李建明 黃建軍 鄒海斌 黃天星

摘? ? 要：采用有限元計算方法，建立某船的三維有限元模型，對全船振動水平進行評估分析。分析的重點是人員居住區(qū)及日常工作區(qū)，目的是校核在航行工況時主要振源激勵下的振動響應(yīng)。計算結(jié)果滿足要求，計算分析方法可為相關(guān)類型船舶振動性能評定提供參考。

關(guān)鍵詞：有限元計算；振源激勵；振動響應(yīng)

中圖分類號：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Calculation and Analysis of Vibration Response of a

Ship Based on Finite Element Method

LI Jianming1， HUANG Jianjun2， ZOU Haibin1 ， HUANG Tianxing1

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： A three-dimensional finite element model of this ship has been established by finite element method to evaluate and analyze the vibration level of the whole ship. The focus of vibration analysis is on the residential area and daily work area. The purpose is to check the vibration response of this ship under the excitation of the main vibration source when sailing out of port （sailing condition），and the calculation results meet with the legal requirements. The calculation and analysis method could provide certain reference and guiding significance for the evaluation of related type ships on vibration performance.

Key words： Finite Element Calculation; Vibration Source Excitation; Vibration Response.

1? ? ?前言

振動噪聲對船舶的舒適性產(chǎn)生不利影響，若振動程度過大，還會對船舶造成較大的危害，主要包括構(gòu)件應(yīng)力過大產(chǎn)生的疲勞破壞，并會使船上的設(shè)備儀器失靈[1]。

本船設(shè)有發(fā)電機組、推進裝置、輔助設(shè)備、管路系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等主要振動噪聲源設(shè)備，居住大量的人員，其振動噪聲不僅影響工作效率和健康，還能引起船體結(jié)構(gòu)疲勞損壞、設(shè)備的安全性等問題，且建造后整改措施有限，需要通過分析、計算等手段進行研究。相關(guān)的聲學(xué)計算方法與一般的減振降噪措施有較大的難度，并且耗時耗力[2]。為保證本船建造過程的順利開展，以及完工后振動噪音能夠滿足用戶的需求，本文通過采用有限元計算方法對全船進行建模，對船的總振動頻率和響應(yīng)進行分析。

2? ? 船舶簡介

本船主尺度如下：

總? ? 長 ? ? 179.80 m

型? ? 寬 ? ? 32.80 m

型? ? 深 ? ? 15.50 m

設(shè)計吃水 ? ? 9.20 m

定? ? 員 ? ? 180人

本船作為長期的海上移動工作平臺，在艉部布置有：3套全回轉(zhuǎn)推進器、6臺主柴油發(fā)電機組、3臺可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器、1臺隧道式推進器。主要艙室有：設(shè)備處所、船員工作處所、實驗處所、住艙、儲藏室以及公共區(qū)域等。自上而下依次設(shè)置：頂甲板、駕駛甲板、第四甲板、第三甲板、第二甲板、第一甲板、主甲板、上甲板、下甲板、內(nèi)底甲板。

3? ? 有限元模型

有限元模型按照型線圖、基本結(jié)構(gòu)圖、分段結(jié)構(gòu)圖和外板展開圖等建立（見圖1），肋距為700 mm，每個肋位的結(jié)構(gòu)都在模型中得到反映。模型的主要結(jié)構(gòu)，包括：船體外板、甲板以及艙壁（2維殼單元模擬）；縱向、橫向以及垂向桁材（1維梁單元模擬）；加強筋（1維梁單元模擬）；甲板之間的立柱（1維管單元模擬）；發(fā)電機組（0維質(zhì)點單元模擬）；船艙的油、水（3維實體流體單元模擬）；對于輪機設(shè)備、吊機設(shè)備等，根據(jù)提供的重心、重量建立質(zhì)點單元模型；利用附加質(zhì)量的形式將阻尼和甲板敷料加到對應(yīng)的甲板區(qū)域位置；同樣地，利用附加質(zhì)量的形式對管系、內(nèi)裝、冷通和電氣等設(shè)備重量加到對應(yīng)的甲板區(qū)域位置；不同區(qū)域甲板附加質(zhì)量設(shè)置如下：居住甲板 1e-7 t/mm2；生活甲板8 e-8 t/mm2；機艙甲板1.5 e-7 t/mm2。

