鄭晨陽

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

船舶振動過大會造成船舶營運(yùn)過程中結(jié)構(gòu)的損傷，影響船舶安全，同時(shí)也會影響船舶設(shè)備的正常使用，不利于船員身心健康。因此，在船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)階段有必要對船舶結(jié)構(gòu)的局部振動和船體梁的總振動進(jìn)行預(yù)報(bào)，在設(shè)計(jì)中需要采用合理的減振方案和必要的減振措施，是一艘使用較少的費(fèi)用取得降低振動的良好效果。

55 600 t化學(xué)品船是一艘根據(jù)《結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》設(shè)計(jì)的新型化學(xué)品船，螺旋槳在3倍葉頻下脈動壓力大，且該船采用舵球、節(jié)能定子、消渦鰭等多種節(jié)能裝置，滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)III階段的要求。因此，在提高快速性的同時(shí)需考慮此船型設(shè)計(jì)下的振動問題。

本文首先研究55 600 t化學(xué)品船的螺旋槳和主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起的周期性激振力，計(jì)算船舶固有頻率，進(jìn)行船體梁總振動響應(yīng)分析；其次對機(jī)艙、艉樓和上建甲板室組成的子構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行局部振動評估；最終采用有限元方法對船體梁總振動及局部振動特性進(jìn)行振動分析和評估。

1 船舶振動的評估衡準(zhǔn)

55 600 t新型化學(xué)品船由WARTSILE 6X52 HHI-EMD 低速柴油機(jī)驅(qū)動的單機(jī)單槳船，在貨艙區(qū)為雙殼和雙底結(jié)構(gòu)，有10對貨油艙及1對污油水艙。其主要技術(shù)參數(shù)如下：總長182.80 m，垂線間長178.80 m，型寬35.00 m，型深19.00 m，結(jié)構(gòu)吃水13.25 m，主機(jī)轉(zhuǎn)速(最大持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率MCR)87.7 r/min，主機(jī)轉(zhuǎn)速(正常持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率NCR)81.4 r/min，螺旋槳4葉。

船舶振動標(biāo)準(zhǔn)采用國際通用的船舶振動評估標(biāo)準(zhǔn)ISO 6954—2000。在計(jì)算中推薦總振動的峰值小于以下值：位移±0.25 mm，速度±30 mm/s，加速度±20 mm/s。

在評估計(jì)算中接受的振動衡準(zhǔn)為：居住區(qū)為4.5～6.0 mm/s，工作區(qū)域如駕駛甲板、機(jī)艙集控室、機(jī)修間為6～8 mm/s，駕駛橋翼和不經(jīng)常有人的處所為10 mm/s，重要的結(jié)構(gòu)為15 mm/s，其他結(jié)構(gòu)為30 mm/s，主機(jī)頂為25～30 mm/s(基于主機(jī)廠的推薦要求)。

2 振動分析方法

為了保證船體梁總振動的高階固有頻率的計(jì)算精度，同時(shí)不增加過多的計(jì)算工作量，可采用二維分析法。此分析方法效率雖高，但準(zhǔn)確性受到評估者經(jīng)驗(yàn)的影響較大，減振結(jié)果不直觀。因此，當(dāng)前船舶工程中更多的采用三維有限元建模來進(jìn)行。在55 600 t化學(xué)品船采用三維MSC/NASTRAN有限元模型進(jìn)行振動評估，用于計(jì)算自然頻率，從而用激振力載荷加載。自然頻率采用的LANCZOS特征值解析方法。

船舶穩(wěn)態(tài)振動主要激振源來自于螺旋槳和主柴油機(jī)。螺旋槳的脈動壓力由模型試驗(yàn)得到，柴油機(jī)的不平衡力矩可以由主機(jī)廠提供。船體梁的總振動主要由主機(jī)不平衡力矩(1次，2次和4次)引起的，不平衡力矩激勵頻率=次數(shù)×轉(zhuǎn)速/60，不平衡力矩隨轉(zhuǎn)速而變化，在MCR時(shí)達(dá)到最大值。在船體梁總振動響應(yīng)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮阻尼的影響。阻尼不僅包括船體的外阻尼即水動力阻尼和空氣動力等阻尼，還有船體的內(nèi)阻尼如主機(jī)頂撐的阻尼、貨物阻尼等。在船體振動強(qiáng)迫振動響應(yīng)計(jì)算中，阻尼系數(shù)一般可取0.015。本船計(jì)算使用的阻尼是個變數(shù)，見圖1。

圖1 模型響應(yīng)分析使用的阻尼值[4]

