許維明 瞿榮澤 劉煥明 薛國良

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 大連116052）

引 言

散貨船是世界航運(yùn)的三大主力船型之一，主要運(yùn)輸煤炭、谷物等散裝貨物。近些年隨著航運(yùn)和造船業(yè)的發(fā)展，人們除了關(guān)注船舶經(jīng)濟(jì)性、可靠性及環(huán)保性等指標(biāo)外，舒適性也成為重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文討論的6.1萬噸散貨船屬于滿足最新HCSR規(guī)范和NOxTier III排放標(biāo)準(zhǔn)的船舶，總布置圖如下頁圖1所示。

圖1 6.1萬噸散貨船總布置圖

該船船長197 m、型寬32.24 m、型深18.6 m、設(shè)計吃水11.3 m、螺旋槳為5葉定距槳、主機(jī)選用6缸MAN B&W 6S50ME-B9.3。該散貨船在設(shè)計試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速在91 r/min時居住區(qū)縱向振動體感較大，故針對該問題，通過有限元仿真計算和試驗(yàn)實(shí)測，對比分析查找其原因所在，并制定有效的改善措施。

1 振源分析及居住區(qū)振動特性

船舶的振動通常都是由激振源振動引起的，要解決船舶振動問題首當(dāng)其沖要找準(zhǔn)引起振動的激振源。水面船舶主要激振源通常分為三類：螺旋槳、船舶主機(jī)、其他動力機(jī)械以及隨機(jī)波浪［1］。船用主機(jī)通常是往復(fù)式機(jī)械，使用過程中會產(chǎn)生不平衡力和不平衡力矩，而主機(jī)又通過主機(jī)基座和船體（機(jī)艙雙層底）相連，因此部分不平衡力矩自然會由船體承受，進(jìn)而引起船舶的振動。

船舶設(shè)計試驗(yàn)過程中，應(yīng)充分考慮振動因素，其中船體及居住區(qū)的固有頻率均與其剛性有關(guān)。

居住區(qū)振動存在兩種振動形式：

（1）自身的振動；

（2）船體梁引起的振動。

這兩種振動模態(tài)如圖2和圖3所示。

圖2 自身振動模態(tài)

圖3 船體梁引起的振動模態(tài)

2 船體總體與居住區(qū)振動預(yù)報

根據(jù)船體與居住區(qū)的主尺度可分別預(yù)報其振動特性。根據(jù)之前的研究成果可知，主機(jī)的2階不平衡力矩和螺旋槳的葉頻都可能會造成船體垂向振動和居住區(qū)縱向振動［2］。船體梁的固有頻率取決于船體梁剛性、質(zhì)量分布、附連水質(zhì)量，其中吃水越大船體梁固有頻率越低，不同吃水下都會存在某一轉(zhuǎn)速下的二次外部力矩激勵頻率與船體梁固有頻率吻合的情況，這是不可避免的。本船設(shè)計試驗(yàn)時的振動現(xiàn)象帶有船體梁的這種振動特性。

建立全船有限元模型并計算其固有頻率以及振動響應(yīng)。模型船體部分采用板、梁單元模擬。舾裝品和貨物質(zhì)量采用NSM單元和質(zhì)量節(jié)點(diǎn)模擬。船體外板附加水質(zhì)量采用Mfluid單元模擬。計算工況選取正常壓載工況和滿載工況［3］，振動響應(yīng)計算阻尼值取0.015。

通過有限元仿真計算，得到正常壓載工況和滿載工況下的船舶整體振動頻率，如表1所示。

表1 正常壓載工況和滿載工況下的船舶整體振動頻率cpm

進(jìn)一步研究壓載工況與滿載工況時的居住區(qū)振動特性。為便于施加主機(jī)垂向二次不平衡力矩，逐建立如圖4所示主機(jī)實(shí)體模型。具體加載方式為：在主機(jī)前壁施加垂直向上的力，在主機(jī)后壁施加垂直向下的力，參見圖5。兩種裝載工況下，船體居住區(qū)的縱向位移響應(yīng)曲線分別見圖6和圖7，并且計算結(jié)果均滿足ISO 6954 ： 2000（E）的振動評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 主機(jī)實(shí)體模型

