沈玉琦 孫雪榮

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

超大型半潛船振動(dòng)設(shè)計(jì)研究
——甲板室總振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

沈玉琦 孫雪榮

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

采用三維有限元分析技術(shù)、依托項(xiàng)目船型進(jìn)行四種不同設(shè)計(jì)方案的甲板室總體振動(dòng)研究，從增加甲板室支撐剛度和剪切剛度出發(fā)，結(jié)合半潛船自身的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，研究各方案對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響及優(yōu)缺點(diǎn)，為超大型半潛船的甲板室振動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐。

三維有限元方法；總體振動(dòng)；甲板室；結(jié)構(gòu)布置；半潛船

引 言

半潛船指有較大開(kāi)敞露天載貨甲板，首部或尾部有較高上層建筑（或甲板室或浮箱），并且在裝卸貨物作業(yè)過(guò)程中呈半潛狀態(tài)的船舶［1］。與常規(guī)貨船相比，半潛船有其獨(dú)特的貨物裝載方式：先往壓載艙內(nèi)注入壓載水，使船半潛至水面下一定深度；然后將漂浮在水面上的大型貨物定位到主甲板上方；再通過(guò)排放壓載水，使船體上浮，從而將貨物托出水面，使其承載在主甲板上進(jìn)行運(yùn)輸。這一獨(dú)特的半潛裝卸功能使半潛船能夠承運(yùn)重吊船、滾裝船和起重船等均無(wú)法承運(yùn)的大型海洋設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)物。

近年來(lái)，隨著海工裝備日趨大型化，以重貨運(yùn)輸市場(chǎng)為主要導(dǎo)向因素的半潛船其船型尺度也隨之增加，載重噸和載貨尺寸均呈現(xiàn)跨越式發(fā)展。由于半潛船市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、半潛船攜帶技術(shù)人員的數(shù)量也日趨增加，因此對(duì)于甲板室結(jié)構(gòu)的舒適性設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。將甲板室布置于高大的首樓也是由半潛船特殊的貨物運(yùn)輸要求和較深的下潛吃水所決定，然而甲板室尺寸又受到首樓甲板布置的限制。因此，在控制甲板室總體質(zhì)量的前提下，如何有效平衡局部強(qiáng)度與振動(dòng)已成為大型半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文主要闡述依托項(xiàng)目“某90 000載重噸級(jí)超大型半潛船”的甲板室總體振動(dòng)設(shè)計(jì)。該船的門(mén)字形甲板室布置于首樓甲板，主機(jī)與首側(cè)推裝置均位于首部甲板室下方，螺旋槳布置于尾部并帶導(dǎo)流罩。門(mén)字形甲板室長(zhǎng)14.4 m、寬42.5 m、高17.85 m，共計(jì)6層。甲板室底部距基線35.0 m，甲板室重約930 t（不含煙囪）。文中結(jié)合本船實(shí)際布置和不可協(xié)調(diào)因素，除初始方案以外，另采用四種方案進(jìn)行甲板室整體振動(dòng)的分析設(shè)計(jì)，以期提高甲板室整體支撐剛度或甲板室抗剪切剛度［2］。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 初始方案

初始方案如圖1所示。

圖1 初始方案

1.2 方案1

協(xié)調(diào)內(nèi)部艙室布置，增設(shè)FR94+800內(nèi)部橫艙壁及下圍壁（見(jiàn)圖2）。

圖2 方案1 增設(shè)橫壁

1.3 方案2

協(xié)調(diào)內(nèi)部艙室布置，將距中不連續(xù)8 500 mm縱壁更改為連續(xù)縱壁，同時(shí)協(xié)調(diào)內(nèi)部設(shè)計(jì)，開(kāi)設(shè)門(mén)洞局部加強(qiáng)（見(jiàn)圖3）。

圖3 方案2 連續(xù)縱壁

1.4 方案3

協(xié)調(diào)外部首樓甲板布置，左右舷側(cè)壁、中縱桁以及距中2 550 mm間增加大肘板結(jié)構(gòu)，以增加甲板室底部剛度（見(jiàn)圖4）。

圖4 方案3 底部局部加強(qiáng)

