丁 寧 高占峰 肖 宇

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工設(shè)計(jì)研究院 揚(yáng)州 225200）

引 言

當(dāng)前，為了減輕船舶結(jié)構(gòu)質(zhì)量，高強(qiáng)度鋼被廣泛采用，結(jié)構(gòu)板厚降低則勢必使船體剛度隨之降低；但同時為提高船舶的快速性，主機(jī)功率也在不斷增加，從而導(dǎo)致船舶振動問題日益突出。嚴(yán)重的船舶振動不僅會顯著降低船舶的居住舒適性，進(jìn)而影響船員的工作效率和身體健康，也會致使船體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，影響船舶設(shè)備儀表的使用精度和壽命。因此，在船舶設(shè)計(jì)階段必須對船舶振動問題予以充分考慮。

目前，對于船舶振動預(yù)報(bào)控制這一問題，國內(nèi)外很多學(xué)者、單位均采用三維空間有限元法，事實(shí)證明：三維有限元模型是一種接近船舶真實(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算船舶振動特性。螺旋槳脈動壓力是引起船舶振動的主要激勵源之一，準(zhǔn)確地模擬螺旋槳脈動壓力是得到準(zhǔn)確可靠的有限元振動預(yù)報(bào)結(jié)果的前提。

本文提出3種不同的脈動壓力模擬方法，通過對比研究不同脈動壓力模擬方法下船舶典型參考位置的振動響應(yīng)頻響曲線的差異，最終確定采用一種快速、高效、準(zhǔn)確的螺旋槳脈動壓力有限元模擬方法。采用該螺旋槳脈動壓力模擬方法對某支線集裝箱船進(jìn)行全船有限元振動響應(yīng)分析，以實(shí)現(xiàn)船舶振動預(yù)報(bào)控制。經(jīng)實(shí)船試航振動測試驗(yàn)證，本船振動性能良好。

1 概 述

1.1 船舶總體布置

船舶的總體布置見圖1。

圖1 某支線集裝箱船總布置圖

1.2 全船有限元模型

本文運(yùn)用MSC-Patran有限元分析軟件建立全船有限元模型，對本船進(jìn)行振動響應(yīng)計(jì)算分析，建立某支線集裝箱船全船有限元模型，見圖2。

圖2 某支線集裝箱船全船有限元模型

主甲板、船體外板、橫縱艙壁、雙層底、強(qiáng)框肋骨和底縱桁等主要支撐結(jié)構(gòu)采用板單元（Shell）建立；強(qiáng)梁、加強(qiáng)筋等采用梁單元（Beam）建立；集裝箱、壓載水、燃油、重油、滑油及其他裝載手冊中的油水質(zhì)量，以及發(fā)電機(jī)、綁扎橋、艙口蓋、甲板機(jī)械等大型機(jī)械設(shè)備，采用質(zhì)量單元（Mass）模擬；水管、風(fēng)管、電纜、內(nèi)外舾裝件、小型機(jī)械設(shè)備等非大型集中質(zhì)量通過定義單元的非結(jié)構(gòu)質(zhì)量屬性（Non-Structure）模擬。

材料屬性為鋼制， 其楊氏模量為2.06 ×10Pa， 密度為7 850 kg/m，泊松比為0.3。坐標(biāo)系定義：

X

軸，沿船舶縱向，自艉向艏為正；

Y

軸，沿船舶橫向，左舷為正；

Z

軸，沿船舶垂向，向上為正。附連水的加載基于MSC-NASTRAN內(nèi)置的虛擬質(zhì)量法，通過定義 MFLUID 卡片的方式實(shí)現(xiàn)附連水的準(zhǔn)確、快速加載。

頻率響應(yīng)計(jì)算必須考慮阻尼的影響。對于實(shí)際工程，可將各種阻尼對于船舶的影響進(jìn)行耦合表達(dá)，在頻響分析中用模態(tài)阻尼的形式定義。模態(tài)阻尼基于英國勞氏船級社的船舶振動指南，具體數(shù)值見表1。

