于杰

摘要：近來市場上流行的G型主機(jī)，以其節(jié)能高效吸引了大量船東的眼球，然而在實(shí)際使用中，由于G型主機(jī)比傳統(tǒng)的S型主機(jī)轉(zhuǎn)速低，尺寸更大，重量更重，對(duì)機(jī)艙的振動(dòng)加強(qiáng)提出了更高的要求，本文通過有限元分析的方法，對(duì)G型主機(jī)整個(gè)機(jī)艙包括上建進(jìn)行了分析，并提出加強(qiáng)方案。

關(guān)鍵詞：船舶;G型主機(jī);振動(dòng);有限元;加強(qiáng)

0? 引言

主機(jī)為船舶推進(jìn)提供動(dòng)力，是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的核心設(shè)備，主機(jī)安全高效穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)船舶的營運(yùn)起著至關(guān)重要的作用，人們一直在摸索如何將主機(jī)設(shè)計(jì)的更加節(jié)能環(huán)保。傳統(tǒng)的主機(jī)在改進(jìn)時(shí)往往采取降低航速的方法以達(dá)到節(jié)能的目的，但降低航速對(duì)航運(yùn)公司而言大大延長了航行時(shí)間，一些雇主對(duì)此很不滿意。市場上的主機(jī)廠商經(jīng)過研究推出了一種新的機(jī)型，即在保證航速的情況下，燃油消耗比傳統(tǒng)機(jī)型還要低，這吸引了大批船東開始關(guān)注這種機(jī)型。2012年，我廠與澳大利亞船東簽訂了64000噸散貨船建造合同，按照合同，船東選擇了市場新出的G型主機(jī)，主機(jī)廠家宣稱這種機(jī)型比傳統(tǒng)的S型機(jī)更節(jié)能環(huán)保，而且還能保證航速。但廠家資料顯示這種機(jī)型比S型機(jī)重量更重，尺寸更大，傳統(tǒng)的64000噸散貨船機(jī)艙已無法滿足這種機(jī)型的布置，必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過進(jìn)一步的消化廠家資料，我廠認(rèn)識(shí)到機(jī)艙的結(jié)構(gòu)對(duì)于主機(jī)的振動(dòng)相應(yīng)存在隱患，為此運(yùn)用有限元分析的方法，模擬整個(gè)機(jī)艙包括上建對(duì)主機(jī)振動(dòng)的相應(yīng)，就能準(zhǔn)確的顯示出哪些結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力大，進(jìn)而針對(duì)這些部位做出加強(qiáng)方案。

1? 概述

本次振動(dòng)分析包括強(qiáng)迫振動(dòng)分析，結(jié)果參照ISO6954-2000標(biāo)準(zhǔn)，考慮到此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一些潛在的高危險(xiǎn)區(qū)域不能完全識(shí)別，我們同時(shí)參照了ISO6954-1954標(biāo)準(zhǔn)，但此標(biāo)準(zhǔn)僅作參考，最終的結(jié)果仍以ISO6954-2000標(biāo)準(zhǔn)作為考核依據(jù)。

2? 有限元建模

2.1 船體結(jié)構(gòu)建模

在軟件中建立3D模型以用于分析，所有主要結(jié)構(gòu)包括甲板，縱向和橫向艙壁，縱桁，強(qiáng)框架和外板作為主要受力單元，甲板橫梁以及支柱挺筋作為附屬構(gòu)件。上層建筑僅以外板和橫梁反映。為了真實(shí)反映主機(jī)的形狀和剛度，我們建立了一個(gè)全面反映主機(jī)狀態(tài)的有限元模型，此模型能輸出主機(jī)發(fā)出的力，我們以外殼和橫梁對(duì)模型進(jìn)行簡化。主機(jī)橫撐我們以同等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。

需要注意的是，此次模型建立的網(wǎng)格單元包括橫向和縱向，這就不僅能反映全船振動(dòng)水平，也能準(zhǔn)確的反饋局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平，如桅，甲板板和橋翼等。

2.2 質(zhì)量模型

根據(jù)全船質(zhì)量數(shù)據(jù)和初步裝載手冊鋼板質(zhì)量通過理想化的模型進(jìn)行分布，大的設(shè)備如鍋爐，發(fā)電機(jī)，舵葉，艙蓋，尾軸，螺旋槳等根據(jù)重量重心設(shè)置成節(jié)點(diǎn)模型。主機(jī)的質(zhì)量通過有限元模型定義。

3? 選取載荷工況和檢測部位

3.1 載荷工況的選擇

理論上，一份完整的振動(dòng)分析報(bào)告需最少包含兩種工況：滿載和壓載?？紤]到此次振動(dòng)分析僅是為了分析在極端情況下主機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)水平，所以我們這次選取一種具有代表性的極端工況進(jìn)行分析。

根據(jù)以往S型主機(jī)64000噸散貨船的經(jīng)驗(yàn)，全船的共振頻率在壓載工況下大概在6.3Hz，這對(duì)于5缸G型主機(jī)的船極有可能產(chǎn)生共振，因?yàn)檫@種主機(jī)的轉(zhuǎn)速僅為77轉(zhuǎn)，H型彎矩為6.4Hz。因此此次分析主要針對(duì)H型彎矩。

3.2 檢測部位的選擇

經(jīng)過初步核算，我們選取了九個(gè)具有代表性的位置進(jìn)行考核，她們是fore end of ME top （y）， aft end of ME top （y）， lower platform （PS） （z）， Lower platform （SB） （z）， center of engine control room（z）， compass deck（y）， radar mast platform（y）， radar mast top（y）， room with sun window glass（y）。這些位置的顯示見fig11-fig16，主要反映了在0速度時(shí)這些位置和周圍結(jié)構(gòu)的情況。主機(jī)頂部參照標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)廠家MAN的數(shù)據(jù)是25～50mm/s，其它位置根據(jù)ISO6954-1984是4～9mm/s。

