劉甄真，江國(guó)和，葛珅瑋，徐天南，劉嘉麟，吳 剛

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門(mén) 226100)

100 m新型極地探險(xiǎn)郵輪為國(guó)內(nèi)首制X-BOW型極地探險(xiǎn)郵輪，具有設(shè)備多動(dòng)力大、船體結(jié)構(gòu)與機(jī)艙內(nèi)布置復(fù)雜等特點(diǎn)，如圖1所示。主要?jiǎng)恿υO(shè)備的運(yùn)行使該船易產(chǎn)生艙室振動(dòng)噪聲問(wèn)題，影響船上工作人員和乘客的舒適度。為了有效控制郵輪的結(jié)構(gòu)振動(dòng)與艙室噪聲，需要在設(shè)計(jì)階段，獲取主要激勵(lì)源的輸入激勵(lì)，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)特性仿真預(yù)報(bào)和分析。

圖1 100 m新型極地探險(xiǎn)郵輪Fig.1 100 m new polar explortion cruise

王蒙蒙等[1]在已知船舶的質(zhì)量、剛度、阻尼以及實(shí)測(cè)尾端振動(dòng)速度的條件下,反推出螺旋槳葉頻激勵(lì)力,并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，為螺旋槳激勵(lì)力的求解提供有效途徑。龐福振等[2]利用半解析法研究了圓柱殼體的振動(dòng)特性，求解了圓柱殼體的受迫振動(dòng)特性方程，并分析了邊界特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)圓柱殼體受迫振動(dòng)的影響。曹躍云等[3]基于工況傳遞路徑分析，將多源信號(hào)視為卷積混疊，提出耦合振動(dòng)噪聲源分離方法，并建立了船舶 OPA(operational transfer path analysis)模型，結(jié)合船舶傳遞路徑振聲測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性和正確性。陳占陽(yáng)等[4]結(jié)合自航分段模型試驗(yàn)對(duì)某超大型高速船舶在迎浪中的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了模擬仿真，研究了振動(dòng)響應(yīng)沿船長(zhǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)振動(dòng)響應(yīng)隨著海況與航速的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，最后基于三維時(shí)域非線性水彈性理論對(duì)該船船舯合成彎矩及鞭狀效應(yīng)進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性 。路廣霖等[5]基于傳統(tǒng)傳遞路徑原理，提出一種基于加權(quán)正則化的改進(jìn)傳遞路徑分析技術(shù),并準(zhǔn)確識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)多源激勵(lì)載荷，提供了可靠的振動(dòng)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果。

目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有開(kāi)展對(duì)該船型的振動(dòng)研究，本文對(duì)母型船進(jìn)行了濕模態(tài)分析、主要激勵(lì)源分析計(jì)算和激勵(lì)源對(duì)各艙室房間的貢獻(xiàn)率，為后期制造的同類(lèi)型船提供設(shè)計(jì)參考。

1 新型極地探險(xiǎn)郵輪的模態(tài)分析

為分析極地探險(xiǎn)郵輪模態(tài)，建立有限元模型。模型全長(zhǎng)104 m，船寬18 m，水線高5.1 m，整船質(zhì)量為4 265 t，模型附加質(zhì)量和重心嚴(yán)格遵照質(zhì)量重心報(bào)告，如圖2所示。網(wǎng)格尺寸以400 mm×400 mm為主，板結(jié)構(gòu)為quad4單元和tria3單元，梁結(jié)構(gòu)為bar2單元，結(jié)構(gòu)阻尼因子取2%[6]。

圖2 新型極地探險(xiǎn)郵輪有限元模型Fig.2 The finite model of new polar explortion cruise

采用附加虛質(zhì)量的方法進(jìn)行濕模態(tài)計(jì)算，求解附加質(zhì)量矩陣，來(lái)體現(xiàn)不可壓縮流體對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用，這是虛質(zhì)量法的核心所在[7]。對(duì)于無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)，流固耦合中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為[8]

(1)

式中：Ms,Ks分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;B為流固耦合矩陣;p為流體動(dòng)壓力;f0為外界激勵(lì)。離散化后的流體運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

(2)

式中：H為流體剛度矩陣;ρ為流體密度。聯(lián)立式(1)和式(2)，且當(dāng)考慮自由振動(dòng)時(shí)，有

(3)

求解式(3)可得

(4)

