李建彰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

近年來(lái)，高速船在商業(yè)和軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，備受關(guān)注[1]。由于高速船船體剛度比其他常規(guī)艦船船體剛度小，高頻率的激振引起的船體振動(dòng)幅值也比其他常規(guī)艦船振動(dòng)幅值大很多，從而影響高速船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度，因此高速船的振動(dòng)問(wèn)題比其他常規(guī)艦船的振動(dòng)問(wèn)題更為復(fù)雜與敏感[2]。在以往的船舶振動(dòng)研究中，大多數(shù)是針對(duì)常規(guī)艦船振動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算或研究，而對(duì)于高速船舶的振動(dòng)問(wèn)題研究較少。本文著眼于高速船舶領(lǐng)域，針對(duì)某一船型，結(jié)合其船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及振源類型，采用有限元模態(tài)計(jì)算分析對(duì)振動(dòng)問(wèn)題比較敏感的位置進(jìn)行振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估，對(duì)高速船型船體振動(dòng)的評(píng)估校核及高速船舶的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 高速船振動(dòng)衡量準(zhǔn)則

1.1 固有頻率儲(chǔ)備衡量準(zhǔn)則

在高速船振動(dòng)問(wèn)題的研究過(guò)程中，根據(jù)船舶類型明確其主要激振源，從而確定激振源的額定頻率。激振源頻率與船體結(jié)構(gòu)固有頻率的比值γ對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)α的影響如圖1所示，此曲線為振動(dòng)位移幅值的頻率響應(yīng)曲線，也稱為共振曲線[3]。

圖 1 幅頻響應(yīng)曲線Fig. 1 Amplitude-frequency response curve

從圖1中可以看出，當(dāng)γ接近1時(shí)，即激振力頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)α將急劇增加，并且達(dá)到最大值，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象；若γ很小或γ很大時(shí)，則動(dòng)力放大系數(shù)α比較小，此時(shí)激振力的作用可視為靜力作用，故在CCS《船上振動(dòng)控制指南》等相關(guān)的文獻(xiàn)中，選取的共振的區(qū)域?yàn)棣媒咏?的范圍[4]。又由于在共振區(qū)域中，振幅的大小與阻尼有關(guān)，因此對(duì)于不同的船體結(jié)構(gòu)，根據(jù)阻尼的不同，選取的γ范圍也有所不同。

其中，fi為船體結(jié)構(gòu)的固有頻率，Hz；fe為激振力額定頻率，Hz。

按照《艦船通用規(guī)范》中對(duì)不同船體結(jié)構(gòu)頻率儲(chǔ)備的要求，高速船的固有頻率值應(yīng)滿足下式要求：

1.2 振動(dòng)響應(yīng)衡量準(zhǔn)則

目前，在國(guó)內(nèi)的船體規(guī)范中尚未提供明確的高速船振動(dòng)響應(yīng)衡量準(zhǔn)則，所以在對(duì)高速船的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行校核時(shí)，本文借鑒DNV《Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft》對(duì)于高速船振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行衡準(zhǔn)[5]。

表 1 對(duì)船舶不同區(qū)域適居性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Tab. 1 The habitability evaluation criteria of the different regions for ship

2 計(jì)算模型的建立

本文以國(guó)內(nèi)某氣墊船為例，根據(jù)其振源類型，針對(duì)其尾部的槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙振動(dòng)敏感位置進(jìn)行振動(dòng)問(wèn)題研究。根據(jù)CCS《船上振動(dòng)控制指南》的相關(guān)規(guī)定，在計(jì)算船舶局部結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，如梁、板、板架等不是孤立結(jié)構(gòu)，而是與其他結(jié)構(gòu)相連接，它們的邊界條件嚴(yán)格地講是彈性固定邊界條件。為了計(jì)及相鄰構(gòu)件的影響，在有限元計(jì)算中將其相鄰構(gòu)件也計(jì)入有限元模型之內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，然后再分離出指定結(jié)構(gòu)得到其固有振動(dòng)頻率[6]。根據(jù)上述建模原則，計(jì)算模型選取該氣墊船的整個(gè)型深及型寬，型長(zhǎng)跨過(guò)振源范圍[7]。

在短艙結(jié)構(gòu)內(nèi)，按照推進(jìn)主機(jī)基座的結(jié)構(gòu)圖紙對(duì)主機(jī)基座進(jìn)行有限元建模，在推進(jìn)主機(jī)重心位置建立MPC點(diǎn)與推進(jìn)主機(jī)基座相連，將推進(jìn)主機(jī)重量施加到MPC點(diǎn)上。對(duì)于其他設(shè)備，如帶導(dǎo)流罩的空氣螺旋槳、空氣螺旋槳的傳動(dòng)裝置、導(dǎo)管、舵等均在其重心位置建立MPC進(jìn)行配重，從而實(shí)現(xiàn)與實(shí)船重量分布相同。