整個有限元模型分為：主船體、上層建筑、生活區(qū)、實驗室區(qū)域、鉆井區(qū)域等，共390 058個單元、176076個節(jié)點。

坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點位于尾垂線與基點的交點，X方向是船長方向，Y方向是船寬方向，Z方向是型深方向。

為方便評估船體周圍水動力，運用虛質(zhì)量方法模擬，通過調(diào)整水線高度、流體密度、流體在船體外板的位置等參數(shù)，主要定義流體的體積模量和密度。

4? ? ?邊界條件及計算工況

4.1? ?邊界條件

在整船的模態(tài)分析與振動響應(yīng)計算中，不施加約束。

4.2? ?計算工況

限于篇幅，本文只對航行工況進行分析和計算，主要參數(shù)如下：

排水量 ? ?42 650 t

空船重量 ? ?26 929 t

載重量 ? ?15 721 t

平均吃水 ? ?9.2 m

燃油 ? ?4 723.9 t

滑油 ? ?43.2 t

淡水 ? ?1 320.5 t

壓載水 ? ?786 t

泥漿 ? ?1 030.9 t

5? ? 全船模態(tài)分析

相應(yīng)的振型和各階模態(tài)，主要利用子空間迭代法計算得出。模態(tài)太大，導(dǎo)致對應(yīng)的自由度較多，由于頻率越來越高，模態(tài)也就越來越復(fù)雜，使得分離出各階模態(tài)和振型很困難。航行工況下，前幾階較為重要的全船整體的固有頻率和振型為：1階垂向彎曲振動，頻率為1.5 Hz；1階扭轉(zhuǎn)振動，頻率為2.8 Hz；1階橫向彎曲振動，頻率為3.0 Hz；2階垂向彎曲振動，頻率為3.3 Hz；2階橫向彎曲振動，頻率為5.3 Hz。圖2—圖6給出了各階模態(tài)頻率及對應(yīng)的振型。

5.1? 主要激勵源及衡準(zhǔn)

航行工況下：6套柴發(fā)機組中3套運行（額定功率）、3套備用；3臺主推進器以80%功率運行；伸縮推及艏側(cè)推不運行。因此，振動主要來源于柴油發(fā)電機組、全回轉(zhuǎn)推進器。

根據(jù)CCS《船上振動控制指南》（2021），在整船及局部結(jié)構(gòu)模態(tài)分析過程，避免主要的激勵頻率和上層建筑固有振動頻率在（85%～100%）最大營運轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，這是減小或避免上層建筑振動的共振響應(yīng)的最有效方法。

表1為主要動力設(shè)備的激勵和頻率范圍。

表2為全船的總振動固有頻率計算結(jié)果。

對比激勵源的激勵頻率與船體低階總振動固有頻率可以發(fā)現(xiàn)，本船不會發(fā)生整船共振。

6? ? 航行工況振動響應(yīng)

根據(jù)設(shè)計要求，對航行工況下的船舶振動響應(yīng)進行分析。航行工況下，本船甲板振動響應(yīng)需滿足中國船級社（CCS）《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》G-ECO（VIBl，NOI1）指標(biāo)要求，并取得相應(yīng)符號。

6.1? 激勵力

振動響應(yīng)計算中，分別在相應(yīng)位置施加全回轉(zhuǎn)推進器、發(fā)電機組激勵，利用直接積分法求解各個激勵下的船體振動響應(yīng)。