式中，Ma為流體附加質(zhì)量,Ma=ρBTH-1B。

利用Nastran中的MFLUID卡片進(jìn)行流體附加質(zhì)量設(shè)置，設(shè)置程序如下：

CEND

MFLUID=1

……

param,vmopt,1

MFLUID,1,5 100.0,1.0-9,1,N,N

ELIST,1,1,THRU,12 227

基于虛質(zhì)量法的濕模態(tài)分析，獲取新型極地探險(xiǎn)郵輪的前四階固有頻率及陣型，表1為各階固有頻率，圖3為各階模態(tài)陣型。

表1 前四階模態(tài)Tab.1 The first four modal

圖3 前四階模態(tài)陣型Fig.3 The first four modal shapes

引起船舶穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因是船上往復(fù)式機(jī)器的不均衡慣性力和螺旋槳引起的干擾力以及高速船附近空泡引起的[9]，當(dāng)郵輪高速航行時(shí)，螺旋槳葉上會(huì)產(chǎn)生大量空泡，使得槳葉在船底上產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力將極為嚴(yán)重[10]，根據(jù)研究，在螺旋槳振源中以螺旋形誘導(dǎo)的表面力為最主要因素[11]，同時(shí)，由于減搖鰭發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備功率相對(duì)較小，且安裝了隔振裝置，對(duì)各房間艙室振動(dòng)貢獻(xiàn)較小，因此文中激勵(lì)源僅考慮主機(jī)激勵(lì)力和螺旋槳脈動(dòng)力。

新型極地探險(xiǎn)郵輪采用雙槳雙舵，槳直徑為3 100 mm，80%額定工況轉(zhuǎn)速為192 r/min，螺旋槳激勵(lì)葉頻可通過(guò)式(5)計(jì)算得出

(5)

式中：n為轉(zhuǎn)速;Z為螺旋槳葉數(shù)，因此可得螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)葉頻為12.8 Hz。

主機(jī)發(fā)火頻率可根據(jù)式(6)計(jì)算獲得

(6)

式中：n為轉(zhuǎn)速;Z為缸數(shù);四沖程柴油機(jī)m為0.5。新型極地探險(xiǎn)郵輪內(nèi)有兩種四沖程主機(jī)其中主機(jī)分別為8缸和6缸，80%額定工況轉(zhuǎn)速都為1 000 r/min。由式(6)可知，兩種主機(jī)發(fā)火頻率分別為66.8 Hz和50 Hz。

主機(jī)基頻可根據(jù)式(7)計(jì)算獲得

(7)

可求得兩種主機(jī)的基頻都為16.7 Hz。

由表1可知，在80%額定工況下，激勵(lì)主頻不處于整船共振頻率范圍內(nèi)，即新型極地探險(xiǎn)郵輪不存在整船共振的風(fēng)險(xiǎn)，初步驗(yàn)證了該船型結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的合理性。

2 新型極地探險(xiǎn)郵輪激勵(lì)力分析

求解激勵(lì)力主要用到傳統(tǒng)的傳遞路徑分析原理，傳統(tǒng)的傳遞路徑分析適用于線性的、時(shí)不變系統(tǒng)[12]，主要原理如圖4所示。

圖4 傳遞途徑分析示意圖Fig.4 The sketch figure of transmission path analysis

假定Fn為各振源激勵(lì)力，Vm為觀測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度響應(yīng)，Dnm為振源激勵(lì)點(diǎn)n～觀測(cè)點(diǎn)m的傳遞路徑導(dǎo)納，則可得式(8)

(8)

若Vm和Dnm已知，上式左右同時(shí)乘以導(dǎo)納矩陣的逆矩陣，可得式(9)

(9)

為了保證方程有解，令m=n，使導(dǎo)納矩陣為一n×n階矩陣，即可求出激勵(lì)力。

2.1 螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)

船底表面的脈動(dòng)力即為螺旋槳直接激勵(lì)船體的表面力，為計(jì)算螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)，應(yīng)獲取振動(dòng)速度和傳遞路徑導(dǎo)納。在新型極地探險(xiǎn)郵輪試航期間，選取螺旋槳正上方的船尾底板作為測(cè)試對(duì)象，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖6所示。

圖5 振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 The arrangement of vibrated velocity test points

