39000dwt散货船总振动分析

雷 坤

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在船舶设计阶段，对船舶振动性能的预报以及对船体结构和设备的减振处理是一项重要工作。

引起船舶振动的激振源主要是主机的二阶不平衡力矩和螺旋桨引起的激振力。如果这些激振源的振动频率与船舶结构的自振频率接近，将产生共振现象，对船舶结构强度、正常运营和人员的舒适性带来严重的影响。因此，在设计阶段必须计算船舶总振动的固有频率和振型，选择合适的主机型号和螺旋桨叶数，避免共振，降低振动响应。

目前预测船体总振动主要分近似公式估算法和详细计算法。估算法主要有型船比较法、希列克公式、托德公式、日本造船设计便览推荐法和中国船舶行业标准法；详细计算主要有能量法、迁移矩阵法和有限元法。迁移矩阵法和有限元法是当前普遍采用的计算方法，相比有限元复杂的建模和大量的计算量，迁移矩阵法是一种相对有效而快速的船舶总振动预报方法。NAPA性能计算软件的发展和完善，使得设计人员在编制装载工况的同时就可以分析工况对应的总振动情况。利用NAPA软件的强大编程能力将船体三维建模、装载工况与总振动分析结合起来协同设计和分析。

1 迁移矩阵法

船体总振动的振动形式主要包括横向弯曲振动、纵向振动和扭转振动等，通常船舶的横向弯曲振动是船体主要的振动形式，因此主要研究船体的横向弯曲振动，由于船体可以在垂向和平行于水平面的两个平面内产生弯曲振动，因此一般又把横向弯曲振动分为垂向和水平弯曲振动。

迁移矩阵法是一种数值解法，应用于船舶的迁移矩阵法以铁木辛柯梁理论为基础，将船体看成一根中空的细长变截面梁，通常将船体梁等分为20份，每段假设等截面且质量均布，并建立微分方程[1]：

根据船舶两端是自由的约束条件，可以求解出船舶的振动频率和振型。对于某个工况，应用迁移矩阵法程序计算船舶的总振动需要输入以下数据[1]：船长、船宽、型深、艏吃水、艉吃水、各站实际水线半宽、各站实际吃水、各站实际水下半横剖面面积、船体各段的分布重量、船体各站的剖面惯性矩、各站的剪切面积和剖面高度。由于需要输入的数据量很大，通常选取几个典型的工况（满载和压载）进行计算[2～6]，NAPA软件高效的可编程技术为总振动分析提供了便利，进行所有工况的总振动分析花费时间少得多，甚至装载工况排完，即可马上获得该工况的总振动结果。

2 NAPA总振动分析工具箱

NAPA软件是芬兰NAPA公司开发的一款集船舶性能计算和结构设计于一体的集成软件，功能强大，运算高效准确，已被世界各主要船厂、设计公司和船级社所认可和应用。NAPA软件系统具有丰富的软件接口，可以和主流的有限元和水动力软件进行数据交互，具有强大的编程功能，可以允许高级用户在NAPA自身内核的基础上编制自己的程序和工具箱。

本文所述的工具箱充分利用了船舶NAPA模型数据，设计人员只需要输入剖面特性数据即可进行总振动分析，工具箱会根据设计人员指定的考查工况对全船质量进行分布，产生20段梁的质量模型数据，并根据输入的剖面特性数据，自动赋给每段船体梁，再自动提取工况的吃水数据计算每段船体梁的附加水质量，通过数值化的迁移矩阵算法计算出对应工况的前4阶垂向和水平弯曲振动频率和振型。图1为工具箱的参数输入界面。

设计人员需要输入船体梁结构特性参数，工具箱默认的模式是采用“梯形分布”法处理剖面特性参数，即船体舯部二分之一内等于船中横剖面质量数据，两端线性变化到中间数值的一半。 如果能够提供每段剖面特性数据，设计人员只需要选择按站输入惯性矩和剪切面积，然后按图2所示逐项填入数据即可。

图1 总振动工具箱界面

图2 按站输入界面

参数设置完毕后，需要挑选所要研究的装载工况。如使用当前常用的个人计算机，即使选择所有工况（约60个），计算时间也就10min左右。

3 39000dwt散货船振动分析结果

39000dwt大舱口散货船是公司根据当前“绿色造船”要求研发的一种具有低能耗、低碳排放量的新船型。为了获得最佳能效指数，该船在型线、总布置和主机选取方面都做了充分挖掘。

该船中横剖面的特性参数如下：

垂向惯性矩vE=97.3784m4；水平惯性矩hE=402.9514m4；垂向剪切面积vA=1.1526m2；水平剪切面积hA=1.4302m2。

该船选取的主机型号为：MAN S50ME-B9，二阶不平衡力矩742.7kN·m，对应转速183.4r/min；一阶不平衡力矩62.66kN·m，对应转速91.7r/min。

典型的振型图选取了满载出港的垂向三阶振型图，如图3所示。根据计算结果得到的船体固有振动频率与主机不平衡力矩转速图谱如图4和图5所示。

图3 满载工况三阶垂向振型

图4 垂向振动频率图谱

图5 水平振动频率图谱

由图4可发现，主机的二阶不平衡力矩对应的频率183.4r/min位于船体梁三阶四节点的垂向振动频率带中，主机处于振动节点位置附近，此时主机的激振力会导致较大振动影响，而设计所限主机布置不可能改变。所能采取的措施，或者更换主机型号，或者增加外力平衡补偿器，而该主机是在考虑了航速和能效指数等综合因素选取的，因此不宜更换主机型号，最后决定在舵机舱增加平衡补偿器来避免共振的产生。

4 结 语

利用有效的迁移矩阵法，在广泛使用的NAPA软件内核基础上，研发了适用于散货船的振动性能预报工具箱。工具箱具有简洁的输入界面和丰富的图形功能，运行效率高，可对船体总振动进行预报，用于船舶设计阶段可以有效预报如主机不平衡力矩与船体主频率共振的情况，便于及时做出应对措施。

[1] 马广宗，蔡承德，余铣辉. 船舶振动基础与实用计算[M]. 北京：人民交通出版社，1981.

[2] 林 哲，赵德有. 大型及超大型油船振动分析方法研究[J]. 大连理工大学学报，1997, 4 (3).

[3] 蔡承德，傅雅萍，王晖蓉. 3400t箱型货舱货船的振动分析[J]. 船检科技，1995 ,1 (2).

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[6] 孙 超, 王镐章. 30000t散货船上层建筑有害振动的分析及评估[J]. 船舶与海洋工程，2010 (4): 11-16.