王輝輝，王秀蘭，江克進(jìn)

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司開發(fā)研究所，上海 200129）

0 引 言

在大型液化氣（LNG）船自主開發(fā)設(shè)計(jì)中，船舶振動(dòng)是船舶性能的重要指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)首次建造的14.7萬m3LNG船是在引進(jìn)國(guó)外圖紙基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的。該船總振動(dòng)性能良好，上層建筑振動(dòng)可以滿足ISO相關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，但未達(dá)到合同要求的舒適區(qū)范圍。尾端、直升機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)水平較高。

在深入研究14.7萬m3LNG船振動(dòng)分析報(bào)告的基礎(chǔ)上，滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司在以17萬m3系列LNG船為代表的大型LNG船的自主研發(fā)過程中，做了多方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用有限元法，對(duì)該船總振動(dòng)、上層建筑和機(jī)艙棚局部振動(dòng)進(jìn)行分析，并依據(jù)ISO6954-1984/2000振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該船的強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估。

1 17萬m3系列LNG船設(shè)計(jì)的改進(jìn)

17萬m3系列LNG船在設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)主要有以下幾個(gè)方面：

1) 采用雙尾鰭線型和雙槳推進(jìn)。由于港口條件限制，LNG船最大吃水是12m。所以隨著LNG船的大型化，更大的艙容一般通過增加船寬和船長(zhǎng)來滿足。淺吃水的船體需要采用雙尾鰭線型和雙槳推進(jìn)。采用雙槳推進(jìn)，不僅滿足大型船舶高服務(wù)航速所需的動(dòng)力要求，還能優(yōu)化螺旋槳效率，提高船舶的推進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性[1]；

2) 改用5葉槳。14.7萬m3LNG船使用的是4葉槳。通常，5葉槳的激振力約為4葉槳激振力的一半。根據(jù)后續(xù)有限元分析結(jié)果可見，5葉槳的葉頻和倍葉頻激振頻率均可避開上層建筑結(jié)構(gòu)整體及局部的自然頻率；

3) 取消直升機(jī)平臺(tái)，主甲板首尾貫通；

4) 在不影響機(jī)艙布置的前提下，盡可能考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)性，并適當(dāng)增加過渡結(jié)構(gòu)；

5) 對(duì)艉部線型過窄或突變處進(jìn)行修改；

6) 上層建筑和機(jī)艙棚區(qū)域布置與構(gòu)件選取重點(diǎn)考慮船體振動(dòng)要求，在大量計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性的加強(qiáng)措施。

2 計(jì)算模型

2.1 貨艙結(jié)構(gòu)概況

17萬m3系列LNG船貨艙區(qū)的典型結(jié)構(gòu)型式為雙底、雙殼、雙層橫艙壁、雙圍阱甲板，以此構(gòu)成液貨艙完整的雙殼結(jié)構(gòu)。該船載貨量約17萬m3，分為4個(gè)獨(dú)立的液貨艙。雙艉鰭、雙槳，配備低速柴油機(jī)和再液化系統(tǒng)。

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

采用MSC.PATRAN軟件建立LNG船整船有限元模型，為保證計(jì)算精度，上層建筑甲板、艉部、機(jī)艙甲板等區(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(xì)節(jié)（見圖1）。

2.3 質(zhì)量分布調(diào)整

船體梁質(zhì)量分布正確與否對(duì)計(jì)算該船固有頻率與振型非常重要，所以使模型的質(zhì)量分布與實(shí)船質(zhì)量分布相吻合顯得尤為重要。船舶質(zhì)量包括結(jié)構(gòu)、舾裝和設(shè)備質(zhì)量等。上層建筑甲板的非結(jié)構(gòu)的舾裝設(shè)備質(zhì)量可按單位面積均布，在缺乏精確的質(zhì)量數(shù)據(jù)情況下，每平方米的初始質(zhì)量分布可以按照如下標(biāo)準(zhǔn)：室內(nèi)甲板區(qū)域采用75kg/m2，室外甲板區(qū)域采用30kg/m2，在重裝備區(qū)域采用100kg/m2[2]；掛舵臂、舵、螺旋槳、舵機(jī)、救生艇、發(fā)電機(jī)、艏艉部舾裝設(shè)備等大質(zhì)量舾裝件通過分布質(zhì)量點(diǎn)模擬；模型中通過建立主機(jī)有限元模型模擬其質(zhì)量與剛度；滿載和輕壓載兩種工況下的絕緣箱、貨物及壓載水質(zhì)量也按照實(shí)際位置分布以質(zhì)量點(diǎn)來模擬。