對于計(jì)算的位置、評估船體振動的具體位置可根據(jù)船東需要及將來試驗(yàn)要求的實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行選擇，主要選取船員工作、休息區(qū)域及重要設(shè)備所在區(qū)域，如駕駛室的前端中點(diǎn)、駕駛甲板邊緣、主甲板尾端點(diǎn)，以及主機(jī)前后端。

3 全船三維有限元模型

55 600 t化學(xué)品船三維有限元模型包括整個船長、船寬、型深范圍內(nèi)所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有限元的模型節(jié)點(diǎn)、單元類型應(yīng)能反映結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)件的剛度和質(zhì)量特性。用板、桿、梁來模擬整個船體的結(jié)構(gòu)，用節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量或質(zhì)量單元來模擬設(shè)備重量、裝載油水、附連水重量。為保證模型的每1個切點(diǎn)的3個線位移方向上都具有單元的剛度，以防止出現(xiàn)低頻的局部振動變形，一般貨艙中段可以采用1個強(qiáng)框架間距板單元。本船借用原結(jié)構(gòu)的有限元粗模型，以1個肋距800 mm左右為1個單元，雖然運(yùn)算的工作量會增加，但結(jié)果偏向保守。此三維模型也同時(shí)用來計(jì)算垂向、水平、扭轉(zhuǎn)振動及局部振動，如機(jī)艙艙壁、艉樓、甲板室和煙囪頂板各振動形式之間的耦合影響，具體的模型見圖2。

圖2 全船有限元振動模型

在建模計(jì)算中，不僅要考慮結(jié)構(gòu)剛度，還需要考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量。全船質(zhì)量由空船重量和裝載重量組成?？沾亓堪ńY(jié)構(gòu)重量和舾裝重量。結(jié)構(gòu)重量已包括在單元屬性中，非結(jié)構(gòu)重量包括船機(jī)電設(shè)備、甲板敷料等舾裝件重量。在建模時(shí)應(yīng)盡可能保證這些質(zhì)量的空間分布，即重心位置的準(zhǔn)確。對于質(zhì)量比較大的設(shè)備如主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐等采用等效實(shí)體單元來模擬。本船主機(jī)模型采用主機(jī)廠提供的實(shí)體模型，以避免大質(zhì)量的區(qū)域集中，造成計(jì)算結(jié)果失真，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

當(dāng)船體振動時(shí)，它周圍的水也隨之運(yùn)動，這部分運(yùn)動的水稱為附連水質(zhì)量。附連水質(zhì)量模擬的準(zhǔn)確與否對計(jì)算結(jié)果影響很大，本文采用MSC.Nastran中源匯分布方法來求解。該方法為將流體的作用和結(jié)構(gòu)振動表示為分布在流固邊界上的脈動源，進(jìn)而離散成有限個源點(diǎn)，通過簡化船體表面網(wǎng)格單元來進(jìn)行計(jì)算，定義濕表面單元和艏艉吃水高度來實(shí)現(xiàn)各工況的附連水質(zhì)量計(jì)算。

計(jì)算工況取2個極端工況：滿載13.25 m結(jié)構(gòu)吃水出港和壓載到港。2個工況下的貨物重量包括燃料及壓載水以集中的質(zhì)量載荷來處理。

螺旋槳在正常主機(jī)轉(zhuǎn)速(從55.0～90.5 r/min)葉頻激振頻率處于3.7～6.0 Hz。

根據(jù)主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)，主機(jī)激振頻率取值如下：2階垂向力矩2.9 Hz；6階橫向力矩8.8 Hz；3階縱向力矩4.4 Hz；4階縱向力矩5.9 Hz。

4 振動方案和結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)55 600 t化學(xué)品船的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙，在初步計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)存在船體梁總振動和局部振動超標(biāo)的現(xiàn)象。

在船體梁總振動的評估過程中，羅經(jīng)甲板在階縱向力矩作用的速度值見圖3，此處許用值為10 mm/s，現(xiàn)在最大值達(dá)到17.9 mm/s，超出許用標(biāo)準(zhǔn)。駕駛甲板及C甲板部分存在較大的區(qū)域出現(xiàn)超出可接受標(biāo)準(zhǔn)的情況。

圖3 羅經(jīng)甲板力矩作用的速度值

在解決方案的尋找求證的過程中，曾用過多種方案來解決這個問題，具體如下：

(1)主機(jī)當(dāng)前采用的是機(jī)械式橫撐，通過增加其阻尼系數(shù)來達(dá)到減少振動的目的。原設(shè)計(jì)為在主機(jī)單側(cè)加橫撐，考慮主機(jī)廠有兩側(cè)設(shè)計(jì)頂撐的推薦要求，擬通過用兩側(cè)橫撐。檢查當(dāng)前設(shè)計(jì)及舾裝模型發(fā)現(xiàn)，布置另一側(cè)橫撐困難，因而放棄這個方案。采取加厚主機(jī)頂撐梁厚度的方法，計(jì)算結(jié)果顯示，雖然有一定的效果，但仍達(dá)不到船舶振動標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)改機(jī)械式主機(jī)橫撐為液壓式橫撐或采用阻尼減振器的方法。經(jīng)過計(jì)算有一定的效果，但更改橫撐形式會造成原訂橫撐報(bào)廢。該方法價(jià)格較高，且提供的阻尼系數(shù)的準(zhǔn)確性不高，會給后期造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，因沒有采用該方案。

