陳志堅(jiān)，葛冀歡，王　瑞（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

波浪載荷對(duì)船舶柴油機(jī)振動(dòng)的影響研究

陳志堅(jiān)，葛冀歡，王瑞
（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

為避免波浪載荷對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行造成安全性的影響，本文利用 AQWA 軟件計(jì)算波浪的動(dòng)壓力，采用APDL 語(yǔ)言編寫(xiě)加載程序?qū)嵭胁ɡ溯d荷對(duì)船體的自動(dòng)施加，研究在不同波浪高的情況下，柴油機(jī)受波浪載荷的諧響應(yīng)作用。研究結(jié)果表明，如果激勵(lì)頻率過(guò)小，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力都較大，發(fā)生共振作用，柴油機(jī)動(dòng)力特性就會(huì)減弱，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定；如果激勵(lì)頻率過(guò)大，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力會(huì)在極小值附近來(lái)回?cái)[動(dòng)，這樣容易對(duì)柴油機(jī)整體造成簡(jiǎn)諧力的作用，柴油機(jī)會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

波浪載荷；柴油機(jī)振動(dòng)；諧響應(yīng)分析；振幅；應(yīng)力

0　引 言

隨著時(shí)代背景的演變，船舶朝著大型化、高功率化的方向發(fā)展，船舶柴油機(jī)的剛性也在不斷加大［1-2］，但是船體的剛性卻相對(duì)變小，所以波浪對(duì)船舶柴油機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)有著不可忽視的影響，各個(gè)隔振器的位置也因?yàn)榇w變形而改變，造成船舶柴油機(jī)的振動(dòng)情況發(fā)生改變，危害到船舶航行的安全，所以研究波浪載荷對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)影響具有非常重要的意義。

本文研究主要基于 1 艘集裝箱船。利用 Ansys 有限元分析軟件［3-4］，首先對(duì)整個(gè)船舶進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用 AQWA 計(jì)算波浪的動(dòng)壓力，采用 APDL 語(yǔ)言編寫(xiě)加載程序?qū)嵭胁ɡ溯d荷的自動(dòng)施加，利用慣性釋放處理邊界條件計(jì)算得出柴油機(jī)振動(dòng)情況的變化。研究結(jié)果顯示，波浪載荷對(duì)柴油機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)比較惡劣的影響主要集中在低階和高階激勵(lì)頻率，避免低階激勵(lì)頻率振動(dòng)和高階激勵(lì)頻率簡(jiǎn)諧應(yīng)力作用的影響會(huì)對(duì)柴油機(jī)安全運(yùn)行起到極大的幫助。

1　計(jì)算數(shù)學(xué)模型

1.1波浪載荷的計(jì)算方程

關(guān)于波浪載荷的計(jì)算有以下 3個(gè)前提：

1）將流體看作理想狀況，即忽略粘性和壓縮性；

2）將流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)作為沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的勢(shì)流運(yùn)動(dòng)處理；

3）設(shè)定在微幅波的情況下，即波高相對(duì)波長(zhǎng)非常小。

波浪運(yùn)動(dòng)和計(jì)算參數(shù)模型如圖1所示。

圖1　波浪運(yùn)動(dòng)圖Fig.1　Wave motion graph

波流場(chǎng)中的壓力表達(dá)式如下：

選取一個(gè)隨船運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，設(shè)定 X 軸正向?yàn)榇追较?，Y 軸正向?yàn)榇髠?cè)，Z 軸朝上。原點(diǎn)設(shè)定在船尾與船底中線相交處的豎線面、中剖面、縱剖面的交點(diǎn)。波浪的方向和 X 軸的夾角為 β，規(guī)定船舶迎浪時(shí)，β=180°。設(shè)定在任何時(shí)刻，該坐標(biāo)系都處于船舶搖晃的瞬時(shí)平衡位置，在傅汝德-克雷洛夫假設(shè)的條件下，得到波動(dòng)壓力的表達(dá)式為：

波浪動(dòng)壓力在船體濕表面的積分，表示為在船體上作用的波浪擾動(dòng)力和力矩：

式中：s為船體的濕表面積；n為 s的單位外法線矢量，方向指向船體外部；r為動(dòng)壓力作用點(diǎn)相對(duì)于隨船坐標(biāo)系的位置向量。

按照船舶和柴油機(jī)力傳遞的比例關(guān)系，將以上分析的力加載到柴油機(jī)的底部，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求出柴油機(jī)在波浪載荷下的振動(dòng)規(guī)律。

