李中揚(yáng)，張 弛

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

大開(kāi)口多用途船振動(dòng)特點(diǎn)研究

李中揚(yáng)，張 弛

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

中小型大開(kāi)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(dá)到綠色節(jié)能減排的要求，越來(lái)越多的中小型多用途船采用缸數(shù)更少的主機(jī)，而這種類型主機(jī)的相對(duì)較大的激振力更容易使主尺度較小的多用途船產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)。此類船舶多為歐洲船東，對(duì)舒適性有著更為苛刻的要求。為研究此類船舶的振動(dòng)問(wèn)題，采用有限元方法，對(duì)12500dw t多用途船的振動(dòng)作了以下研究：① 對(duì)船體梁、上層建筑和各層甲板進(jìn)行固有模態(tài)分析；② 對(duì)引起船體振動(dòng)的激振力進(jìn)行合理評(píng)估及取舍，在此基礎(chǔ)上對(duì)此船進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，并根據(jù)ISO 6954—2000振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估；③ 對(duì)于計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題作進(jìn)一步探討，提出一系列的改進(jìn)措施，并逐一驗(yàn)算比較。

大開(kāi)口；多用途船；整船振動(dòng)；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(jì)院自主開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)船型，方便靈活，用途廣泛，贏得了船東的好評(píng)。此種船舶主機(jī)選型一般功率相對(duì)較大，并且為了達(dá)到節(jié)能的目的，采用能耗更低的5缸柴油機(jī)并降功率運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致主機(jī)激振力較大。因此，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，對(duì)此種船舶進(jìn)行全船振動(dòng)分析評(píng)估是非常必要的。

該船大開(kāi)口的第二貨艙，重吊、多種貨物裝載是其最顯著的特點(diǎn)。由于其開(kāi)口較大，扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較低，很可能與船體梁水平振動(dòng)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?jiǎn)卧幕旌夏Ｐ筒粔蚩煽浚?］，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(kāi)口貨艙，其主要參數(shù)見(jiàn)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(dòng)的影響。這是對(duì)振動(dòng)評(píng)估非常不利的一個(gè)特點(diǎn)。

1.2激振力

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

該船配低速5缸柴油機(jī)，根據(jù)制造商資料，較大激勵(lì)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(jì)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(jī)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(xì)節(jié)比如雷達(dá)桅等。貨艙段及艏部的網(wǎng)格可采用較粗網(wǎng)格（見(jiàn)圖1），以縮短建模和計(jì)算時(shí)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(dòng)［2］。模型采用坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

2.2質(zhì)量分布調(diào)整

船體質(zhì)量分布是否正確對(duì)計(jì)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(shí)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(duì)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(guò)分布質(zhì)量點(diǎn)模擬；主機(jī)通過(guò)建立簡(jiǎn)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(shí)際位置分布以質(zhì)量點(diǎn)模擬。

附連水質(zhì)量對(duì)于船舶振動(dòng)的影響巨大，主要反映在參與船體振動(dòng)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(guò)施加一個(gè)附加質(zhì)量矩陣，實(shí)現(xiàn)不可壓縮流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。雖然虛質(zhì)量法需要對(duì)浸水單元周圍流場(chǎng)求解 Laplace方程［4］，對(duì)硬件要求較高，但前期卡片定義比較方便，隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算船體梁模態(tài)，可得其垂向前4階的固有頻率及對(duì)應(yīng)振型（見(jiàn)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(guò)與水平和扭轉(zhuǎn)有關(guān)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估。

由分析結(jié)果可見(jiàn)，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(dòng)。激振力的固有頻率與船體梁垂向固有頻率有一定錯(cuò)開(kāi)。

3.2局部模態(tài)分析

應(yīng)用MSC.NASTRAN軟件對(duì)局部板架進(jìn)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(rèn)為不會(huì)引起過(guò)大的局部振動(dòng)。

雷達(dá)桅一階振動(dòng)為x方向，固有頻率為f=4.55Hz；二階為y向振動(dòng)，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(jiàn)圖2、3）。

上層建筑縱向振動(dòng)的固有頻率見(jiàn)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(jì)算工況