表1 頻率響應(yīng)分析中的模態(tài)阻尼

1.3 振動水平規(guī)范要求

本船規(guī)格書規(guī)定的船舶振動水平應(yīng)滿足ISO 6954-2000規(guī)范的要求。

2 螺旋槳脈動壓力模擬方法探索

螺旋槳工作時產(chǎn)生的激振力極為復(fù)雜，它與螺旋槳的形狀參數(shù)、船體后體線型和航速等有關(guān)。螺旋槳引起的激振力可分為2類：一類是周頻激振力，即螺旋槳的激振頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速的一階激振力，它是由螺旋槳的機(jī)械不平衡引起的；但隨著螺旋槳生產(chǎn)制造技術(shù)的日益成熟，機(jī)械不平衡力通?？梢院雎圆挥?jì)。另一類是激振力頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速乘以槳葉數(shù)倍數(shù)的高階激振力，稱為葉頻激振力或倍葉頻激振力；它是由螺旋槳在不均勻流場中工作引起的，稱為螺旋槳脈動壓力。螺旋槳脈動壓力是引起船舶振動的主要激勵源之一。

2.1 螺旋槳脈動壓力的獲得

目前，螺旋槳脈動壓力可通過經(jīng)驗(yàn)公式、空泡試驗(yàn)和計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）計(jì)算獲得。顯然，空泡試驗(yàn)或CFD計(jì)算獲得的脈動壓力更為準(zhǔn)確可靠。本文以某集裝箱船螺旋槳空泡試驗(yàn)得到的螺旋槳脈動壓力實(shí)測值為基礎(chǔ)，探索在有限元數(shù)值計(jì)算分析中快速、合理、有效的螺旋槳脈動壓力模擬方法。空泡試驗(yàn)的壓力傳感器布置位置及測得的脈動壓力值及其相位參見圖3。

圖3 壓力傳感器布置位置及測得脈動壓力及其相位

2.2 螺旋槳脈動壓力的模擬方法

螺旋槳空泡試驗(yàn)獲得脈動壓力數(shù)據(jù)后，如何將其合理準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為激振力并施加在有限元模型中，是十分關(guān)鍵的問題?！洞w振動》及中國船級社的《船上振動控制指南》中均指出：螺旋槳脈動壓力有效作用范圍為以螺旋槳正上方為中心，邊長為螺旋槳直徑（

D

）的正方形區(qū)域。螺旋槳脈動壓力最大值位于螺旋槳正上方略偏向艏部的位置處，自中心至四周呈非線性正相關(guān)衰減，其分布示意圖見下頁圖4。

圖4 螺旋槳脈動壓力分布示意圖

本船螺旋槳空泡試驗(yàn)中，傳感器以60 mm等間距布置。故以各傳感器測點(diǎn)為中心，邊長為60 mm的正方形區(qū)域，可認(rèn)為是該位置所測得脈動壓力的作用區(qū)域。根據(jù)縮尺比換算后可知：傳感器測得的脈動壓力作用區(qū)域之和約為螺旋槳脈動壓力實(shí)際作用面積（

D

×

D

）的75%，即為螺旋槳脈動壓力主要作用區(qū)域。假定每個傳感器測得脈動壓力為各自正方形區(qū)域的壓力平均值，則螺旋槳脈動壓力可轉(zhuǎn)化為作用在傳感器位置處的9個集中力。

基于上述求得的螺旋槳脈動壓力，探索研究螺旋槳脈動壓力的模擬方法；應(yīng)用3種不同的脈動壓力模擬方法，對船舶進(jìn)行有限元振動響應(yīng)計(jì)算，求得幾處船舶典型位置處的頻響曲線，以對比不同螺旋槳脈動壓力模擬方法對計(jì)算結(jié)果的影響。3種螺旋槳脈動壓力的模擬方法如下：

