張亮,李國(guó)榮

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

在船舶設(shè)計(jì)階段開展詳細(xì)的振動(dòng)評(píng)估及控制方案設(shè)計(jì),有利于降低實(shí)船振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),減少船舶建造后階段振動(dòng)修改成本,具有顯著的工程意義。以招商局金陵船舶(南京)有限公司批量建造的新一代雙燃料動(dòng)力大型汽車運(yùn)輸船(pure car/trunk carrier, PCTC)首制船為研究對(duì)象,采用有限元建模分析方法,開展船體結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算,識(shí)別振動(dòng)關(guān)注區(qū)域共振或臨界振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),并針對(duì)PCTC船多層大跨度甲板板架固有頻率調(diào)節(jié)難的問題,通過進(jìn)一步開展主要激振力作用下的船體強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算分析,明確振動(dòng)響應(yīng)值和分布,探討制定振動(dòng)較大區(qū)域相關(guān)改進(jìn)方案。

1 船型主要參數(shù)

1.1 船體特征

目標(biāo)船典型橫剖面見圖1,該船設(shè)有12層汽車甲板,其中8層為固定式,4層為活動(dòng)式,設(shè)計(jì)載車輛7 000標(biāo)準(zhǔn)車位。該船上層甲板設(shè)計(jì)為裝載小型汽車,軸載荷較小,因此甲板采用薄板設(shè)計(jì),板厚為6 mm。為了最大化提高車輛裝卸能力和效率該船貨艙不設(shè)橫艙壁,僅在船長(zhǎng)方向隔4或3個(gè)強(qiáng)框布置雙排支柱,甲板板架跨距達(dá)到15 m。大跨度薄板板架的設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生振動(dòng)問題,有必要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。此外,本船采用LNG雙燃料主機(jī),相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)具有一定的振動(dòng)控制要求,需要在設(shè)計(jì)階段關(guān)注。

圖1 目標(biāo)船典型橫剖面示意

1.2 振動(dòng)關(guān)注區(qū)域及衡量準(zhǔn)則

目標(biāo)船船員房間和工作處所除需滿足《客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》[2](以下簡(jiǎn)稱ISO 6954:2000(E))標(biāo)準(zhǔn)外,該船規(guī)格書還將振動(dòng)指標(biāo)更為嚴(yán)苛的ISO 20283-5標(biāo)準(zhǔn)[3]作為設(shè)計(jì)和建造控制目標(biāo)。對(duì)于居住性衡準(zhǔn)沒有包括的其他區(qū)域,仍然可能發(fā)生有害振動(dòng),如貨艙、機(jī)艙、LNG艙、桅桿等區(qū)域或構(gòu)件,詳細(xì)設(shè)計(jì)需要綜合考慮較大振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞破壞、設(shè)備失效等的影響。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及船型特點(diǎn),目標(biāo)船設(shè)計(jì)階段振動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域見圖2,主要包括:A,LNG罐艙透氣桅;B1,船員房間;B2,駕駛室;C,船尾區(qū)域各層裝車甲板;D,LNG罐艙甲板;E,LNG供氣系統(tǒng)(FGSS)艙室;F,機(jī)械處所。

圖2 目標(biāo)船振動(dòng)控制重點(diǎn)區(qū)域

制定該船振動(dòng)控制要求見表1。

居住性衡準(zhǔn)值與ISO 6954—2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致,設(shè)計(jì)目標(biāo)值參考ISO 20283-5要求制定,振動(dòng)參數(shù)采用頻率加權(quán)速度均方根值表征;結(jié)構(gòu)振動(dòng)參考中國(guó)船級(jí)社《船上振動(dòng)控制指南》[4]制定,振動(dòng)參數(shù)采用速度(峰值)表征,在5～100 Hz頻率范圍內(nèi)建議值為30 mm/s。對(duì)于透氣桅及特殊設(shè)備區(qū)域,結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)制定。