1.2柴油機(jī)諧響應(yīng)方程

通常意義上的諧響應(yīng)分析是指在某一指定的頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)受到循環(huán)載荷作用而產(chǎn)生相應(yīng)的隨頻率變化的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并且做出響應(yīng)—頻率線型圖。整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程：

式中：［M］為質(zhì)量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛F（t）｝為結(jié)構(gòu)外載荷矢量；為節(jié)點(diǎn)加速度矢量；為節(jié)點(diǎn)速度矢量；為節(jié)點(diǎn)位移矢量。

2　計(jì)算實(shí)例

2.1分析對(duì)象的基本參數(shù)

本文研究主要是基于 1 艘 8530TEU 集裝箱船，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：垂線間長(zhǎng) 320.00m，型寬 42.80m，型深 24.80m，設(shè)計(jì)吃水 14.65m，排水量 137 253 t。柴油機(jī)釆用單層 6個(gè)隔振器支撐，參數(shù)如下：

氣缸直徑：0.17m；

活塞行程：0.19m；

額定功率：1 500 kW

發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速：1 800 r/min；

最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速：600 r/min；

外形尺寸：長(zhǎng) 3.053m；寬 1.992m；高 1.770m。

2.2分析對(duì)象模型的繪制

根據(jù)以上參數(shù)對(duì)計(jì)算物理模型進(jìn)行繪制，應(yīng)用Ansys 有限元分析軟件建立 8530TEU 集裝箱船的有限元模型，主要采用 SHELL163 單元和 BEAM188 單元模擬船體板梁結(jié)構(gòu)，模型包括 95 728個(gè)單元和 918 481個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖2所示。

圖2　船舶有限元模型Fig.2　Finite element model of ship

根據(jù)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用 PRO/E 對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行模型的繪制，模型如圖3所示。

圖3　船舶發(fā)動(dòng)機(jī)模型Fig.3　Ship engine model

2.3波浪參數(shù)的確定

船舶柴油機(jī)受波浪載荷影響的時(shí)候，一般選擇波浪彎矩最大的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行研究［5-7］，在波長(zhǎng)和船長(zhǎng)相等的情況下，波浪彎矩達(dá)到最大，來(lái)保證船舶航行的安全，因此，取波長(zhǎng)根據(jù)公式換算得到波浪頻率為 0.4。

全球各大海域頻繁出現(xiàn)的海情為 2～6 級(jí)浪，6 級(jí)以上的波浪發(fā)生頻率較低［8］。取較為常見(jiàn)的波高 2m，4m和極限海況下波高 H=6m 作為波浪波高，最終需要的波浪參數(shù)如表1所示，

表1　波浪參數(shù)表Tab.1 Wave parameter list

波浪來(lái)流方向?yàn)榇?，入射角設(shè)為 -180°，根據(jù)以上參數(shù)即可計(jì)算波浪載荷對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的影響。

2.4波浪載荷對(duì)柴油機(jī)振幅的影響

在 2m，4m和 6m 波高時(shí)，柴油機(jī)受到波浪載荷的作用產(chǎn)生振幅，如圖4～圖6所示。

圖4　2m 波高的柴油機(jī)振幅Fig.4　Diesel engine amplitude of 2m high wave

圖5　4m 波高的柴油機(jī)振幅Fig.5　Diesel engine amplitude of 4m high wave

圖6　6m 波高的柴油機(jī)振幅Fig.6　Diesel engine amplitude of 6m high wave

由圖可知，波浪載荷對(duì)柴油機(jī)的低階振動(dòng)影響比較明顯，共振振幅較大，高階響應(yīng)振幅降低，振動(dòng)的過(guò)度區(qū)域較陡；隨著激勵(lì)頻率的升高，諧響應(yīng)振動(dòng)迅速降低；激勵(lì)頻率在 50～100 Hz 區(qū)間時(shí)，共振也會(huì)發(fā)生，但是振幅不是很大，和低階共振的振幅相差 3個(gè)等量級(jí)；在 100～120 Hz的激勵(lì)頻率區(qū)間內(nèi)，柴油機(jī)的振幅逐漸上升，但是上升的幅度不是很大。因此盡量避免低階頻率的對(duì)柴油機(jī)的激勵(lì)作用，降低柴油機(jī)的諧響應(yīng)振幅。

