潘溜溜，張 偉，徐智言，鄭君鎬

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

對于常規(guī)船體的振動分析與控制，目前主要分為兩個階段：一是建造前的全船振動固有頻率和響應預報以及板格、筋、板架、雷達桅等構(gòu)件的局部振動固有頻率分析；二是實船振動測量，并對超標的地方進行相關(guān)的再計算、再測量。每條船都是此兩階段的全部或局部組合，因船而異[1]。如，新船型的主機參數(shù)（缸數(shù)、NCR轉(zhuǎn)速、主機功率等）、螺旋槳參數(shù)（葉數(shù)、螺旋槳直徑等）和艉部型線等的修改，一般均需按兩個階段的全部流程進行，工作量較大；而對局部構(gòu)件共振，則可按第二階段流程進行。當然在實際操作過程中，為了找出原因（如共振頻率等）和解決問題（如降低響應等），分析流程可按不同分析任務而靈活調(diào)整。

前一階段主要采用：全船F(xiàn)EM固有頻率分析、全船F(xiàn)EM頻率響應分析[2]和局部構(gòu)件FEM固有頻率分析和局部構(gòu)件（規(guī)則布置）經(jīng)驗公式固有頻率分析等；后一階段主要采用：撞擊或臨時激振力激起結(jié)構(gòu)自由振動從而測出其固有頻率，以及試航時測出振動頻率和響應幅值。

本文以VLCC翼橋振動的實際為例，闡述了解決船體振動的整個思路以及所采用的相關(guān)技術(shù)。

1 全船振動模態(tài)分析及頻率響應預報

建模和計算軟件為MSC.Patran/Nastran。有限元模型如圖1所示。對于貨艙液體質(zhì)量的加載，采用MPC（多點約束）方法，即MSC.Nastran中RBE3單元；對于舷外附連水質(zhì)量，采用Nastran流固耦合Mfluid卡片進行加載。對于阻尼的輸入，采用BV（法國船級社）提供的參數(shù)：5Hz以下，阻尼為0.01；在8.5Hz時，阻尼為0.02；17Hz以上時，阻尼為0.04。見圖2。

全船振動模態(tài)分析及響應預報結(jié)果見圖3~7。圖3為便于在有限元軟件后處理時甄別出關(guān)鍵振型以及對應的固有頻率；圖4為關(guān)鍵振型之一；圖5、6和7為3個典型位置在滿載工況下的振動響應。

圖1 VLCC全船振動分析有限元模型

圖2 阻尼系數(shù)/頻率

圖 3 翼橋上某硬點處（左右舷各一點，并對稱）振型幅值/頻率分布

圖4 7.47Hz對應的扭轉(zhuǎn)振型

圖 5 翼橋右舷上某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

圖 6 駕駛室某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

圖 7 機控室某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

由全船振動模態(tài)分析及響應預報結(jié)果可以看出，主機在 68.5r/min附近翼橋端部縱向振動幅值較高，而機艙、甲板室各考查點振動幅值都在ISO 6954-1984（客船與商船機械振動標準）[3]要求范圍以內(nèi)。雖然翼橋端部不在ISO 6954考核區(qū)域內(nèi)，但是船東對主機在60r/min以上時翼橋端部振動幅值大小有一定的要求，因此必須采取措施降低主機在60r/min以上時翼橋端部縱向振動幅值。

2 翼橋減振方案

由全船振動模態(tài)分析及響應預報結(jié)果可以看出，主機在68.5r/min附近時翼橋端部縱向振動幅值較高，主要是由于甲板室（含翼橋）主要扭轉(zhuǎn)振型對應的固有頻率與主機7階H型水平導向力矩激振頻率發(fā)生共振造成的。而船東關(guān)注的是60~76r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動水平，因此需要把翼橋固有頻率提高到9Hz以上或者降低到7Hz以下。

有限元分析表明：若把翼橋固有頻率提高到9Hz以上，則翼橋結(jié)構(gòu)布置需大幅修改，權(quán)衡利弊后，決定采用翼橋端部附加質(zhì)量來降低甲板室（含翼橋）的扭轉(zhuǎn)振型固有頻率。同時在60r/min轉(zhuǎn)速以下，主機激振力相對 68.5r/min轉(zhuǎn)速時低，雖然降低甲板室扭轉(zhuǎn)振型固有頻率有可能造成與主機在低轉(zhuǎn)速時形成共振，但低轉(zhuǎn)速下主機激振力也會相應減小，因此共振下的響應幅值會有所下降。