3.3 主機(jī)橫撐的檢測

主機(jī)橫撐的作用是通過連接主機(jī)和尾部結(jié)構(gòu)使之形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，從而增加這種整體結(jié)構(gòu)的剛度，降低自然頻率和振動(dòng)響應(yīng)。如果我們將船體結(jié)構(gòu)、主機(jī)橫撐和主機(jī)的剛度分別定義為K1、K2和K3，那么整體結(jié)構(gòu)的剛度就為1（1/K1+1/K2+1/K3）。通過公式我們可以得出結(jié)論：整體結(jié)構(gòu)的剛度取決于剛度最小的單個(gè)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖紙?jiān)荚O(shè)計(jì)有四根橫撐安裝在主機(jī)排氣管一側(cè)，我們設(shè)定橫撐剛度為500MN/m，船體結(jié)構(gòu)為1000MN/m。

為了進(jìn)行對(duì)比，我們設(shè)置了三種情況Variant 1，2，3：

Variant 1：將4根橫撐取消，有些情況下取消橫撐可以帶來積極的效果，通常這樣會(huì)降低主機(jī)和結(jié)構(gòu)的整體自然頻率，但會(huì)增加低頻時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)。為了降低這種響應(yīng)，我們增加了電動(dòng)補(bǔ)償器的測試。

Variant 2：將橫撐增加到8根，兩根液壓式設(shè)置在主機(jī)泵一側(cè)，6根機(jī)械式設(shè)置在排氣管一側(cè)。根據(jù)廠家資料，泵一側(cè)的橫撐剛度設(shè)成390MN/m，排氣管一側(cè)設(shè)成709MN/m。和Variant 1一樣，補(bǔ)償器的測試曲線分別為Variant 2a和2b。

Variant 3：將橫撐設(shè)成6根，兩根液壓式設(shè)置在主機(jī)泵一側(cè)，4根機(jī)械式設(shè)置在排氣管一側(cè)。剛度和Variant 2一樣，補(bǔ)償器的測試曲線分別為Variant 3a和3b。

3.4 結(jié)果顯示

根據(jù)設(shè)置的三種情況，對(duì)選好的九個(gè)點(diǎn)的測試結(jié)果用曲線輸出，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：

Variant 1：取消所有橫撐后，結(jié)果顯示自然頻率降到了62rpm，振動(dòng)相應(yīng)增加了1到24倍不等，平均7倍，這種現(xiàn)象是船體和主機(jī)整體剛度下降的結(jié)果導(dǎo)致的。這種振動(dòng)響應(yīng)的劇烈程度以至于正常的補(bǔ)償器根本無法有效的工作，所以取消橫撐的方案不能接受。

Variant 2：船體和主機(jī)的聯(lián)合體剛度最大，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，但振動(dòng)響應(yīng)下降了25%～50%，平均40%。很多點(diǎn)與它們自身的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)都保持了一致，當(dāng)然補(bǔ)償器可以提供更好的效果，但已經(jīng)沒有必要了。

Variant 3：船體和主機(jī)的聯(lián)合體剛度比Variant 2稍微有所下降，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，振動(dòng)響應(yīng)下降了20%～45%，平均35%，僅僅比Variant 2少了5%。很多點(diǎn)仍然與它們自身的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)都保持了一致，當(dāng)然補(bǔ)償器可以提供更好的效果，也沒有必要了。

通過這九個(gè)點(diǎn)的結(jié)果顯示，全船的beam H moment振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生在71rpm，增加了主機(jī)橫撐后，任何的加強(qiáng)都會(huì)增加全船的自然頻率，一般在1～72rpm，考慮到主機(jī)的CSR是70.8rpm，可以想象情況非常嚴(yán)重。主機(jī)橫撐的增加將導(dǎo)致船體很多部位的振動(dòng)加強(qiáng)響應(yīng)非常大。

因此必須增加額外的加強(qiáng)作為補(bǔ)償。

3.5 加強(qiáng)方案

經(jīng)過討論，我們采用Variant 3方案，主機(jī)設(shè)置6根橫撐，并增加相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

①在平臺(tái)板橫撐部位增加板厚。

②在平臺(tái)反面增加箱體結(jié)構(gòu)和實(shí)肋板以及強(qiáng)橫梁，見圖2藍(lán)色和粉色區(qū)域。

3.6 結(jié)果論證

試航時(shí)對(duì)主機(jī)周圍進(jìn)行了全方位檢測，試航報(bào)告顯示，主機(jī)周圍振動(dòng)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。（圖3）

4? 結(jié)束語

通過這次有限元分析，成功的對(duì)主機(jī)振動(dòng)響應(yīng)做出了預(yù)警，采取的方案經(jīng)過實(shí)船驗(yàn)證也達(dá)到了預(yù)期的效果，這大大減少了試航交船存在的隱患，為其它船頭提供了有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]曼恩動(dòng)力設(shè)備公司MDT從雪佛龍公司獲得G型主機(jī)訂單[J].機(jī)電設(shè)備，2012，29（06）：25-26.

[2]申亮，顧立舟，李永坡，張宇.低速船用主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)避振方法[J].柴油機(jī)，2016，38（03）：40-43.

[3]錢俊輝，李小彪，譚丁.G型連桿齒形裂紋焊修工藝開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（03）：150-151.