2.5波浪載荷對(duì)柴油機(jī)受力的影響

諧響應(yīng)的應(yīng)力作用會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生疲勞破壞作用，因此柴油機(jī)受到波浪載荷的應(yīng)力作用不可忽視，不同波高情況下柴油機(jī)受到的應(yīng)力作用如圖7～圖9所示。

圖7　2m 波高的柴油機(jī)應(yīng)力Fig.7　Diesel engine stress of 2m high wave

圖8　4m 波高的柴油機(jī)應(yīng)力Fig.8　Diesel engine stress of 4m high wave

圖9　6m 波高的柴油機(jī)應(yīng)力Fig.9　Diesel engine stress of 6m high wave

由圖可知，波浪載荷對(duì)柴油機(jī)的低階振動(dòng)的應(yīng)力影響比較大，共振應(yīng)力較大，高階響應(yīng)下的應(yīng)力降低，振動(dòng)應(yīng)力的過(guò)度區(qū)域較陡；隨著激勵(lì)頻率的升高，諧響應(yīng)振動(dòng)應(yīng)力迅速降低，低階振動(dòng)的應(yīng)力相差3個(gè)等量級(jí)；如圖所示在 90 Hz 附近時(shí)，會(huì)有無(wú)應(yīng)力的情況發(fā)生，這樣就會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生很大的疲勞破壞作用，因此應(yīng)該加裝合適的隔振器，避免高階和低階頻率對(duì)柴油機(jī)的激勵(lì)作用。

綜合以上分析，振動(dòng)應(yīng)力的激勵(lì)頻率和振幅的頻率相對(duì)應(yīng)，都有極大值和極小值，諧響應(yīng)數(shù)值相差較大，諧響應(yīng)作用比較明顯，對(duì)柴油機(jī)有相當(dāng)大的疲勞破壞作用

如果激勵(lì)頻率過(guò)小，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力都較大，發(fā)生共振作用，柴油機(jī)動(dòng)力特性就會(huì)減弱，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定；如果激勵(lì)頻率過(guò)大，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力都會(huì)減到極低值，這樣容易導(dǎo)致簡(jiǎn)諧力的作用，柴油機(jī)會(huì)發(fā)生疲勞破壞。因此對(duì)于同一柴油機(jī)，激勵(lì)頻率要適當(dāng)，安裝適當(dāng)?shù)母粽衿鲗?duì)柴油機(jī)能夠起到保護(hù)作用，及時(shí)對(duì)隔振器檢查和檢測(cè)，避免柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。

3　結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析可得出以下結(jié)論：

1）激勵(lì)頻率過(guò)小，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力都較大，發(fā)生共振作用，柴油機(jī)動(dòng)力特性就會(huì)減弱，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定；如果激勵(lì)頻率過(guò)大，柴油機(jī)的振幅和應(yīng)力都會(huì)減到極小值，在此附近的激勵(lì)會(huì)對(duì)柴油機(jī)造成疲勞破壞作用。

2）對(duì)于同一柴油機(jī)，安裝適當(dāng)?shù)母粽衿鲗?duì)柴油機(jī)能夠起到保護(hù)作用，波浪載荷對(duì)柴油機(jī)和隔振器有疲勞破壞作用，因此及時(shí)對(duì)隔振器檢查和檢測(cè)，避免柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。

3）該研究分析對(duì)在海上航行的船舶安全提供了很大的幫助，為船舶柴油機(jī)的建造提供了理論技術(shù)支持，結(jié)論具有普遍使用性。

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Research on the influence of wave load on the vibration of marine diesel engine

CHEN Zhi-jian，GE Ji-huan，WANG Rui
（Wuhan University of Technology，School of Energy and Power Engineering，Wuhan 430063，China）

In order to avoid the influence of wave load on the operation of diesel engine.In this paper，AQWA software is used to calculate the dynamic pressure of waves，Using the APDL language to write the loading program to carry out the automatic application of wave load on the hull.Studying the harmonic response of diesel engine by different wave load.The results show that：if the excitation frequency is too small，the amplitude and stress of the diesel engine larger，diesel engine dynamic characteristics will be weakened，resulting in unstable operation of the diesel engine； if the excitation frequency is too large，the amplitude and stress of the diesel engine swinging back and forth near minima value，so easy to put the harmonic force on the whole body of diesel engine.Diesel opportunity to has fatigue failure behavior.

wave loading；diesel engine vibration；harmonic response analysis；amplitude；stress

U661.31+

A

1672-7619（2016）07-0035-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.008

2016-02-26；

2016-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51139005）

陳志堅(jiān)（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力關(guān)鍵技術(shù)。