1.5 方案4

協(xié)調(diào)外部首樓甲板布置，甲板室前端壁和左右側(cè)壁外增加FR97-FR98景觀性外圍壁（見(jiàn)圖5）。

圖5 方案4 前端壁對(duì)齊主船體橫壁

2 甲板室總振動(dòng)計(jì)算

甲板室總振動(dòng)計(jì)算采用三維有限元法，借助有限元軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN，以骨材間距為單元間距，采用四邊形殼體單元結(jié)合兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M甲板室整體結(jié)構(gòu)，建立如圖6所示有限元計(jì)算模型；同時(shí)按照甲板室質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)格區(qū)分各層甲板板材及圍壁質(zhì)量分類(lèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)模型質(zhì)量逐層進(jìn)行調(diào)整，使甲板室質(zhì)量分布基本與實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致。

本船煙囪底部與甲板室底部連接。為全面考慮甲板室底部支撐剛度的影響，甲板室整體固有頻率計(jì)算的有限元模型中應(yīng)包含全部的煙囪結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的總重。

圖6 甲板室整體有限元模型

本船甲板室整體坐落于首樓甲板，不同方案的有限元計(jì)算僅限于對(duì)不同方案下甲板室總縱一階固有頻率的研究及分析，因此有限元模型在首樓甲板截?cái)嗵幗y(tǒng)一按照簡(jiǎn)支處理。

有限元計(jì)算所得甲板室總縱一階固有頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表1，縱向一階振型典型示意圖見(jiàn)下頁(yè)圖7。

實(shí)船設(shè)計(jì)中，確定甲板室的總振動(dòng)固有頻率值需注意綜合考慮首樓甲板下結(jié)構(gòu)支撐剛度的影響，而不僅是簡(jiǎn)單地進(jìn)行簡(jiǎn)支或剛固處理。

表1 有限元計(jì)算結(jié)果列表Hz

圖7 一階縱向振型典型示意圖

3 基于設(shè)計(jì)考慮的不同結(jié)構(gòu)方案

本船甲板室長(zhǎng)14.4 m、寬42.5 m、高17.85 m，共計(jì)6層，內(nèi)部無(wú)連續(xù)縱壁（初始方案），前端壁與主船體內(nèi)橫艙壁未對(duì)齊，甲板室尺度本身決定了其縱向剛度較弱，內(nèi)部布置及與主船體的連接也導(dǎo)致上層建筑的剪切剛度和支撐剛度均偏弱。文中比較的四種方案均以增加甲板室的剪切剛度或支撐剛度為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)考慮本船實(shí)際可行性布置，以切合依托船型的實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)為基本宗旨，綜合比較各方案利弊，為依托船型甲板室的振動(dòng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

不同方案所引發(fā)的甲板室質(zhì)量調(diào)整和固有頻率變化見(jiàn)表2。

表2 不同方案比較

綜合表1和表2的數(shù)據(jù)可知：

方案2以增加最少的結(jié)構(gòu)質(zhì)量來(lái)盡可能提高甲板室整體縱向剛度，與螺旋槳葉頻激勵(lì)錯(cuò)開(kāi)大于20%，從理論上支撐了本船初始甲板室設(shè)計(jì)必須提高其縱向抗剪切面面積，進(jìn)而提高縱向剪切剛度的技術(shù)思路。

方案1 由本船內(nèi)部布置出發(fā)，利用原艙室布置，增設(shè)內(nèi)部橫艙壁，因此改動(dòng)較少。但該方案缺點(diǎn)是因增設(shè)橫艙壁而引起局部縱壁結(jié)構(gòu)上下未對(duì)齊、首樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件不連續(xù)、甲板室質(zhì)量增加較多以及甲板室整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處較多。

方案2 基于本船內(nèi)部布置和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，增設(shè)內(nèi)部完整連續(xù)的8 500 mm左右兩道對(duì)稱縱壁，船體結(jié)構(gòu)調(diào)整較少，甲板室整體剪切剛度增加效果明顯。但該方案引起內(nèi)部艙室調(diào)整幅度很大，共計(jì)三層甲板的房間均需重新調(diào)整，配套的管路、電纜、通風(fēng)等均需同步調(diào)整。

方案3 基于本船外部布置和增加甲板室的支撐剛度。不過(guò)，該方案雖然利用了總體布置，但嚴(yán)重影響甲板室美觀，且甲板室整體剛度增加有限。

方案4 基于本船外部布置和增加甲板室剪切及支撐剛度，甲板室外部美觀有所改善，甲板室前端壁與主船體橫艙壁實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。不過(guò)，該方案首樓甲板布置需要調(diào)整，甲板室質(zhì)量增加較多。