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 The test in site

通過(guò)測(cè)試，獲取80%航行工況下螺旋槳正上方船底板的振動(dòng)速度，如圖7所示，用Vn表示測(cè)點(diǎn)n的振動(dòng)速度，n=1,2,…，6。

圖7 螺旋槳正上方船底板振動(dòng)速度Fig.7 The vibrated velocity of hull plate above the propeller

螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)為非均勻分布的壓力場(chǎng)，因此需要先確定螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)作用區(qū)域，一種較為實(shí)用的方法就是選取螺旋槳上方面積約為螺旋槳直徑D平方的區(qū)域內(nèi)為螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)區(qū)域[13]，如圖8所示。

圖8 螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)區(qū)域Fig.8 The excited area of propeller pulsatory force

由于螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)為非均勻分布?jí)毫?chǎng)，所以需要一種簡(jiǎn)化的方法來(lái)模擬非均勻分布?jí)毫?chǎng)。將左右舷螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)區(qū)域分別劃分為6個(gè)受力區(qū)域，這6個(gè)受力區(qū)域共同承載螺旋槳非均勻分布?jí)毫?chǎng)，而每個(gè)受力區(qū)域?yàn)榫級(jí)毫?chǎng)。用Fn表示第n個(gè)受力區(qū)域承載的表面合力，如圖9所示。

圖9 螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)受力區(qū)劃分Fig.9 The partition of excited area of propeller pulsatory force

為獲取各受力區(qū)域到各觀測(cè)區(qū)域的傳遞路徑導(dǎo)納，令Fn在全頻段等于1N(n=1,2,3…，12)，并加載在郵輪有限元模型各個(gè)受力區(qū)域上，分別對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻響分析獲取傳遞路徑導(dǎo)納，圖10為右舷各螺旋槳激勵(lì)受力區(qū)到測(cè)點(diǎn)1的導(dǎo)納曲線。對(duì)比圖7和圖10，可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)納曲線在12.5 Hz和25 Hz處平坦，沒(méi)有共振波峰，因此振動(dòng)速度低頻12.5 Hz和25 Hz處的波峰頻率對(duì)應(yīng)螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)的葉頻和倍葉頻，而導(dǎo)納曲線在100～150 Hz內(nèi)有明顯的共振波峰，因此振動(dòng)速度在100～150 Hz內(nèi)的波峰頻率對(duì)應(yīng)船底局部結(jié)構(gòu)的共振頻率。

圖10 右舷各螺旋槳激勵(lì)受力區(qū)到測(cè)點(diǎn)1傳遞路徑導(dǎo)納Fig.10 The admittances from propeller excited area partitions to test point1 in starboard

由于存在主機(jī)激振力，需要考慮主機(jī)激勵(lì)力觀測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度是否有影響，因此選取主機(jī)基座上離觀測(cè)點(diǎn)最近的激勵(lì)點(diǎn)，在該激勵(lì)點(diǎn)上加載全頻段的單位力進(jìn)行頻響分析并獲取傳遞路徑導(dǎo)納，圖11為主機(jī)激勵(lì)點(diǎn)和螺旋槳激勵(lì)點(diǎn)1到觀測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納對(duì)比，由圖可知主機(jī)激振點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)1的導(dǎo)納遠(yuǎn)小于螺旋槳激振點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)1的導(dǎo)納，且主機(jī)已進(jìn)行隔振處理，因此在反推螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)時(shí)，可忽略主機(jī)激勵(lì)對(duì)測(cè)點(diǎn)速度的貢獻(xiàn)。

圖11 激勵(lì)源到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納對(duì)比Fig.11 The comparison of admittances from excited sources to test point1

分別將傳遞路徑導(dǎo)納Dn,m和測(cè)點(diǎn)速度Vn代入式(7)中，可得

(10)

由于兩個(gè)螺旋槳為反對(duì)稱(chēng)布置，因此表面合力也應(yīng)反對(duì)稱(chēng)，即

(11)

因此式(10)可轉(zhuǎn)換為

在式(12)的左右同時(shí)乘以導(dǎo)納矩陣的逆矩陣，可得

基于MATLAB軟件對(duì)式(13)進(jìn)行數(shù)值求解，最終可求得螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)力如圖12所示，由圖12可知，螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)力主要分布在半葉頻7 Hz、葉頻12.5 Hz和倍葉頻25 Hz附近，其中葉頻處最為明顯。