附連水質(zhì)量是振動(dòng)計(jì)算中不能忽視的一個(gè)要素。采用三維源匯理論基于面元法進(jìn)行計(jì)算。具體應(yīng)用ABS PRECAL軟件通過定義水動(dòng)力濕表面模型，并考慮艏艉吃水高度，準(zhǔn)確定義了兩種裝載工況下的附連水質(zhì)量。

圖1 LNG船整船結(jié)構(gòu)有限元模型（半寬）

3 工況及載荷

分析考慮了大型LNG船兩種典型裝載工況：滿載出港和壓載到港。

引起船體振動(dòng)的激振力，主要來自螺旋槳和主機(jī)。螺旋槳激勵(lì)分為軸承力、舵力和表面脈動(dòng)壓力；主機(jī)激勵(lì)分為1階、2階不平衡力矩和H、X、L型激勵(lì)。

螺旋槳誘導(dǎo)的對(duì)船體尾部表面的脈動(dòng)壓力是船體振動(dòng)最主要的激勵(lì)源之一。該船配備2只5葉螺旋槳，單只最大轉(zhuǎn)速均為84.5r/min，葉頻為7.04Hz，倍葉頻為14.08Hz。根據(jù)ABS PRECAL軟件計(jì)算分析結(jié)果，滿載工況最大工作轉(zhuǎn)速時(shí)葉頻和倍葉頻脈動(dòng)壓力分布見圖2、3。

該船配備低速柴油機(jī)，型號(hào)為6S70ME-C8.2。根據(jù)主機(jī)制造商提供的資料，有可能引起船體振動(dòng)的較大激勵(lì)為該型主機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生的 3階 X型內(nèi)力力矩（876kN*m）和 6階 H型外力力矩（1536kN*m）。

圖2 滿載最大工作轉(zhuǎn)速下葉頻誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力分布

圖3 滿載最大工作轉(zhuǎn)速下倍葉頻誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力分布

4 分析方法

應(yīng)用 MSC.NASTRAN軟件分析求解。選擇正則模態(tài)模塊計(jì)算整船模型固有頻率與振型，用頻率響應(yīng)分析模塊計(jì)算該船體梁在主機(jī)和螺旋槳激振力作用下的響應(yīng)。計(jì)算時(shí)，船體呈自由懸浮狀態(tài)。

在頻域響應(yīng)計(jì)算中，選取合適的阻尼是非常重要的。在結(jié)構(gòu)固有頻率和振型都得到確認(rèn)的情況下，共振時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)幅值將完全取決于阻尼和激振力的大小[3]。阻尼越小，振動(dòng)越劇烈。本計(jì)算中選取由ABS推薦的恒定臨界阻尼值的1.5%[4]。

5 結(jié)果分析

5.1 整船模型固有頻率與振型

兩種裝載工況下整船模型垂向彎曲振動(dòng)前4諧調(diào)的固有頻率及所對(duì)應(yīng)的振型見表1。

表1 兩種工況模型固有頻率及振型

從分析結(jié)果可以看出：比較壓載和滿載工況，一般滿載模型的自然頻率較壓載時(shí)低。這也符合理論分析的結(jié)果，因?yàn)闈M載工況模型的剛度不變而有更大的質(zhì)量，而輕壓載工況兩舷壓載艙遠(yuǎn)離中心線導(dǎo)致更大的扭轉(zhuǎn)慣性矩。

計(jì)算結(jié)果表明，螺旋槳葉頻和倍葉頻均已大大超過船體垂向振動(dòng)前4階固有頻率，故不會(huì)引起明顯的船體垂向總振動(dòng)。

5.2 上層建筑及機(jī)艙棚局部固有頻率與振型

船舶像一根浮在水面上的空心梁，其自身剛度很小，所以固有頻率較低。上層建筑及機(jī)艙棚局部相對(duì)船體梁而言，剛度較大，因此，在分析船體自由振動(dòng)的過程中，需要將上層建筑及機(jī)艙棚的振型從整體有限元模型中分離出來，找出上層建筑及機(jī)艙棚局部的固有頻率與振型。上層建筑及機(jī)艙棚局部的固有頻率應(yīng)至少避開螺旋槳葉頻激振頻率±10%以內(nèi)的范圍[5]。