本文以方案2的甲板室詳細(xì)有限元模型為基礎(chǔ)，結(jié)合全船有限元模型［4-5］（綜合后的全船有限元模型見(jiàn)圖8），并詳細(xì)模擬空船質(zhì)量和典型工況質(zhì)量分布信息，進(jìn)行甲板室整體振動(dòng)固有頻率復(fù)算，得出典型裝載下的甲板室一階縱向固有頻率值為8.64，從而進(jìn)一步確定具體方案2下的甲板室整體縱向一階固有頻率值，與螺旋槳葉頻激勵(lì)錯(cuò)開(kāi)提高至24%。

圖8 綜合全船有限元模型示意圖

4 結(jié) 論

由以上各方案甲板室整體一階縱向固有頻率計(jì)算結(jié)果可知，增設(shè)內(nèi)部連續(xù)8 500 mm縱艙壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案2，是以切合依托船型的實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)為基本原則，直接增加上層建筑的縱向剪切剛度，以增加最少甲板室質(zhì)量來(lái)達(dá)到剛度最大化的效果，從而為以后同類(lèi)型超大型半潛船的甲板室整體振動(dòng)設(shè)計(jì)提供較強(qiáng)的理論和技術(shù)支撐。

本文旨在提醒以后同類(lèi)型布置的超大型半潛船甲板室整體設(shè)計(jì)務(wù)必嚴(yán)格注意甲板室的整體剪切剛度和支撐剛度，從而在前期設(shè)計(jì)階段有效預(yù)防甲板室的整體振動(dòng)。

［1］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.2014.

［2］中國(guó)船級(jí)社.船上振動(dòng)控制指南［S］.2010.

［3］金咸定，夏利娟.船體振動(dòng)學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社， 2010.

［4］孫雪榮.船型結(jié)構(gòu)物的總縱強(qiáng)度直接簡(jiǎn)化計(jì)算技術(shù)研究［J］.船舶， 2016（3）：1-7.

［5］殷玉梅，趙德友.船舶上層建筑整體振動(dòng)有限元建模方法研究［J］.中國(guó)造船， 2009（3）：49-56.

信息動(dòng)態(tài)

“遠(yuǎn)海大型浮式結(jié)構(gòu)物研發(fā)”項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收

2016年10月31日，受?chē)?guó)家發(fā)改委委托，中船集團(tuán)公司科技部在上海組織對(duì)由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）牽頭，上海外高橋造船有限公司、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司和哈爾濱工程大學(xué)等單位參研的國(guó)家發(fā)展改革委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)“遠(yuǎn)海大型浮式結(jié)構(gòu)物研發(fā)”進(jìn)行了驗(yàn)收。

項(xiàng)目對(duì)大型浮式處理與補(bǔ)給基地（FPSB）功能與規(guī)劃、總體方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、長(zhǎng)效防腐技術(shù)、系泊技術(shù)及模型試驗(yàn)、與島礁連接技術(shù)等8個(gè)專題進(jìn)行了研究，突破并掌握了其功能規(guī)劃及總體設(shè)計(jì)技術(shù)、基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、改進(jìn)型重防腐涂料及氧化聚合型包覆長(zhǎng)效防腐技術(shù)、多點(diǎn)深水系泊設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)技術(shù)、長(zhǎng)距離輕型浮式棧橋設(shè)計(jì)技術(shù)等前瞻性關(guān)鍵技術(shù)，研究成果可直接應(yīng)用于FPSB的設(shè)計(jì)建造，是發(fā)展FPSB的重要技術(shù)儲(chǔ)備。

“遠(yuǎn)海大型浮式結(jié)構(gòu)物研發(fā)”項(xiàng)目由MARIC海工部承擔(dān)，順利通過(guò)驗(yàn)收專家評(píng)審，并獲得領(lǐng)導(dǎo)和評(píng)審專家的一致好評(píng)。

On vibration design of ultra-large semi-submersibles— control design of global vibration of deck house

SHEN Yu-qi SUN Xue-rong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper describes four different design schemes about the global vibration investigation of the deck house for the ultra-large semi-submersibles by three-dimensional finite element method (FEM).The influence of the different schemes on the structural design and their advantages and disadvantages have been studied based on the enhanced supported stiffness and shear the stiffness of the deck house, combined with the structural arrangement characteristics of the semi-submersibles.It can provide the design foundation for the control design of the deck house on the ultra-large semi-submersibles.

three-dimensional FEM; global vibration; deck house; structural arrangement; semi-submersibles

U661.44

A

1001-9855（2016）06-0001-05

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝［2014］507號(hào)）。

2016-08-13；

2016-10-13

沈玉琦（1980-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理。孫雪榮（1979-），女，高級(jí)工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及振動(dòng)噪聲。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.001