1.3 振源分析

目標(biāo)船引起船體振動(dòng)的主要設(shè)備為主機(jī)和螺旋槳。其中,主機(jī)為7缸柴油&LNG雙燃料機(jī),型號(hào)為WinGD 7X62DF-2.0 with iCER systems,服務(wù)轉(zhuǎn)速為93 r/min,根據(jù)廠商提供的資料,該型主機(jī)可引起船體較大振動(dòng)的激勵(lì)為4階X型和7階H型傾覆力矩。螺旋槳為5葉單槳,根據(jù)船模實(shí)驗(yàn)結(jié)果,服務(wù)轉(zhuǎn)速下,螺旋槳引起作用于船底板的葉頻脈動(dòng)壓力峰值為3.1 kPa,倍葉頻較小,可忽略不計(jì)。表2為目標(biāo)船激勵(lì)源。

2 自由頻率計(jì)算及共振風(fēng)險(xiǎn)控制

應(yīng)用MSC.NASTRAN軟件計(jì)算目標(biāo)船各振動(dòng)關(guān)注區(qū)域局部結(jié)構(gòu)固有頻率,按照與主要激勵(lì)頻率錯(cuò)開10%～20%的原則進(jìn)行共振篩查,相應(yīng)地采取加密骨材或者增加梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),以提升局部結(jié)構(gòu)固有頻率儲(chǔ)備。

此原則對(duì)于目標(biāo)船上層甲板大跨度板架結(jié)構(gòu)并不適用。如圖3計(jì)算結(jié)果所示,典型上層甲板板架第1階固有頻率僅有4.9 Hz左右,第2階固有頻率為8.2 Hz,與螺旋槳葉頻激勵(lì)頻率接近,存在共振風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于上層甲板區(qū)域,由于PCTC船穩(wěn)性及重量控制要求,大量級(jí)的增加梁結(jié)構(gòu)或改變現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸、厚度提升大跨度板架的固有頻率不現(xiàn)實(shí),采用增加支柱的方案也勢(shì)必影響車輛裝載。因此,PCTC船型上層甲板結(jié)構(gòu)共振將難以避免,有必要通過開展詳細(xì)的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算評(píng)估,定量獲得振動(dòng)響應(yīng)值,明確較大振動(dòng)區(qū)域分布,制定在共振環(huán)境下將振動(dòng)傳遞路徑和能量盡量均勻分布的措施,避免出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)。

圖3 上層甲板典型板架固有頻率

目標(biāo)船采用LNG和柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng),在機(jī)艙相鄰區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的LNG燃料罐艙。根據(jù)SOLAS公約及相關(guān)規(guī)范要求,需要配備透氣桅以保證結(jié)構(gòu)安全和防火安全。本船透氣桅布置于動(dòng)力系統(tǒng)上方頂層甲板,容易產(chǎn)生振動(dòng)問題。根據(jù)計(jì)算分析,如圖4及表3所示,透氣桅前3階固有頻率與該船主要激勵(lì)頻率錯(cuò)開15%以上,可以認(rèn)為共振風(fēng)險(xiǎn)較低,無需在設(shè)計(jì)階段采取加強(qiáng)措施。

表3 透氣桅固有頻率儲(chǔ)備

圖4 透氣桅固有頻率

3 振動(dòng)響應(yīng)分析

3.1 計(jì)算模型

采用MSC.PATRAN軟件建立整船有限元模型,對(duì)該船進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算。由于目標(biāo)船尺度大,桁材、骨材布置密集,分析模型完全反應(yīng)實(shí)船細(xì)節(jié)特征不利于開展動(dòng)力學(xué)分析。根據(jù)本船船型及振動(dòng)控制特點(diǎn),采用等效建模的方法,將離振動(dòng)激勵(lì)源較近、振動(dòng)控制重點(diǎn)區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格劃分,盡可能反應(yīng)所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),即LNG艙前端壁往尾部分及上層建筑居住區(qū)域模型網(wǎng)格采用縱骨間距×肋骨間距劃分;其他區(qū)域采用尺寸為縱骨間距×強(qiáng)肋骨間距較粗網(wǎng)格劃分。該方法能反應(yīng)振動(dòng)關(guān)注區(qū)域板架及板格級(jí)振動(dòng),保證振動(dòng)分析精度,且可縮短建模和計(jì)算時(shí)間[5]。