圖12 螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)Fig.12 The propeller pulsatory excited force

2.2 主機(jī)激勵(lì)

新型極地探險(xiǎn)郵輪內(nèi)有四臺(tái)四沖程主機(jī)，主機(jī)和發(fā)電機(jī)為一體化設(shè)計(jì)，主機(jī)艙布置如圖13所示，其中主機(jī)A和主機(jī)C型號(hào)為瓦錫蘭8L20,最大功率為1 600 kW,缸數(shù)為8，主機(jī)B和主機(jī)D型號(hào)為瓦錫蘭6L20，最大功率為1 200 kW，缸數(shù)為6，額定轉(zhuǎn)速都為1 000 r/min。由式(6)可知，主機(jī)A和主機(jī)C的發(fā)火頻率為66.8 Hz，主機(jī)B和主機(jī)D的發(fā)火頻率為50 Hz。

圖13 主機(jī)布置圖Fig.13 The layout of the main engines

在主機(jī)與基座的螺栓連接處布置測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行編號(hào)，主機(jī)基座有限元模型及測(cè)點(diǎn)編號(hào)布置如圖14所示。在測(cè)點(diǎn)1處測(cè)得振動(dòng)速度，如圖15所示，由圖15可知，主測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)速度的四個(gè)主波峰頻率分別為12.5 Hz，17.5 Hz，25 Hz，50 Hz和67.5 Hz，分別對(duì)應(yīng)螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)的葉頻、倍葉頻與主機(jī)的基頻、發(fā)火頻率，因此在反推主機(jī)激勵(lì)力時(shí)，需要考慮螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度的貢獻(xiàn)和主機(jī)之間的相互作用。

圖14 主機(jī)基座有限元模型和測(cè)點(diǎn)布置Fig.14 The finite model of main engine foudations and the arrangement of test points

圖15 測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)7的振動(dòng)速度Fig.15 The vibrated velocity of test point 1 and 7

為驗(yàn)證主機(jī)激勵(lì)之間的相互影響，在主機(jī)基座上各機(jī)腳處分別施加全頻段單位力，并進(jìn)行頻響分析以獲取各個(gè)傳遞路徑的導(dǎo)納，以主機(jī)艙2內(nèi)的主機(jī)A基座測(cè)點(diǎn)1為研究對(duì)象，首先分析相鄰艙室基座的影響，如圖16所示為測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)13、測(cè)點(diǎn)19到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納，由圖16可知主機(jī)艙1兩個(gè)基座測(cè)點(diǎn)13和測(cè)點(diǎn)19到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納遠(yuǎn)小于測(cè)點(diǎn)1原點(diǎn)導(dǎo)納，因此在在反推艙室2主機(jī)基座的主機(jī)激勵(lì)力時(shí)，可以忽略艙室1中的主機(jī)激勵(lì)貢獻(xiàn)。

圖16 測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)13、測(cè)點(diǎn)19到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納Fig.16 The admittances from test point 1,13,19 to test point 1

同樣以測(cè)點(diǎn)1為研究對(duì)象，分析主機(jī)艙2內(nèi)各測(cè)點(diǎn)激勵(lì)的相互影響，如圖17所示為測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9、測(cè)點(diǎn)10到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納。

圖17 測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9、測(cè)點(diǎn)10到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納Fig.17 The admittances from test point 1-3,4,7-9,10 to test point 1

測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)10到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納也遠(yuǎn)小于其他測(cè)點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)1的傳遞路徑導(dǎo)納，同時(shí)由于測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)12距離測(cè)點(diǎn)1更遠(yuǎn)，因此測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)10～測(cè)點(diǎn)12對(duì)測(cè)點(diǎn)1的激勵(lì)貢獻(xiàn)可以忽略，對(duì)測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3進(jìn)行分析，可以得到同樣的結(jié)論，因此在反推測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9的激勵(lì)力時(shí)，可以忽略測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)10～測(cè)點(diǎn)12的激勵(lì)貢獻(xiàn)，但要考慮測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9的自激勵(lì)貢獻(xiàn)以及螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)貢獻(xiàn)，而反推測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6激勵(lì)力時(shí)，僅需考慮螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)貢獻(xiàn)和測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6自激勵(lì)貢獻(xiàn)。令：Un為基座機(jī)腳處振動(dòng)速度；Tn為機(jī)腳處垂向激勵(lì)；Mmn為螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)區(qū)域到主機(jī)基座的傳遞路徑導(dǎo)納；Hmn為主機(jī)基座之間的傳遞路徑導(dǎo)納，因此可得式(14)

