超大型集装箱船上层建筑不同布置形式的动态特性研究

李文华 吴嘉蒙 马 骏 谢小龙

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.大连理工大学 船舶工程学院 大连116004）

0 引 言

集装箱船因其特有的货舱大开口结构型式，使船体的抗扭刚度偏弱，导致船体扭转振动与弯曲振动在低阶模态耦合在一起；而且近几年随着集装箱船设计和建造的大型化，其设计趋势及采用的一些设计要求也可能导致振动问题愈加突出［1］。此外，随着能效设计指数（EEDI）指标和节能减排的要求，越来越多的设计都考虑在营运过程中采用降功率的方法，并在某一段航速范围内进行油耗优化设计，从而导致主机和螺旋桨激励的宽频带特征，并对主船体和上层建筑等产生振动影响。因此，集装箱船的振动和响应分析正越来越受到关注。

集装箱船的上层建筑布置形式通常可分为单岛式和双岛式。单岛式是指将上层建筑和机舱棚连为一体，通常布置在艉部或机舱上方；双岛式是指将上层建筑和机舱棚分开布置，机舱棚布置在机舱上方，船员生活区和驾驶室等布置在船舯靠前部位。通常，单岛式布置多用于万箱以下的集装箱船，而双岛式布置则多用于万箱以上的集装箱船。对于万箱级别的集装箱船，单岛式和双岛式都可采用。

虽然单岛式或双岛式的布置主要基于视线及船体抗扭刚度的要求提出，但由于其不同的布置形式及抗扭刚度，势必影响集装箱船主船体和上层建筑/机舱棚等的动态特性。国内对此研究刚刚起步［2］，因此很有必要针对不同上层建筑布置形式对船体振动及响应的影响进行研究。

1 研究对象及方法

由于常规的能量法和迁移矩阵法不考虑振动耦合，因此本文将采用有限元方法进行数值计算。虽然研究结论都将通过算例分析得到，但这并不影响其一般性［3］。

本文选取的1型10 000 TEU超大型集装箱船，分别按单岛式和双岛式布置其上层建筑。模型范围包含上层建筑在内的整船模型，网格大小按强框间距划分。为便于在振动响应计算时施加主机激振力矩，主机也模拟为有限元模型［4］。

单岛式布置和双岛式布置下的全船有限元模型如图1所示，艉部和机舱段有限元模型见图2。

图1 10 000 TEU集装箱船有限元模型

图2 10 000 TEU集装箱船上层建筑、艉部及机舱段的有限元模型（单岛式）

2 质量分布

振动分析需考虑的质量包括空船质量、载重量和附连水质量［2］。

本文中空船质量的调整是采用调密度的方法，对于比较重的机械设备采用加质量点的方法调整，最终使模型的重心及质量分布与实际一致［5］。

整个船体随载况不同，会产生不同的振动模态。本船振动分析时考虑了两种工况：压载到港和满载出港。表1列出了本船在两种装载工况下相应的质量。

表1 10 000 TEU集装箱船的两种典型载况

附连水质量的确定，本文采用源汇分布法，即在MSC/NASTRAN内程序计算时，通过定义有限元模型湿表面单元和吃水高度，用Helmholtz方法求解流体运动的拉普拉斯方程，进而求解出附连水质量。

3 主要激励

船舶营运时的激励源主要是：螺旋桨、主机、辅助设备和海浪，其中尤以螺旋桨和主机的激励最为显著［3］。

3.1 螺旋桨激励

对于螺旋桨激振力，本文采用的是DNV船级社的CFD计算方法［6］，其计算程序为NV571-97。经Matlab模拟的艉部脉动压力结果如图3所示。

图3 螺旋桨叶频下船体艉部脉动压力的模拟

本船采用6叶桨，MCR下最大转速为84 r/min。因此，其叶频激振频率为8.4 Hz，倍叶频激振频率为16.8 Hz。

3.2 主机激励

本船采用MAN公司新研发的10S90ME-C9.2型主机。根据设备商提供的激振力/力矩数据，选取如表2所示工况下较大的激振力矩和对应频率。

表2 10S90ME-C9.2主机的各阶激振力矩及频率（MCR下）

4 自由振动及结果分析

4.1 有限元计算结果

船体自由振动评估的目的是计算全船的固有频率，并校核是否能避开激振频率。为了保证精度，频率评估范围包括激励频率范围，整个自由振动的频率范围为0～20.0 Hz，包括了主机各阶激振频率、螺旋桨叶频和倍叶频［2］。