6.1.1 全回轉(zhuǎn)推進器激勵力

本船在艉部布置有三套全回轉(zhuǎn)推進器，全回轉(zhuǎn)推進器以80%功率運轉(zhuǎn)時，槳葉轉(zhuǎn)速157 r/min；以40%功率運轉(zhuǎn)時，槳葉轉(zhuǎn)速125 r/min。根據(jù)廠家資料，可得到主推進器的脈動壓力頻譜圖，見圖7所示。

6.1.2 發(fā)電機組激勵力

本船設(shè)有三個機艙，分別為機艙（左）、機艙（中）、機艙（右）。每個機艙布置兩套柴油發(fā)電機組，六套柴油發(fā)電機組均采用雙層彈性隔振安裝。本計算評估中，采用基座處振動限值作為計算輸入，9L32機型柴油發(fā)電機組安裝基座處1～80 Hz振動限值見表3：

6.2? ?計算結(jié)果

6.2.1? 駕駛甲板

駕駛甲板在航行工況下的振動分布云圖，見圖9。圖中給出1～80 Hz頻段內(nèi)振動速度最大頻率處的振動分布云圖；計權(quán)振動速度為1.1 mm/s，振動峰值位于實驗室頂部右舷區(qū)域。

6.2.2 第四甲板

第四甲板在航行工況下的振動分布云圖，見圖10。圖中給出1～80 Hz頻段內(nèi)振動速度最大頻率處的振動分布云圖；計權(quán)振動速度為1.33? mm/s，振動峰值位置位于左舷會議室。

6.2.3 第三甲板

第三甲板在航行工況下的振動分布云圖，見圖10。圖中給出1～80 Hz頻段內(nèi)振動速度最大頻率處的振動分布云圖；其計權(quán)振動速度為1.57 mm/s。振動峰值位置位于第三甲板左舷住艙區(qū)域。

6.2.4 主甲板

主甲板在航行工況下的振動分布云圖，見圖11。圖中給出1～80 Hz頻段內(nèi)振動速度最大頻率處的振動分布云圖；其計權(quán)振動速度為1.47 mm/s，振動峰值位置位于艉部機艙風(fēng)機室。

6.2.5 下甲板

下甲板機修間、泥漿化驗室、泥漿控制室在動力定位工況下的振動分布云圖見圖12。其計權(quán)振動速度為0.64 mm/s，振動峰值位置位于機修間。

航行工況下的振動響應(yīng)評估基于裝載工況，各層甲板1～80 Hz振動峰值點的計權(quán)振動速度見表4。

6.3? ?評估結(jié)果

航行工況下，根據(jù)CCS 《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》G-ECO（VIB1）的要求（見表5），運用1～80 Hz范圍內(nèi)的計權(quán)均方根值，以振動速度值為指標(biāo)。

對比表4和表5，可知航行工況下，本船甲板的振動響應(yīng)滿足規(guī)范限值要求。

7? ? 結(jié)語

本文基于有限元軟件進行建模，根據(jù)全船的振動模態(tài)計算結(jié)果分析：本船在航行工況下不會發(fā)生整船共振；根據(jù)典型甲板振動響應(yīng)峰值結(jié)果分析，本船滿足振動限值指標(biāo)要求。

對本船進行振動分析可知，在設(shè)計階段采取適當(dāng)?shù)目刂普駝哟胧┦潜ＷC本船滿足振動衡準(zhǔn)最有效的方法。本文計算分析方法可為相關(guān)類型船舶振動性能評定提供一定的參考。

參考文獻

[1]謝光能.減振降噪技術(shù)在高速船舶上的應(yīng)用[J].廣東造船， 2019（2）.

[2] 陳剛.深水半潛式鉆井平臺振動噪聲預(yù)報全頻域方法[J].中國造船，2010（3）.

基金項目：2021年廣東省海洋經(jīng)濟發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專項資金基金項目（粵自然資合[2021]043號）

作者簡介：李建明（1995-），男，助理工程師。主要從事船舶設(shè)計工作。

黃建軍（1966-），男，高級工程師。主要從事船舶設(shè)計工作。

收稿日期：2022-09-19