(14)

通過(guò)式(14)可計(jì)算得出測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9的激振力為

而測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)10、測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)12的激振力分別為

為簡(jiǎn)化處理，令

(18)

(19)

式中：TAC為主機(jī)A和主機(jī)C的激勵(lì)力；TBD為主機(jī)B和主機(jī)D的激勵(lì)力。基于MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，得到TAC和TBD的頻譜圖如圖18所示。

圖18 主機(jī)激勵(lì)力Fig.18 The main engines excited force

2.3 激勵(lì)力驗(yàn)證

為驗(yàn)證激勵(lì)力的準(zhǔn)確性，將螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)力和主機(jī)激勵(lì)施加在有限元模型上進(jìn)行頻譜分析，選取四個(gè)距離激勵(lì)源較近的區(qū)域：二層甲板-洗衣房，二層甲板-船員室，三層甲板-船艉儲(chǔ)藏室，四層甲板-乘客艙室，將這四個(gè)區(qū)域的仿真分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖19～圖22所示。由圖可以看出，仿真曲線與測(cè)試曲線變化趨勢(shì)一致，振動(dòng)速度有效值對(duì)比如表2所示，誤差最大為21%，滿足工程精度要求。但是仍然存在一定誤差，引起這個(gè)誤差的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面：①有限元模型中省去了敷料、舾裝、內(nèi)裝等構(gòu)件，如四層甲板-乘客艙室內(nèi)有浮動(dòng)底板、內(nèi)飾隔板等構(gòu)件，在一定程度上影響了傳遞路徑導(dǎo)納；②實(shí)際測(cè)量中，郵輪還受到風(fēng)浪、泵、舵機(jī)、風(fēng)機(jī)等激勵(lì)的影響，如三層甲板-船艉儲(chǔ)藏室，受到鄰艙的空壓機(jī)影響，因此相對(duì)其他區(qū)域，誤差較大。

表2 艙室振動(dòng)速度有效值的仿真與測(cè)試的對(duì)比Tab.1 The comparison between the affective value of vibration velocity of simulation and test

圖19 二層甲板-洗衣房Fig.19 The laundry room in deck 2

圖20 二層甲板-船員室Fig.20 The crew room in deck 3

圖21 三層甲板-船艉儲(chǔ)藏室Fig.21 The outdoor area in stern in deck 3

圖22 四層甲板-乘客艙室Fig.22 The passenger room in deck 4

3 振源貢獻(xiàn)率分析

貢獻(xiàn)量分析中，一般用下式計(jì)算各載荷所對(duì)應(yīng)路徑在目標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)貢獻(xiàn)量。

即各個(gè)激勵(lì)源分別對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)。將螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)和主機(jī)激勵(lì)分別單獨(dú)加載在新型極地探險(xiǎn)郵輪有限元模型上并進(jìn)行頻響分析。選取典型艙室，將螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)和主機(jī)激勵(lì)對(duì)這些艙室的響應(yīng)貢獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。由表可知:二、三層甲板的艙室中，除去洗衣房位于主機(jī)艙的正上方，因此主機(jī)激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大，其他艙室螺旋槳激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大；四層甲板的兩個(gè)艙室位置都處于艉部，因此螺旋槳激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大；五層甲板的兩個(gè)艙室都位于主機(jī)艙室正上方的位置，而距離艉部較遠(yuǎn)，因此主機(jī)激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大；六、七層甲板的艙室中，健身房位于主機(jī)艙正上方位置，主機(jī)激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大，而其他三個(gè)艙室距離距離兩個(gè)激勵(lì)源都較遠(yuǎn)，螺旋槳激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大。通過(guò)以上分析可知，對(duì)于新型極地探險(xiǎn)郵輪，激勵(lì)源對(duì)艙室響應(yīng)的貢獻(xiàn)占比與艙室、激勵(lì)源之間的相對(duì)位置有關(guān)，當(dāng)艙室位于某激勵(lì)源鄰艙或正上方位置時(shí)，該激勵(lì)源對(duì)艙室響應(yīng)的貢獻(xiàn)占比較大，當(dāng)艙室距離兩個(gè)激勵(lì)源都較遠(yuǎn)時(shí)，螺旋槳激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大，這是由于螺旋槳激勵(lì)產(chǎn)生的低頻彎曲波損耗較小，更易于傳播。