常規(guī)船型計(jì)算振動(dòng)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(fù)雜，幾種滿載工況的貨物重心位置差距較大，對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。故該船在計(jì)算頻率響應(yīng)的時(shí)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(duì)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(duì)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(guò)程

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

船舶振動(dòng)阻尼是一個(gè)復(fù)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(jiàn)表4，其余頻率點(diǎn)處線性插值。

表4　結(jié)構(gòu)阻尼

4.3測(cè)點(diǎn)選取

該船在計(jì)算模型中選取了 18個(gè)測(cè)點(diǎn)，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(dá)桅平臺(tái)和船長(zhǎng)室的結(jié)果，并進(jìn)行分析、修改及驗(yàn)證。

上海市崇明區(qū)2016至2017年肺結(jié)核發(fā)病率從50歲開(kāi)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(shí)診療有關(guān)。2010年，全國(guó)第5次結(jié)核病流行病學(xué)抽樣調(diào)查報(bào)告[8]發(fā)現(xiàn)，老年肺結(jié)核患者中近40%無(wú)癥狀，有癥狀者未就診的比例也超過(guò)1/2。老年人群因年齡大、生理功能減退、抗病能力低下、愛(ài)集聚娛樂(lè)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(dǎo)致機(jī)體抵抗力下降有關(guān)[9]。

4.4計(jì)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(jì)算點(diǎn)在主機(jī)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(jiàn)表5），并根據(jù)ISO6954—2000［5］標(biāo)準(zhǔn)對(duì)響應(yīng)速度幅值進(jìn)行全頻率計(jì)權(quán)均方根值修正。

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

各計(jì)算點(diǎn)處的速度響應(yīng)值均滿足 ISO 6954—2000中的評(píng)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(zhǎng)和船寬方向的振動(dòng)。

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

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

但是，由于主機(jī)5階H型傾覆力矩引起的上層建筑y向振動(dòng)響應(yīng)依然較大。經(jīng)過(guò)與機(jī)艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)的比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)主發(fā)電機(jī)平臺(tái)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)很小；觀察其最大振動(dòng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)頻率下的振型，發(fā)現(xiàn)此振動(dòng)為船體梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)帶動(dòng)的上層建筑左右晃動(dòng)。振型見(jiàn)圖6。

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

圖4　船長(zhǎng)房間壓載工況下不帶補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)結(jié)果

圖5　船長(zhǎng)房間壓載工況下帶補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)結(jié)果

圖6　主機(jī)H型傾覆力矩引起的上層建筑y向振型

表6　改進(jìn)方案及計(jì)算結(jié)果

此外，對(duì)于滿載工況“2）”和“3）”也進(jìn)行了主機(jī)H型傾覆力矩為激振力的頻率響應(yīng)計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　不同的滿載工況下的結(jié)果

由此可見(jiàn)，不僅重量及其沿船長(zhǎng)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(duì)于均勻裝載的船舶，重量分布相對(duì)均勻，混合模型結(jié)果尚可；但對(duì)于大型集裝箱船及其他非常規(guī)船舶，貨物對(duì)船體的作用混合模型無(wú)法體現(xiàn)。

5　結(jié) 語(yǔ)

以上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)的12500dw t多用途船為例，對(duì)此種大開(kāi)口船型作了多種工況下的模態(tài)分析及振動(dòng)響應(yīng)分析，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1）由于此類船的特點(diǎn)（大主機(jī)降功率運(yùn)行、大開(kāi)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(jìn)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(jì)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(shí)如果出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，僅僅對(duì)艉部的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整效果并不顯著，因此，前期預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)重要。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，母型船振動(dòng)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(duì)于船舶振動(dòng)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(dòng)時(shí)其回復(fù)力的作用機(jī)制，以及對(duì)船體水平振動(dòng)的影響，值得繼續(xù)探索。

［1］ 金咸定，夏利娟. 船舶振動(dòng)學(xué)［M］. 上海：上海交通大學(xué)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(dòng)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(jìn). 大型液化氣船振動(dòng)計(jì)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(dòng)與響應(yīng)分析［J］. 中國(guó)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(yáng)，男，工程師，1983年生。2009年上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析工作。