振動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果及實(shí)船測(cè)量驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果

通過上述對(duì)比分析研究，基于本文確定的發(fā)電機(jī)平臺(tái)板架有限元振動(dòng)預(yù)報(bào)方法，本人完成機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺(tái)有限元計(jì)算結(jié)果，確定其固有頻率為12.3 Hz，位于本船的頻率禁區(qū)之外，不存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 支線集裝船機(jī)艙振動(dòng)實(shí)船測(cè)試

實(shí)船測(cè)試既是對(duì)理論計(jì)算的實(shí)踐驗(yàn)證，又能為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。實(shí)船振動(dòng)測(cè)試結(jié)果能最直觀體現(xiàn)船舶振動(dòng)性能，通過測(cè)試結(jié)果很容易判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文選取某支線集裝箱船機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺(tái)附近區(qū)域作為測(cè)點(diǎn)，分別在試航壓載以及營(yíng)運(yùn)時(shí)滿載這兩種工況條件下，對(duì)所選測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某支線集裝箱船試航工況下機(jī)艙振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)

通過測(cè)試結(jié)果可以看出，在該支線集裝箱船在試航和滿載工況下機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)幅值滿足ISO6954-2000（E）振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了本文機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺(tái)局部振動(dòng)預(yù)報(bào)的效果。

4 結(jié) 論

針對(duì)發(fā)電機(jī)平臺(tái)振動(dòng)分析，采用3種不同模型化方式，對(duì)機(jī)艙分布質(zhì)量和集中質(zhì)量處理，通過計(jì)算結(jié)果分析和實(shí)船測(cè)量結(jié)果，結(jié)論如下：

（1）對(duì)于電纜、管系、舾裝件、甲板敷料等非大型集中質(zhì)量，通過定義板單元“Non-structure”屬性的方式模擬更快捷、高效和準(zhǔn)確；

（2）對(duì)于主機(jī)、發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙建立準(zhǔn)確的有限元基座模型，并在設(shè)備重心處建立質(zhì)量單元，通過RBE3連接到基座上進(jìn)行模擬。