2 750 TEU集装箱船局部振动评估

刘在良

(扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

2 750 TEU集装箱船局部振动评估

刘在良

(扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

针对2 750 TEU集装箱船，在船体总振动评估的基础上，采用经验公式及有限元法，对液舱及上层建筑的局部振动进行详细评估，并根据不同区域的计算结果采取相应的改进措施。

集装箱船 局部振动 评估

1 引言

2 750 TEU集装箱船属于非常规集装箱船，其船体结构型式与其他同级别的集装箱船体结构型式有如下较大不同点：甲板室外形为变截面；内部舱壁上下连续性较差；边舱宽度相当小；边舱内纵向抗扭箱高度与型深差距很大；机舱内所有油柜有双壳保护，以致机舱布置紧张；靠近螺旋桨区域布置了部分液舱等。以上这些特点导致其横向刚度偏弱，横向变形偏大，抗扭刚度偏弱。由于船体振动响应的最大值一般位于上层建筑或甲板室顶部[1]，因此，有必要在船体总振动评估的基础上，采用经验公式及有限元法，对关键部位如液舱以及上层建筑的板格、加强筋及板架进行较准确的振动特性预报[2]。

2 主要激振频率及附加质量的选取

本船的主要设计参数如表1所示。该船采用了五叶螺旋桨，主机为七缸机，额定转速为108 r/min。

表1 2 750 TEU集装箱船主要设计参数

2.1 主要激振频率

2.1.1 螺旋桨激励

主要通过空泡试验或GL软件计算。为安全起见，可均取较大值。该集装箱船采用5叶桨，最大转速(MCR)为108 r/min，因此，其叶频激振频率为9.0 Hz，倍叶频激振频率为18.0 Hz。

2.1.2 主机激励

该集装箱船采用MAN B&W 2冲程的7L70MC-C MK VIII主机。根据GL船级社的要求[3]，除了要考虑主机1阶和2阶不平衡力矩，还要考虑3阶、4阶、7阶等由气缸内压交变力引起的激振力矩。激励频率如表2所示。

2.1.3 激振频率衡准的确定

螺旋桨的振动影响范围与桨直径D及直径倍数2D、3D为半径形成的球形区域有关。图1所示为2 750 TEU集装箱船艉部激振力影响范围示意图。

表2 主机激振频率

图1 艉部局部振动示意图

由图1可知，激振力最高的1倍桨距内，船上有一些液舱，而大部分液舱分布在2D～3D及3D以外。对于3D以外范围的液舱，更多受主机激振力影响。而上层建筑都在3D以外的范围。

局部振动评估结构应尽量偏于安全，因此当液舱同时落在两个等级时，校核衡准应选取偏于危险的一个。比如图1所示的第二燃油沉淀柜，同时属于1D～2D和2D～3D两个范围内，此舱的激振频率设计衡准应满足1D～2D。

另外，在图1中FR56肋位以前的部分，桨和主机的激振影响都较小，结构本身的频率很容易满足要求，故在本文的局部振动校核中不作考虑。

2.2 附加质量的选取

船体的振动阻尼很难确定，尤其在设计阶段，舱室内的设备、舾装、管线等结构设备都不能确切给出。对于上层建筑甲板，只能用经验公式估算，尽量使其偏于保守。对于液舱，则假定液体装载100%，并根据经验公式估算选取，同时还应根据装载液体的密度、装载率、单面还是双面接触液体来进行估算。2 750 TEU集装箱船局部振动所用的阻尼如表3所示。

表3 附加质量属性

3 液舱局部振动计算

液舱距离桨叶近，液舱围壁因共振产生的裂缝发生概率较高，且船体艉部连接船员主要活动区的甲板室，液舱产生的破坏将直接影响上层建筑。

3.1 液舱局部振动的计算方法

艉部液舱数目众多，所装载的液体种类多，所满足的激振频率衡准也有较大差别。但对单独一个液舱来讲，由六个面组成，即舱底、舱顶、前壁、后壁、内壁和外壁。为保证计算的全面性，应对每个舱都给出一个结果，结果中包含该舱用途、六个面的定位以及需满足的频率衡准。另外还应有每个面上最危险的板格、加强筋描述等。如几个液舱在纵向或横向相连，两个舱之间有一个公用舱壁，则可将这些舱的结果放在一组，便于查看。如本文液舱计算共分了六组，每组4～8个舱不等。