圖5 主機(jī)垂向二次不平衡

圖6 壓載工況下居住區(qū)縱向加速度響應(yīng)曲線

圖7 滿載工況下居住區(qū)縱向加速度響應(yīng)曲線

3 居住區(qū)振動原因分析

該散貨船主機(jī)轉(zhuǎn)速在91 r/min試驗(yàn)運(yùn)行時，船舶主要激振力包括螺旋槳倍頻激勵頻率455 cpm（1 cpm = 1/60 Hz），主機(jī) H-moment激勵頻率546 cpm，主機(jī)的二次外部激勵頻率182 cpm［4］。此時,設(shè)計人員對居住區(qū)縱向振動進(jìn)行測量，頻譜響應(yīng)曲線如圖8結(jié)果顯示曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率為3 Hz，即181 cpm（91 r/min×2），對應(yīng)為主機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍。根據(jù)以上激勵頻率的分析，判斷居住區(qū)振動響應(yīng)是由主機(jī)二次外部力矩引起的［5］，而有限元計算預(yù)報的船體梁各節(jié)點(diǎn)的固有頻率與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果基本吻合。該船正常壓載工況和滿載工況下的總體振動5節(jié)點(diǎn)固有振型見圖9與圖10。

圖8 區(qū)縱向振動頻譜響應(yīng)測量曲線圖

圖9 正常壓載工況整船5節(jié)點(diǎn)固有振型圖

圖10 滿載工況整船5節(jié)點(diǎn)固有振型圖

船舶整體振動頻率測試結(jié)果如下頁表2所示。

表2 預(yù)報和試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的船舶整體振動頻率cpm

由此我們可以判斷，本船在主機(jī)轉(zhuǎn)速91 r/min時，主機(jī)二次力矩激勵頻率與船體梁5節(jié)點(diǎn)振動固有頻率吻合，從而導(dǎo)致居住區(qū)縱向體感振動較為嚴(yán)重。

4 減振對策研究

通過查閱前船的試驗(yàn)測量報告，該船試驗(yàn)時居住區(qū)的振動響應(yīng)確實(shí)相對較大，對比前船和該船試驗(yàn)時的振動特性，船體梁剛性、附連水質(zhì)量、激勵力均類似，僅尾部壓載情況存在一定差異。通過振動預(yù)報和原因分析，我們可知在此轉(zhuǎn)速（91 r/min）時，居住區(qū)縱向的振動是由主機(jī)二次外部力矩引起的船體梁振動導(dǎo)致的。但是船體梁振動響應(yīng)曲線較陡，峰值區(qū)間對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速在1～2 r/min范圍。尾尖艙打壓載水后，對居住區(qū)縱向振動再次進(jìn)行測量，頻譜響應(yīng)曲線如圖11所示，所測結(jié)果顯示曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率為162 cpm。

圖11 尾尖艙打壓載水后居住區(qū)縱向振動頻譜響應(yīng)測量曲線圖

為更進(jìn)一步調(diào)整該船振動特性，本文參考設(shè)計時振動預(yù)報的計算方法，根據(jù)該船試驗(yàn)時的實(shí)際油水分布再次修改、建立全船有限元模型，并計算船體和居住區(qū)振動響應(yīng)［6］。有限元計算結(jié)果見表3。

表3 調(diào)整油水前后有限元計算結(jié)果

通過分析有限元計算結(jié)果，該船的質(zhì)量分布調(diào)整后，即在尾尖艙打滿壓載水，使船舶尾傾，居住區(qū)振動響應(yīng)顯著降低。尾尖艙打壓載水前后，船體梁其他節(jié)點(diǎn)固有頻率也會相應(yīng)有5 cpm左右的變化，但是均遠(yuǎn)離固有頻率不會對船舶產(chǎn)生有害振動。

5 結(jié) 語

船舶在營運(yùn)過程中，像文中發(fā)現(xiàn)的危險轉(zhuǎn)速在程序正常加載過程中是不可避免的，可正常通過，但不適宜長時間運(yùn)行。船體梁的固有頻率取決于船體梁剛性、質(zhì)量分布、附連水質(zhì)量，其中吃水越大船體梁固有頻率越低，不同吃水下都會存在某一轉(zhuǎn)速下的二次外部力矩激勵頻率與船體梁固有頻率吻合的情況。

根據(jù)船體梁頻譜響應(yīng)的特性和本船試驗(yàn)時實(shí)際經(jīng)歷，居住區(qū)振動響應(yīng)曲線較陡，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速避開振動最高點(diǎn)2 r/min時，振動響應(yīng)值會快速下降。因此建議在船舶設(shè)計和營運(yùn)時應(yīng)及時避開主機(jī)的危險轉(zhuǎn)數(shù)，即前后調(diào)整兩個轉(zhuǎn)速就會有明顯效果。如果很難避開主機(jī)該危險轉(zhuǎn)數(shù)，屆時建議通過調(diào)整目標(biāo)船的質(zhì)量分布，改變局部的剛性和附連水質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減振效果，這種通過少量調(diào)整壓載水分布來降低振動響應(yīng)的方法將是常用的經(jīng)濟(jì)可行、簡單有效的方法。