整船有限元分析模型及坐標(biāo)系見圖5。

圖5 目標(biāo)船振動(dòng)有限元分析模型

3.2 分析過程

對(duì)船體施加1.3所分析的本船主要激振力,采用MSC.NASTRAN軟件進(jìn)行全船強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算及后處理。

3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,上層甲板船員艙室和工作處所、FGSS房間、LNG艙結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平較低,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。振動(dòng)較大區(qū)域集中在尾部甲板,主要與螺旋槳葉頻激勵(lì)相關(guān)。

圖6給出了目標(biāo)船上層10甲板在主機(jī)服務(wù)轉(zhuǎn)速93 r/min對(duì)應(yīng)的螺旋槳葉頻激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)速度云圖。其中,位于船中部的P1點(diǎn)及周邊小范圍區(qū)域呈現(xiàn)較大的振動(dòng)響應(yīng),速度(峰值)達(dá)到37.2 mm/s,超出了規(guī)范推薦衡準(zhǔn)值30 mm/s,考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖6 上層10甲板螺旋槳葉頻激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

提取計(jì)算結(jié)果,繪制P1點(diǎn)在該船主要激振力(主機(jī)4、7階,螺旋槳葉頻)作用下隨轉(zhuǎn)速變化振動(dòng)速度響應(yīng)曲線,如圖7所示,測(cè)點(diǎn)在各激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)主要表現(xiàn)為Z向(垂向)振動(dòng),沿船長(zhǎng)和船寬方向的振動(dòng)小;主機(jī)7階引起的振動(dòng)響應(yīng)速度小于4 mm/s,主機(jī)4階引起的振動(dòng)響應(yīng)速度峰值為15 mm/s,滿足規(guī)范推薦衡準(zhǔn).由圖7c)可推斷,振動(dòng)響應(yīng)曲線在主機(jī)93 r/min呈現(xiàn)單峰值,表明產(chǎn)生了共振。

圖7 測(cè)點(diǎn)P1在各主要激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)值

3.4 減振措施

1)根據(jù)前文固有頻率分析和振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果,判斷尾部甲板振動(dòng)較大主因?yàn)槁菪龢~頻激勵(lì)。改進(jìn)方案從提高局部區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度,改善振動(dòng)能量分布考慮。

制定尾部甲板典型加強(qiáng)方案見圖8,對(duì)振動(dòng)較大區(qū)域約1.5倍范圍內(nèi)沿船寬方向增加1道與該層甲板橫梁同規(guī)格尺寸的T型梁,沿船長(zhǎng)方向?qū)?～2道甲板縱骨改為與該層甲板縱梁同規(guī)格尺寸的T型梁。

圖8 典型板架加強(qiáng)設(shè)計(jì)

2)該船主機(jī)頂撐原設(shè)計(jì)方案為在單側(cè)布置4根液壓式頂撐,計(jì)算結(jié)果顯示,部分區(qū)域結(jié)構(gòu)對(duì)主機(jī)4、7階激勵(lì)敏感,由于ISO 6954 2000(E)振動(dòng)速度參數(shù)統(tǒng)計(jì)的是1～80 Hz頻率加權(quán)均方根值,降低主機(jī)激勵(lì)響應(yīng)會(huì)改善振動(dòng)總值,此外,對(duì)于機(jī)艙及相鄰區(qū)域的各型設(shè)備、管路等振動(dòng),在設(shè)計(jì)階段難以全面核查。改善主機(jī)4、7階激勵(lì)下的船體振動(dòng)響應(yīng)可通過采取調(diào)整主機(jī)橫向頂撐布置等措施[6]。