表3 典型艙室響應(yīng)有效值的激勵(lì)源貢獻(xiàn)對(duì)比Tab.3 The comparison of the excited sources contribution to the affective value of classic cabin response

4 結(jié) 論

100 m新型極地探險(xiǎn)郵輪為國(guó)內(nèi)首制的X-BOW型的極地探險(xiǎn)郵輪，國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有對(duì)該船型的振動(dòng)研究，本文對(duì)母型船進(jìn)行了振動(dòng)特性和激勵(lì)力貢獻(xiàn)研究，為后期制造的同類(lèi)型船提供設(shè)計(jì)參考。

(1)在同類(lèi)型船的初期設(shè)計(jì)工作中，需要進(jìn)行振動(dòng)評(píng)估和設(shè)備選型工作。本文建立了100 m新型極地探險(xiǎn)郵輪的有限元模型，并嚴(yán)格按照母型船的質(zhì)量重心報(bào)告和內(nèi)飾質(zhì)量數(shù)據(jù)，調(diào)整模型的附加質(zhì)量和重心?；谔撡|(zhì)量法，分析了新型極地探險(xiǎn)郵輪的整船濕模態(tài)，并計(jì)算了主要激勵(lì)源的激勵(lì)主頻，將整船模態(tài)共振頻率與激勵(lì)主頻對(duì)比，初步驗(yàn)證整船沒(méi)有共振危險(xiǎn)，也為同類(lèi)型船的前期振動(dòng)評(píng)估工作以及設(shè)備選型提供參考。

(2)船舶的激勵(lì)力獲取比較困難，尤其是螺旋脈動(dòng)激勵(lì)，計(jì)算理論復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)成本高，對(duì)船廠工作者很不友好。本文基于傳遞路徑分析原理，測(cè)試了螺旋槳上方船底板和主機(jī)基座處的振動(dòng)速度，同時(shí)利用新型極地探險(xiǎn)郵輪的有限元模型計(jì)算得出激勵(lì)點(diǎn)到振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)的傳遞路徑導(dǎo)納，并分析了各個(gè)激勵(lì)源之間的相干性，反推出螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)和主機(jī)激勵(lì)，并將兩種激勵(lì)源加載在有限元模型中進(jìn)行頻響分析，得出各個(gè)艙室的振動(dòng)響應(yīng)，并選擇四個(gè)距離激勵(lì)源較近的艙室，將這四個(gè)艙室振動(dòng)響應(yīng)的仿真值與測(cè)試值對(duì)比，頻響曲線趨勢(shì)基本一致，振動(dòng)響應(yīng)有效值誤差在21%以內(nèi)，滿足工程進(jìn)度要求，驗(yàn)證了螺旋槳脈動(dòng)激勵(lì)和主機(jī)激勵(lì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)該激勵(lì)力可用于同類(lèi)型船的振動(dòng)分析工作中，為同類(lèi)型船的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考。

(3)在振動(dòng)控制階段，需要分別對(duì)各類(lèi)激勵(lì)源采取由針對(duì)性的控制，因此需要獲取各個(gè)激勵(lì)源分別對(duì)艙室房間的貢獻(xiàn)量，才能提出有針對(duì)性的控制方案。

分別將兩種激勵(lì)力分單獨(dú)加載在有限元模型上，并進(jìn)行頻響分析，選擇12個(gè)典型艙室，分析這兩種激勵(lì)對(duì)各個(gè)艙室響應(yīng)的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)源對(duì)艙室響應(yīng)的貢獻(xiàn)占比與艙室、激勵(lì)源之間的相對(duì)位置有關(guān)，當(dāng)艙室位于某激勵(lì)源鄰艙或正上方位置時(shí)，該激勵(lì)源對(duì)艙室響應(yīng)的貢獻(xiàn)占比較大，當(dāng)艙室距離兩個(gè)激勵(lì)源都較遠(yuǎn)時(shí)，螺旋槳激勵(lì)貢獻(xiàn)占比較大，為同類(lèi)型船的后期振動(dòng)控制提供參考。