表3～表5为压载和满载工况下，目标船自由振动前8阶的振型和固有频率值，以及上层建筑或机舱棚的前3阶振型和固有频率值。图4为满载工况下各阶固有频率所对应的目标船的振型示意。

表3 单岛式、双岛式10 000 TEU前8阶固有频率值和振型

表4 单岛式10 000 TEU上层建筑前3阶固有频率值和振型

表5 双岛式10 000 TEU上层建筑前3阶固有频率值和振型

图4 满载工况下单岛式和双岛式的前8阶振型示意

4.2 结果比较

根据上述计算结果，可以发现：

（1）双岛式上层建筑布置形式下计算所得的1阶扭转振动固有频率比单岛式高，主要原因是双岛式布置增加了船体梁剖面的扭转刚度。但是2阶扭转固有频率两者基本相同，主要原因是双岛式中，前岛的布置位置接近2阶扭转节点处，其对2阶扭转固有频率基本没有影响。

（2）单岛式和双岛式上层建筑布置对垂向振动固有频率的影响不大，主要原因是上层建筑的布置对船体梁整体的质量分布影响不大，船体主要的重量分布由集装箱和附连水决定，而上层建筑的质量远小于这两项的质量，所以其对船体梁的垂向振动影响较小。

（3）上层建筑的布置形式对水平振动的影响比较复杂，主要原因可能是集装箱船水平振动和扭转振动发生耦合。

5 强迫振动及结果分析

振动响应计算采用模态叠加法。考虑一定范围内的航速经济性要求，转速范围从（50%～110%）MCR螺旋桨激振力和主机激振力矩在各转速下的值按文献［1］的方法计算得到。振动阻尼按DNV船级社推荐的要求取值［6］。

具体响应评估位置，可根据船东需要或者发证需要，主要选取船员工作与休息区域以及重要设备仪器所在区域。本文选取的位置如下页图5和图6所示。

本文采用ISO6954-2000衡准［7］评估船体振动响应情况，具体结果见下页表6。

经初步计算发现：

图5 单岛式上层建筑测点布置情况

图6 双岛式上层建筑测点布置情况

表6 ISO 6954-2000振动频率全频速度加权值 单位：mm/s

（1）对于单岛式上层建筑布置，主机7阶激振力矩引起的振动响应较大，特别是翼桥端部区域（node22280）， 纵向速度响应值达到16.75 mm/s，其频响曲线如图7所示，具体设计时已作修改；

图7 单岛式目标船在主机七阶激励下各测点X方向的响应曲线

（2）对于双岛式上层建筑布置，无论是在螺旋桨还是主机激励下，各测点处得到的振动响应值均满足ISO 6954-2000衡准；

（3）从各阶振动响应计算结果可以看出：双岛式与单岛式相比，由于居住处所的布置远离激励源，振动响应值明显减小；

（4）双岛式布置下，后岛烟囱处主甲板上node81337和node81631的振动响应与单岛式对应测点node20823和node21117相比反而有所下降，主要原因是双岛式布置下，后岛的刚度不如单岛式布置，刚度降低导致双岛式后岛烟囱的振动响应比单岛式高。实船设计时已予以充分重视。

6 结 论

通过分别对单岛式和双岛式上层建筑布置形式下10 000 TEU集装箱船的总振动计算，得到主要结论如下：

（1）上层建筑布置形式不同，主要改变船体扭转刚度，对集装箱船首阶扭转振动有一定影响；相比而言，双岛式布置下的船体梁首阶扭转振动频率大于同级别的单岛式集装箱船。

（2）上层建筑布置形式不同，对船体梁垂向振动的影响不大；对水平振动的影响较难判断。

（3）由于双岛式布置下前岛的位置远离激励源，因此该居住处所的响应值普遍小于单岛式；但相比而言，双岛式后岛处烟囱的振动响应值要比单岛式布置下的大，实船设计时应予以充分重视。

［1］吴嘉蒙.集装箱船的振动与响应评估［J］.上海造船，2009，80（4）：14-18.

［2］吴嘉蒙.2 750 TEU集装箱船的全船总振动评估［J］.船舶，2008（2）：45-49.

［3］金咸定，赵德有.船体振动学［M］.上海：上海交通大学出版社，2001：109-130.

［4］MUMM H，ASMNSSEN I.Simulation of low-speed main engine excitation forces in global vibration analysis［C］//Noise&Vibration in the Marine Environment.London.1995：1-20.

［5］中国船级社.船上振动控制指南［M］.北京：人民交通出版社，2000：174-183.

［6］Det Norske Veritas.Prevention of Harmful Vibration in Ship［M］.1983.

［7］International Standard ISO 6954.Mechanical vibration and shock-Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships［S］.2000.