(3)根據(jù)中國船級社《船上振動控制指南》第12章12.3節(jié)上建振動整體振動固有頻率簡化計(jì)算方法計(jì)算得出本船上建振動固有頻率為7.96 Hz，處于主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)速區(qū)。為改善振動，有必要改變上層甲板室的形狀，增加聯(lián)接甲板后振動模型。在駕駛甲板和C甲板處的居住區(qū)和煙囪部分增加聯(lián)接甲板，見圖4。

圖4 增加聯(lián)接甲板后振動模型

通過增加上建與煙囪的聯(lián)接甲板，從而改變上建固有頻率的方法。經(jīng)評估得到以下結(jié)果：主機(jī)轉(zhuǎn)速超過85 r/min時(shí)，振動響應(yīng)值R.M.S.值在滿載出港工況下輕微超出LR船級社的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，但在ISO 6954：2000允許上限內(nèi)；正常壓載工況下稍微超出許用值?？傮w來說，不利振動的情況出現(xiàn)在主機(jī)轉(zhuǎn)速85 r/min以上，在正常航行時(shí)不存在超標(biāo)，此方案可行，最終通過試航驗(yàn)證結(jié)果良好。

通過整體固有振動頻率及模式分析，以及響應(yīng)分析的方法，采用有限元模型，對該船進(jìn)行局部振動計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，部分區(qū)域結(jié)構(gòu)超出振動許用值范圍，需對原來設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修改。

(1)固有振動頻率在距中12 580、6 660 mm壁超出主機(jī)及螺旋槳的響應(yīng)范圍，機(jī)艙集控室局部修改增加水平筋。

(2)固有振動頻率在FR16、FR25、FR27、FR29壁超出主機(jī)及螺旋槳的響應(yīng)范圍，局部修改增加水平筋。FR38壁在貨油液壓泵間大板片采用普通垂直筋，缺少強(qiáng)構(gòu)件支撐，因而增加了水平桁。

(3)煙囪頂板修改方案涉及板厚及結(jié)構(gòu)修改，因局部振動不在此處測量，在總振動結(jié)果沒有問題時(shí)不作修改。

(4)艉樓甲板設(shè)計(jì)壓力較小，6個肋位跨距僅按規(guī)范采用普通縱骨。但是，實(shí)際振動計(jì)算結(jié)果超標(biāo)，因而增加了強(qiáng)橫梁。

對于主要的板片，在單一方向采用縱骨或橫骨架式，因沒有具體液體壓力要求，強(qiáng)梁或桁材間距大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有問題，但振動計(jì)算時(shí)，對于處于振動影響區(qū)的大板格板易造成振動超標(biāo)。因此，對于機(jī)艙等離主機(jī)和槳振源較近的，振動影響較大，還需在規(guī)范計(jì)算的基礎(chǔ)上考慮整體強(qiáng)框架的支撐。

在主機(jī)最大轉(zhuǎn)速滿載航行過程中，對機(jī)艙、艉部上層建筑的重點(diǎn)振動區(qū)域進(jìn)行試航驗(yàn)證，各測量點(diǎn)的速度響應(yīng)峰值和R.M.S.值見表1。結(jié)果表明：實(shí)船振動滿足評估衡準(zhǔn)，采用的減振方案效果良好。

表1 主要測量點(diǎn)的R.M.S.值

5 結(jié)論

(1)主機(jī)和螺旋槳主要激振力引起船舶振動頻率在初始設(shè)計(jì)沒有錯開上層建筑的自振頻率，造成振動評估超標(biāo)。將上層居住區(qū)和煙囪部分聯(lián)成整體后，船舶振動得到很大改善。

(2)通過局部振動分析，對于機(jī)艙及艉樓等采用合理的加強(qiáng)方案。對于今后局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有很好的參考價(jià)值。

(3)當(dāng)主機(jī)在最大轉(zhuǎn)速滿載航行過程中，對于機(jī)艙、艉部上層建筑的重點(diǎn)振動區(qū)域，通過試航驗(yàn)證，各測量點(diǎn)的速度響應(yīng)峰值和R.M.S.值都較小，滿足ISO 6954：2000對振動的要求。