VLCC翼桥振动分析及相关技术研究

潘溜溜，张 伟，徐智言，郑君镐

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

对于常规船体的振动分析与控制，目前主要分为两个阶段：一是建造前的全船振动固有频率和响应预报以及板格、筋、板架、雷达桅等构件的局部振动固有频率分析；二是实船振动测量，并对超标的地方进行相关的再计算、再测量。每条船都是此两阶段的全部或局部组合，因船而异[1]。如，新船型的主机参数（缸数、NCR转速、主机功率等）、螺旋桨参数（叶数、螺旋桨直径等）和艉部型线等的修改，一般均需按两个阶段的全部流程进行，工作量较大；而对局部构件共振，则可按第二阶段流程进行。当然在实际操作过程中，为了找出原因（如共振频率等）和解决问题（如降低响应等），分析流程可按不同分析任务而灵活调整。

前一阶段主要采用：全船FEM固有频率分析、全船FEM频率响应分析[2]和局部构件FEM固有频率分析和局部构件（规则布置）经验公式固有频率分析等；后一阶段主要采用：撞击或临时激振力激起结构自由振动从而测出其固有频率，以及试航时测出振动频率和响应幅值。

本文以VLCC翼桥振动的实际为例，阐述了解决船体振动的整个思路以及所采用的相关技术。

1 全船振动模态分析及频率响应预报

建模和计算软件为MSC.Patran/Nastran。有限元模型如图1所示。对于货舱液体质量的加载，采用MPC（多点约束）方法，即MSC.Nastran中RBE3单元；对于舷外附连水质量，采用Nastran流固耦合Mfluid卡片进行加载。对于阻尼的输入，采用BV（法国船级社）提供的参数：5Hz以下，阻尼为0.01；在8.5Hz时，阻尼为0.02；17Hz以上时，阻尼为0.04。见图2。

全船振动模态分析及响应预报结果见图3~7。图3为便于在有限元软件后处理时甄别出关键振型以及对应的固有频率；图4为关键振型之一；图5、6和7为3个典型位置在满载工况下的振动响应。

图1 VLCC全船振动分析有限元模型

图2 阻尼系数/频率

图 3 翼桥上某硬点处（左右舷各一点，并对称）振型幅值/频率分布

图4 7.47Hz对应的扭转振型

图 5 翼桥右舷上某硬点在主机7阶H型水平导向力矩作用下的振动响应

图 6 驾驶室某硬点在主机7阶H型水平导向力矩作用下的振动响应

图 7 机控室某硬点在主机7阶H型水平导向力矩作用下的振动响应

由全船振动模态分析及响应预报结果可以看出，主机在 68.5r/min附近翼桥端部纵向振动幅值较高，而机舱、甲板室各考查点振动幅值都在ISO 6954-1984（客船与商船机械振动标准）[3]要求范围以内。虽然翼桥端部不在ISO 6954考核区域内，但是船东对主机在60r/min以上时翼桥端部振动幅值大小有一定的要求，因此必须采取措施降低主机在60r/min以上时翼桥端部纵向振动幅值。

2 翼桥减振方案

由全船振动模态分析及响应预报结果可以看出，主机在68.5r/min附近时翼桥端部纵向振动幅值较高，主要是由于甲板室（含翼桥）主要扭转振型对应的固有频率与主机7阶H型水平导向力矩激振频率发生共振造成的。而船东关注的是60~76r/min转速范围内的振动水平，因此需要把翼桥固有频率提高到9Hz以上或者降低到7Hz以下。

有限元分析表明：若把翼桥固有频率提高到9Hz以上，则翼桥结构布置需大幅修改，权衡利弊后，决定采用翼桥端部附加质量来降低甲板室（含翼桥）的扭转振型固有频率。同时在60r/min转速以下，主机激振力相对 68.5r/min转速时低，虽然降低甲板室扭转振型固有频率有可能造成与主机在低转速时形成共振，但低转速下主机激振力也会相应减小，因此共振下的响应幅值会有所下降。

3 附加质量

为了确定翼桥端部附加质量的大小，分别通过增加1t、3t、5t、7t质量进行了全船模态分析，结果显示：增加5t以上即可把甲板室（含翼桥）最大扭转振型对应的固有频率降低到7Hz以下，即共振转速降低到60r/min以下。图8为增加5t质量后，甲板室（含翼桥）扭转振型。

为了验证FEM分析的准确性，对翼桥进行了撞击试验来测量其固有频率。结果显示：图9实测结果为7.06Hz，图8 FEM结果为6.90Hz，因此验证了FEM分析结果可靠，同时确定了在翼桥上增加5t质量后，其固有频率可降低到7.06Hz（共振转速为60.5r/min）。图9和图10为增加5t质量后实测的时域响应和频率响应。

图8 6.90Hz对应的扭转振型

图9 翼桥撞击后振动时域响应

图10 翼桥撞击后振动频域响应

根据全船模态分析以及翼桥撞击试验的结果，综合考虑决定在翼桥左右舷（翼桥斜撑顶部箱体内）各增加7t质量，并通过有限元分析确定翼桥及其甲板室支撑结构来满足强度要求。

4 试航振动实测

在试航过程中，按照ISO 6954-2000[4]的要求测量机舱以及甲板室内典型位置的振动响应，结果全部满足ISO 6954-2000的要求。

另外，对于船东特别关注的翼桥位置，分别在压载和满载，不附加质量和附加质量4种工况下测量翼桥端部振动响应。结果显示：在压载和满载工况下，在翼桥左右舷（翼桥斜撑顶部箱体内）各增加7t质量后，共振转速由66r/min降低到57r/min，各转速（包含共振转速）下翼桥端部振动响应，尤其是纵向振动响应大幅下降。图11和图12为压载工况下翼桥端部纵向振动响应/转速。图12中由于57r/min附近测量转速为2r/min/每档，档位太大，峰值没有完全测出，加上此转速激振力下降，因此57r/min处峰值不明显。

图11 压载工况下翼桥端部振动响应/转速（翼桥上增加7t质量前）

图12 压载工况下翼桥端部振动响应/转速（翼桥上增加7t质量后）

5 结 语

通过全船振动模态分析和频域响应分析，发现翼桥外端处纵向振动响应较大；在综合考虑其激振力频率及大小、船体振动预报结果以及船舶建造所处阶段等诸多因素后，提出翼桥端部附加质量从而避开共振区域、降低翼桥振动响应的方案，并再次进行模态分析等理论计算来验证此方案的可行性，同时利用FEM对翼桥及其支撑结构进行了强度校核。为了验证理论计算的准确性，通过实船撞击试验来测量翼桥固有频率，并对比、修正理论计算结果，从而确定附加质量方案；试航实测证明此减振方案效果显著，船东较满意。

[1] 中国船级社. 船上振动控制指南2000[S]. 2000.

[2] 胡永利，林 一，谭 美. 半潜式平台遭遇碰撞的结构响应分析[J]. 船舶与海洋工程，2012, (1): 46-53.

[3] ISO 6954 (1984). Mechanical vibration and shock - Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships[S].

[4] ISO 6954 (2000). Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships[S].