在計(jì)算槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙艙段固有頻率時(shí)，對(duì)其下方邊界進(jìn)行剛性固定[8]，如圖2所示。

圖 2 邊界條件示意圖Fig. 2 Schematic diagram of boundary condition

3 槳塔與短艙固有頻率計(jì)算及振型分析

槳塔與短艙結(jié)構(gòu)的固有頻率計(jì)算結(jié)果見表2，有限元模型及振型如圖3～圖6所示。表中各符號(hào)的含義如下：

fi為結(jié)構(gòu)固有頻率；fet為推進(jìn)主機(jī)額定頻率；fez為螺旋槳軸頻率；fey為螺旋槳葉頻率；YES為滿足頻率儲(chǔ)備的要求；NO為不滿足頻率儲(chǔ)備的要求。

4 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析

由上節(jié)固有頻率計(jì)算結(jié)果可知，在空氣螺旋槳的額定激振下，槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)不滿足頻率儲(chǔ)備的要求，因此需要計(jì)算該局部結(jié)構(gòu)在空氣螺旋槳激振作用下的振動(dòng)響應(yīng)。振動(dòng)響應(yīng)是以槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的有限元模型為計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行頻域瞬態(tài)響應(yīng)分析。在計(jì)算該結(jié)構(gòu)在空氣螺旋槳激振作用下的響應(yīng)時(shí)，選取的計(jì)算頻率為0～14 Hz（軸頻）、0～54 Hz（葉頻），計(jì)算頻率的個(gè)數(shù)分別為35個(gè)、120個(gè)。最終提取槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)中頻率儲(chǔ)備較小區(qū)域單元的速度值與加速度值。

表 2 固有頻率計(jì)算結(jié)果Tab. 2 The result of inherent frequency

圖 3 f=2.748 Hz（橫向振型）Fig. 3 f=2.748 Hz (transverse vibration mode)

圖 4 f=6.789 Hz（縱向振型）Fig. 4 f=6.789 Hz (longitudinal vibration mode)

圖 5 f=11.34 Hz（扭轉(zhuǎn)振型）Fig. 5 f=11.34 Hz (retortion vibration mode)

圖 6 f=12.402 Hz（垂向振型）Fig. 6 f=12.402 Hz (vertical vibration mode)

4.1 激振力的計(jì)算

空氣螺旋槳轉(zhuǎn)子動(dòng)量：

4.2 激振力的施加

在空氣螺旋槳重心位置建立MPC點(diǎn)與短艙外壁相連，將空氣螺旋槳不平衡力施加在空氣螺旋槳重心處，通過(guò)MPC點(diǎn)傳遞給船體。具體作用形式如圖7所示。

4.3 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析

根據(jù)上述振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型的選取及激振力的詳細(xì)確定，對(duì)槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)計(jì)算其在空氣螺旋槳的振動(dòng)響應(yīng)分析。最終提取槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)中頻率儲(chǔ)備較小區(qū)域單元的速度值或加速度值。

表 3 空氣螺旋槳激振力數(shù)據(jù)Tab. 3 The excited force date of propeller

圖 7 激振力施加示意圖Fig. 7 Schematic diagram of applying excited force

圖 8 激振力下的速度響應(yīng)曲線Fig. 8 Velocity response curve

圖 9 激振力下的加速度響應(yīng)曲線Fig. 9 Acceleration response curve

由上述數(shù)據(jù)可知，氣墊船槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙在空氣螺旋槳的激振力作用下的加速度響應(yīng)均小于因此槳塔與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙艙段結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范中關(guān)于振動(dòng)響應(yīng)的衡準(zhǔn)。

表 4 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab. 4 The calculation of vibration response

5 結(jié) 語(yǔ)

高速船的振動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)是船舶設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本文采用有限元法進(jìn)行模態(tài)分析對(duì)高速船局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估，按照《艦船通用規(guī)范》對(duì)于振動(dòng)敏感位置進(jìn)行按照固有頻率的計(jì)算，對(duì)于不滿足頻率儲(chǔ)備的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，按照DNV《Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft》進(jìn)行衡準(zhǔn)。本文為船舶設(shè)計(jì)人員在船舶設(shè)計(jì)建造中預(yù)報(bào)船舶振動(dòng)強(qiáng)度提供了一條新的途徑。

[1]吳衛(wèi)國(guó). 高速船的振動(dòng)特點(diǎn)及預(yù)報(bào)[J]. 江蘇造船, 2008, 17(4):45–47.

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[8]李寧. 具有彈性基礎(chǔ)的氣墊船細(xì)長(zhǎng)軸系橫向振動(dòng)特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.