3 附加質(zhì)量

為了確定翼橋端部附加質(zhì)量的大小，分別通過增加1t、3t、5t、7t質(zhì)量進行了全船模態(tài)分析，結(jié)果顯示：增加5t以上即可把甲板室（含翼橋）最大扭轉(zhuǎn)振型對應的固有頻率降低到7Hz以下，即共振轉(zhuǎn)速降低到60r/min以下。圖8為增加5t質(zhì)量后，甲板室（含翼橋）扭轉(zhuǎn)振型。

為了驗證FEM分析的準確性，對翼橋進行了撞擊試驗來測量其固有頻率。結(jié)果顯示：圖9實測結(jié)果為7.06Hz，圖8 FEM結(jié)果為6.90Hz，因此驗證了FEM分析結(jié)果可靠，同時確定了在翼橋上增加5t質(zhì)量后，其固有頻率可降低到7.06Hz（共振轉(zhuǎn)速為60.5r/min）。圖9和圖10為增加5t質(zhì)量后實測的時域響應和頻率響應。

圖8 6.90Hz對應的扭轉(zhuǎn)振型

圖9 翼橋撞擊后振動時域響應

圖10 翼橋撞擊后振動頻域響應

根據(jù)全船模態(tài)分析以及翼橋撞擊試驗的結(jié)果，綜合考慮決定在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內(nèi)）各增加7t質(zhì)量，并通過有限元分析確定翼橋及其甲板室支撐結(jié)構(gòu)來滿足強度要求。

4 試航振動實測

在試航過程中，按照ISO 6954-2000[4]的要求測量機艙以及甲板室內(nèi)典型位置的振動響應，結(jié)果全部滿足ISO 6954-2000的要求。

另外，對于船東特別關(guān)注的翼橋位置，分別在壓載和滿載，不附加質(zhì)量和附加質(zhì)量4種工況下測量翼橋端部振動響應。結(jié)果顯示：在壓載和滿載工況下，在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內(nèi)）各增加7t質(zhì)量后，共振轉(zhuǎn)速由66r/min降低到57r/min，各轉(zhuǎn)速（包含共振轉(zhuǎn)速）下翼橋端部振動響應，尤其是縱向振動響應大幅下降。圖11和圖12為壓載工況下翼橋端部縱向振動響應/轉(zhuǎn)速。圖12中由于57r/min附近測量轉(zhuǎn)速為2r/min/每檔，檔位太大，峰值沒有完全測出，加上此轉(zhuǎn)速激振力下降，因此57r/min處峰值不明顯。

圖11 壓載工況下翼橋端部振動響應/轉(zhuǎn)速（翼橋上增加7t質(zhì)量前）

圖12 壓載工況下翼橋端部振動響應/轉(zhuǎn)速（翼橋上增加7t質(zhì)量后）

5 結(jié) 語

通過全船振動模態(tài)分析和頻域響應分析，發(fā)現(xiàn)翼橋外端處縱向振動響應較大；在綜合考慮其激振力頻率及大小、船體振動預報結(jié)果以及船舶建造所處階段等諸多因素后，提出翼橋端部附加質(zhì)量從而避開共振區(qū)域、降低翼橋振動響應的方案，并再次進行模態(tài)分析等理論計算來驗證此方案的可行性，同時利用FEM對翼橋及其支撐結(jié)構(gòu)進行了強度校核。為了驗證理論計算的準確性，通過實船撞擊試驗來測量翼橋固有頻率，并對比、修正理論計算結(jié)果，從而確定附加質(zhì)量方案；試航實測證明此減振方案效果顯著，船東較滿意。

[1] 中國船級社. 船上振動控制指南2000[S]. 2000.

[2] 胡永利，林 一，譚 美. 半潛式平臺遭遇碰撞的結(jié)構(gòu)響應分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 46-53.

[3] ISO 6954 (1984). Mechanical vibration and shock - Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships[S].

[4] ISO 6954 (2000). Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships[S].