（1）方法1：將各個位置處的脈動壓力實(shí)測值轉(zhuǎn)化為集中力施加在船體外底板對應(yīng)位置處，同時計(jì)入相位差。

（2）方法2： 將各個位置處的脈動壓力實(shí)測值轉(zhuǎn)化為集中力施加在船體外底板對應(yīng)位置處，不考慮相位差。

（3）方法3： 將各個位置處的脈動壓力實(shí)測值轉(zhuǎn)化為集中力并求和后，施加單個集中力在螺旋槳正上方的船體外板上。

基于上述3種螺旋槳脈動壓力的模擬方法，在全船有限元模型中施加的螺旋槳脈動壓力，其施加的具體位置如圖5所示。

圖5 有限元模型中施加的螺旋槳脈動壓力

2.3 不同脈動壓力模擬方法的計(jì)算結(jié)果對比

以螺旋槳脈動壓力為外激振力，對本船進(jìn)行全船有限元振動響應(yīng)分析。分別選取駕駛甲板角點(diǎn)、E甲板中間板架中點(diǎn)、機(jī)艙11350平臺板架中點(diǎn)、尾尖艙12300平臺板架中點(diǎn)作為典型參考點(diǎn)，對比分析3種不同螺旋槳脈動壓力模擬方法下，各參考點(diǎn)的振動頻響曲線。各參考點(diǎn)位置及計(jì)算得到的振動頻響曲線對比結(jié)果如圖6至下頁圖10所示。

圖6 參考點(diǎn)位置示意圖

通過對比分析不同螺旋槳脈動壓力模擬方法下各參考點(diǎn)頻響曲線的計(jì)算結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：方法1和方法2相比，計(jì)入相位差后，振動響應(yīng)幅值會略有降低，但對計(jì)算結(jié)果的影響十分有限；方法2和方法3相比，將空泡實(shí)驗(yàn)測得的多點(diǎn)分布壓力轉(zhuǎn)化為單點(diǎn)集中力，對計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響。

此外，由于多點(diǎn)激振力加載，基于方法1和方法2的螺旋槳模擬方法，振動響應(yīng)計(jì)算時間約為6 h；而方法3由于僅施加單點(diǎn)激振力，相同計(jì)算機(jī)硬件配置，其計(jì)算時間約為4 h，計(jì)算效率提升33%。

圖7 駕駛室甲板角點(diǎn)振動頻響曲線對比圖

圖8 甲板中間板架中點(diǎn)振動頻響曲線對比圖

圖9 機(jī)艙11350平臺板架中點(diǎn)振動頻響曲線對比圖

圖10 尾尖艙12300平臺板架中點(diǎn)振動頻響曲線對比圖

3 結(jié)論及實(shí)船測量驗(yàn)證

3.1 結(jié) 論

對于螺旋槳脈動壓力，本文采用3種不同的模擬方法對船舶進(jìn)行有限元頻率響應(yīng)計(jì)算，通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比分析和實(shí)船測量結(jié)果可知：將螺旋槳空泡實(shí)驗(yàn)得到的多點(diǎn)分布壓力轉(zhuǎn)化為作用在螺旋槳正上方的船體外板的單點(diǎn)集中力，且不必考慮相位差，是一種快速、高效、準(zhǔn)確的螺旋槳脈動壓力模擬方法。該方法相比于計(jì)入相位差的多點(diǎn)分布脈動壓力模擬方法更加快速高效，同時所得到的計(jì)算結(jié)果相比偏差不大且偏于保守，滿足實(shí)際工程需求。

3.2 實(shí)船測量驗(yàn)證

基于本文提出的模擬方法對有限元模型施加螺旋槳脈動壓力。此外，同時施加螺旋槳軸承推力，主機(jī)二階縱向、三階X型橫向及六階H型橫向不平衡力矩等主要激振力，對本船進(jìn)行全船有限元振動響應(yīng)預(yù)報(bào)分析。

選取本船幾處典型位置的有限元振動預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果及實(shí)船振動測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，如表2所示。從對比結(jié)果可以看出，實(shí)船測試結(jié)果與振動預(yù)報(bào)結(jié)果基本相近，且均滿足ISO 6954-2000（E）振動標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的螺旋槳脈動壓力有限元模擬方法的準(zhǔn)確性。

表2 某支線集裝箱船試航工況下部分艙室有限元計(jì)算結(jié)果及振動測量數(shù)據(jù)

3.3 展 望

本文結(jié)論僅適用于主機(jī)為低轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的普通商用船舶，對于高轉(zhuǎn)速電力推進(jìn)的特種船舶的螺旋槳脈動壓力模擬方法仍需進(jìn)一步探索；并且，由于目前僅在本支線集裝箱船上實(shí)踐應(yīng)用，是否具有普遍性尚需更多應(yīng)用實(shí)踐予以證明。