因该方法计算时要求为标准矩形，而艉部液舱线形变化大，非矩形板格很多，为了计算的快速和安全，将较长的一边作为板格计算长度，按照矩形板格计算。液舱加强筋两端均有肘板，肘板的大小影响取局部振动计算的边界条件。若刚度系数取0～1，0为自由支持，1为刚性固定，则刚度系数的取值如图2所示。

图2 刚度系数的选取和骨材连接形式的关系

3.2 结构型式改进措施

当板格的频率不满足要求时，可在板格的适当位置加防屈曲加强筋。屈曲加强筋的尺寸不大，对船体重量贡献很小，却能有效分割板格，将原来的大板格分成2～3个小板格。

当加强筋的振动频率不满足要求时，有两种有效的改进方法：①加大肘板尺寸，从而增加边界刚性，提高振动频率；②对于和设计频率相差较远的骨材，考虑更换剖面模数更大的型材。

另外，也可以通过加大肘板尺寸，提高刚度系数，达到提高振动频率的目的。

4 上层建筑局部振动计算

上层建筑是船员的主要活动区，其振动问题直接关系到船舶的舒适性。2 750 TEU集装箱船的上层建筑主要集中布置在艉部，该区域受主机和螺旋桨两大船体主要振源的影响，其振动尤其值得关注。上层建筑的激振频率衡准基本在3倍桨距以外，但是附加质量的选取比较复杂，因此本文的计算选择较大的附加质量，以增加安全性。

4.1 分类计算方法

对上层建筑来说，板格和加强筋的振动容易达到要求。人居住在上层建筑里，能直接感觉到板架的振动。可通过甲板分类对板架进行计算，取每层甲板最危险的区域进行校核，板架局部振动计算的范围以舱壁或支柱划分。

4.2 估算的局限性

2 750 TEU集装箱船局部振动计算包括整个甲板室结构以及机舱、艉部的板格、筋、板架。板架局部振动计算的范围以舱壁或支柱划分。对于形状特殊的板架，由于不满足解析法要求的假定条件，且交叉梁系较为复杂，只能建立局部有限元模型来分析其振动特性。

图3和图4分别为甲板板架和舷侧板架的局部有限元模型及其计算结果，用梁单元模拟板架，用质量单元模拟附加质量，边界在舱壁和支柱位置为刚性固定，其他边界为自由支持。其中，对于罗经甲板板架，除结构自重以外，还须考虑附加质量的影响；对于舷侧板架，还须考虑附连水质量的影响。

4.3 结构改进措施

当上层建筑的频率不满足要求时，我们采用了以下几种方法来改善其振动性能：① 增加支柱，通过减小板架范围达到增加振动频率的目的；② 适当布置主要构件(强梁、纵桁)，缩小重要构件间距；③ 在重量允许的情况下，适当增加板厚。上层建筑的加强筋和液舱内加强筋不同，上层建筑里的骨材边界较软，肘板和骨材振形相同，加大肘板尺寸并不能改善边界条件，改进加强筋的振动只能从增加骨材剖面模数和减少骨材跨距入手。

5 结论

针对2 750 TEU集装箱船较为独特的结构型式，本文通过有限元和经验公式法对该船的船体艉部液舱和上层建筑的局部振动进行分析，针对不同区域未满足要求的结构采取相应的改进措施。

本文的计算涵盖了艉部所有液舱和上层建筑的

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全部甲板，从而充分保证了该集装箱船的舒适性和良好的振动性能。同时希望本文采用的计算方法和加强措施可供其他船舶设计参考借鉴。

图3 2 750 TEU集装箱船罗经甲板板架局部振动计算

图4 2 750 TEU集装箱船舷侧板架局部振动计算

[1] 顾永宁，鲍莹斌.船体振动响应预报[J].船舶工程,1998，5：8-10.

[2] MARIC. Local Vibration Analysis of 2 750 TEU Container Vessel[M]. 2006.

Local Vibration Research on 2 750 TEU Container Ship

LIU Zai-liang

(Yangfan Group Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316100, China)

Based on global vibration evaluation of 2 750 TEU container ship,the empirical formula and finite element method were used to evaluate the local vibration of liquid tank and superstructure detailedly,and the corresponding improvement measures were carried out according the result of different region.

Container ship Local vibration Evaluation

刘在良(1976-)，男，高级工程师。

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