在整體模型中可以得到上層建筑及機(jī)艙棚整體、機(jī)艙棚、局部翼橋的固有頻率及相應(yīng)的振型見表2。

表2 上層建筑及機(jī)艙棚固有頻率及振型

計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)艙棚縱向一階、機(jī)艙棚及上層建筑整體橫向和縱向一階固有頻率都高于螺旋槳葉頻激振頻率10%（7.744Hz），局部翼橋固有頻率高于螺旋槳倍葉頻激振頻率±10%（15.488Hz），均不會(huì)引起較大的振動(dòng)。

5.3 強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)

5.3.1 強(qiáng)迫振動(dòng)衡準(zhǔn)

ISO6954-1984/2000振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)適用于船舶的居住和工作區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)推薦值見表3、4。對(duì)船體結(jié)構(gòu)而言，為避免振動(dòng)引起破壞，船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的極值一般要求<30mm/s。

表3 ISO6954-1984居住和工作區(qū)振動(dòng)水平推薦值

表4 ISO6954-2000振動(dòng)水平推薦值

5.3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)

強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的典型位置依據(jù)船級(jí)社規(guī)定范圍選取，上層建筑各層甲板、機(jī)艙各層平臺(tái)、機(jī)艙棚各層甲板等部位均應(yīng)選取相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算。

以上層建筑駕駛甲板為例，強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的典型位置見圖4，響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表5。

上層建筑其他甲板、機(jī)艙各層平臺(tái)、機(jī)艙棚各層甲板各典型位置最大速率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表6。

滿載工況下，機(jī)艙棚C1、D1甲板速率響應(yīng)見圖5～8。

計(jì)算結(jié)果表明，上層建筑振動(dòng)水平基本處于ISO6954-1984/2000標(biāo)準(zhǔn)的舒適區(qū)范圍。機(jī)艙棚的振動(dòng)水平較高，對(duì)此采取了增加支柱的加強(qiáng)措施，使得機(jī)艙棚各層平臺(tái)的連接更加緊密。改進(jìn)后的驗(yàn)證計(jì)算表明，機(jī)艙棚的振動(dòng)水平得到改善。

圖4 駕駛甲板強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)典型位置

表5 駕駛甲板最大速率響應(yīng)值

表6 上層建筑甲板、機(jī)艙平臺(tái)、機(jī)艙棚甲板最大速率響應(yīng)值

圖5 機(jī)艙棚C1甲板速率響應(yīng)圖（水平）

圖6 機(jī)艙棚C1甲板速率響應(yīng)圖（垂向）

圖7 機(jī)艙棚D1甲板速率響應(yīng)圖（水平）

圖8 機(jī)艙棚D1甲板速率響應(yīng)圖（垂向）

6 結(jié) 語

通過對(duì)某17萬m3系列LNG船在兩種裝載狀態(tài)下的固有頻率、振型分析，以及對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的預(yù)報(bào)，可以看出，該船絕大部分區(qū)域的振動(dòng)預(yù)報(bào)值均滿足ISO6954-1984/2000標(biāo)準(zhǔn)，也小于結(jié)構(gòu)破壞所允許的衡準(zhǔn)值，振動(dòng)性能良好，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，滿足振動(dòng)特性技術(shù)要求。

相對(duì)于14.7萬m3LNG船而言，17萬m3系列LNG船由于結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)而帶來的振動(dòng)水平改善主要表現(xiàn)為：

1) 對(duì)于大型LNG船而言，采用雙艉鰭和雙槳推進(jìn)，不僅能提高螺旋槳單槳推進(jìn)效率，對(duì)船體尾部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平也有改善；

2) 4葉槳改用5葉槳后螺旋槳的葉頻和倍葉頻激振頻率均可避開上層建筑共振區(qū)，上層建筑振動(dòng)水平得到改善；

3) 盡可能考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)性對(duì)改善船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平有利。

[1] 宋吉衛(wèi)，陳紅梅. 大型液化氣船線性設(shè)計(jì)若干問題研究[J]. 上海造船，2011（4）：1-3.

[2] 張匯平. 87000dwt雙殼散貨船振動(dòng)分析[C]. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)論文集. 2011：95-105.

[3] 張新偉，等. 40萬t礦砂船全船和局部振動(dòng)研究[J]. 中國(guó)造船，2011，52（1）：26-38.

[4] ABS. Guide Notes on Ship Vibration[S]. Houston：ABS Plaza，2006.

[5] O.M.帕利，等. 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2007.