為進(jìn)一步控制振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),制定方案見圖9,①依據(jù)機(jī)艙平臺(tái)及鄰近區(qū)域振動(dòng)評(píng)估,優(yōu)化設(shè)計(jì)主機(jī)頂撐在船體側(cè)支撐結(jié)構(gòu)剛度大于頂撐剛度2倍以上;②在B,C位置提前做好結(jié)構(gòu)加強(qiáng),并預(yù)留相應(yīng)的安裝空間,若實(shí)船出現(xiàn)主機(jī)激勵(lì)振動(dòng)問題,可減少建造后的修改成本;③基于整船響應(yīng)計(jì)算,在A,D位置增加兩根頂撐,可降低主機(jī)激勵(lì)敏感區(qū)域振動(dòng)響應(yīng)。

圖9 主機(jī)頂撐區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化,本船尾部甲板振動(dòng)得到改善,如表4所示,振動(dòng)速度峰值滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表4 減振設(shè)計(jì)優(yōu)化前后振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

4 航行振動(dòng)測(cè)量結(jié)果

依據(jù)目標(biāo)船航行振動(dòng)試驗(yàn)大綱,海上航行振動(dòng)測(cè)試在主機(jī)持續(xù)服務(wù)功率(85%主機(jī)標(biāo)定負(fù)荷)進(jìn)行,主機(jī)轉(zhuǎn)速為93 r/min左右。選取上層建筑、尾部甲板、設(shè)備間等區(qū)域測(cè)點(diǎn),測(cè)量縱向、水平方向和垂直方向振動(dòng),測(cè)試結(jié)果為ISO-6954 2000(E)1～80 Hz頻率加權(quán)速度均方根值。測(cè)試結(jié)果表明,該船振動(dòng)考察區(qū)未出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象,設(shè)計(jì)階段振動(dòng)控制設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度及相應(yīng)的主要激振力統(tǒng)計(jì)見圖10。大多數(shù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主要與螺旋槳葉頻激勵(lì)相關(guān),其次是主機(jī)4階激勵(lì)。該船居住甲板整體振動(dòng)較小,基本小于3.5 mm/s,振動(dòng)水平已達(dá)到ISO 20283-5標(biāo)準(zhǔn),具有良好的居住舒適度;FGSS房間、LNG艙等設(shè)備或系統(tǒng)艙室振動(dòng)處于較低水平。

圖10 目標(biāo)船振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

1)PCTC船上層甲板典型結(jié)構(gòu)特征為由支柱支撐的大跨度薄板板架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)頻率較低,在設(shè)計(jì)階段識(shí)別出共振風(fēng)險(xiǎn)時(shí),依據(jù)與主要激勵(lì)頻率錯(cuò)開10%～20%的原則進(jìn)行大面積的結(jié)構(gòu)改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)重量和穩(wěn)性控制問題,需要采用強(qiáng)迫振動(dòng)分析方法,定量獲得振動(dòng)響應(yīng)值,明確較大振動(dòng)區(qū)域分布,制定在共振環(huán)境下將振動(dòng)傳遞路徑和能量盡量均勻分布的措施,避免出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)。

2)基于目標(biāo)船主要激振力作用下的船體強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析,可明確該船較大振動(dòng)區(qū)域在尾部甲板,主要由螺旋槳葉頻激勵(lì)引起,所采取的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式,使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度值降至20 mm/s以內(nèi),達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3)主機(jī)4階X型和7階H型激勵(lì)引起的振動(dòng)可通過優(yōu)化主機(jī)橫向頂撐布置及支撐剛度控制;進(jìn)一步的,在設(shè)計(jì)階段可預(yù)留額外的主機(jī)頂撐安裝空間,提前做好頂撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。對(duì)于航行測(cè)試暴露出的相關(guān)振動(dòng)問題,可快速進(jìn)行安裝測(cè)試,減少修改成本。