基于测试和动力特性推算的减振评估方法

李凯，赵德有，黎胜，刘松，邢金有

（1中国舰船研究设计中心，武汉430064；2大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024）

基于测试和动力特性推算的减振评估方法

李凯1，赵德有2，黎胜2，刘松2，邢金有2

（1中国舰船研究设计中心，武汉430064；2大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024）

文章提出了基于振动测试和动力特性推算的振动评估方法，探讨了船舶振动治理中无法进行强迫振动响应计算时所可采用的有效措施。针对典型有害局部振动问题，通过振动测试和三维有限元计算，找出主要的激励源，进而提出了合理的减振措施；基于文中提出的响应推算方法对不满足频率储备要求的减振措施进行评估，响应预报结果满足振动衡准，使该船得以顺利交船。在减振措施及效果评估方面取得了有益的经验，并对今后的船舶减振设计提出了建议。

船舶振动；柴油发电机平台；频率储备；动力特性推算；诊断；治理

0 引言

结构减振设计中的首要问题是避免共振，即使结构的固有振动频率计算值与激励力的频率值有一定频率储备值。结构设计中振动频率储备值的合理确定有很重要的意义。因此在国内外造船界，无论是民用，还是军用船舶的规范和设计计算准则都要对结构振动频率储备做出某些规定，要求在设计船舶时严格遵守[1-2]。

实践表明，有些船舶采用了高转速、大功率动力设备，所引起的激励力的频率很高，并且设备的重量非常大，因此在结构设计中，使结构固有振动频率值完全满足频率储备值有困难。

针对不满足频率储备的结构振动问题，通常的方法是进行振动响应来评估。但这是在激励力、阻尼参数以及边界条件明确的基础上才能实现。而目前很少有文献对于不满足频率储备要求，且无从进行强迫振动响应预报的振动问题进行较细致的分析和处理。

本文提出了基于振动测试和动力特性推算的振动评估方法，探讨了船舶振动治理无法进行强迫振动响应计算时所采用的一些有效措施，并通过一例局部有害振动诊断和治理来说明具体减振措施和效果。

1 振源诊断与振因分析

船舶振动的诊断通常包括以下内容：激励源的调查、测试与分析；振动的范围和性质的分析；振动部位的模态分析。激励源的调查，包括对主机、螺旋桨以及辅机的情况与特点的分析，如主辅机型号、不平衡力（或力矩）的阶数和大小，以及螺旋桨的叶片数、转速以及尾部伴流场的情况。上述分析可为振动的频谱分析确定主要激励频率提供重要信息[2]。

振动测量可以对主要激励作用下振动的范围、大小和严重程度提供结论。而通过对测量信号的频谱分析、传函分析以及传函相干分析可以确定主要振源以及振源的主要频谱分量，为改善主要振源和采取必要措施提供依据。通过对振动结构的模态分析，可以判断结构是否发生区域性或者整体性的共振，为改善结构设计提供依据。

1.1 试航测试结果

某国外引进的VLCC改装船，在改装前进行试航时，机舱发电机平台振动噪声非常大，使得相关工作人员无法正常工作，船东方先前组织了实船航行状态下，主机转速为74.3 rpm的振动测试，平台最大振动响应值达到10.5 mm/s，不满足ISO6954-2000振动响应评价标准要求。

为了查明本船的振动原因，作者对改装船原有设计资料进行分析，主要激励源参数见表1，并对船体状态和振动进行了观察和测试[1]。测量使用的测量仪器为VA-10便携式测振仪，船舶停靠在锚地，主机和螺旋桨均关闭，故未进行船舶航行状态下的测量。本次测量了机舱二平台和柴油发电机基座纵向、垂向和水平方向的响应值并进行谱分析[3]，主要测点位置见图1。

图1 主要测点示意图Fig.1 The Locations of the measurement points

进行了四种运行工况的测量，分别为：

（1）3号柴油发电机组满负荷运行，1号和2号发电机关闭

图2 测点a垂向振动速度响应谱分析Fig.2 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point a

图3 测点d垂向振动速度响应谱分析Fig.3 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

（2）3号和1号柴油发电机组同时满负荷运行，2号发电机关闭

图4 测点b垂向振动速度响应谱分析Fig.4 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point b

图5 测点d垂向振动速度响应谱分析Fig.5 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

（3）3号、1号和2号柴油发电机组同时满负荷运行

（4）3号和2号柴油发电机组同时满负荷运行，1号发电机关闭

图6 测点d垂向振动速度响应谱分析Fig.6 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

图7 测点c垂向振动速度响应谱分析Fig.7 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point c

将测试结果综述如下：

（a）在测试过程中，站在柴油发电机组平台上有明显的振感，并伴有较大的噪声；特别在测点b和测点d有较大的垂向振动响应。

（b）通过分析振动响应结果可知，柴油发电机组平台垂向振动速度响应最大综合值达8.95 mm/s，不满足ISO6954-2000振动响应评价标准要求[4-5]。由谱分析结果可以看出，在频率24 Hz处振动响应出现明显的峰值。

1.2 振动诊断

1.2.1 测试结果分析

该船柴油机型号：5L28/32，发火顺序为：1-2-4-5-3，转速：720 rpm，设备重量：35 000 kg，该机组刚性固定在船体基座上。根据柴油发电机组型号及发火顺序，可知该型号柴油机存在较大的二阶垂向不平衡力矩，频率为24 Hz，从各测点的谱分析（图2-7）频率成分可以看出，主要响应峰值频率为24 Hz。参考表1可知，响应峰值频率与柴油发电机二阶不平衡力矩频率比较吻合。

表1 主要激励源Tab.1 Main excitations

图8 柴油发电机组有限元模型Fig.8 Finite element model of the Diesel-generator and platform

1.2.2 柴油发电机平台振动固有

频率计算

为进一步验证激励源，采用三维有限元方法[6-9]计算了柴油发电机平台的固有频率为24.889 Hz（表2），柴油发电机组有限元模型如图8所示，振型如图9所示，可以初步确定柴油发电机的二阶垂向不平衡力矩激励频率与结构固有频率比较接近。结合之前实船航行测试结果以及表1可知，前后两次振动测试的结果基本一致，只是实船航行状态测试值稍大。螺旋桨和主机的激励力不会引起平台结构的共振，但会产生一定的振动响应贡献。因此判断引起平台振动和噪声的主要振源为柴油发电机的二阶不平衡力矩。

表2 柴油发电机平台结构振动固有频率计算结果[7]Tab.2 Calculation results of the platform

图9 柴油发电机平台垂向振动振型图，f=24.889 HzFig.9 Vibration mode of Diesel-generator platform,f=24.889 Hz

2 综合减振措施

由三维有限元计算结果（表2）可以看出，机舱第二平台结构不满足柴油发电机二阶激励频率的储备要求，引起平台结构的有害振动。该船柴油机存在较大的二阶不平衡力矩，最理想的减振措施便是增设减振器。但是由于辅机设备重量很大，增设减振器之后柴油机航行稳定性可能存在隐患以及施工难度、成本的考虑，船东没有同意采用减振器方案，因此只有采取局部结构修改措施，使结构固有频率与激励频率错开合理的距离，最终达到了减振目的。作者出于结构安全性的考虑，采用提高结构刚度的硬设计方法[7-8]。主要提出以下减振措施：

（1）柴油发电机平台增设强横梁，提高结构刚度

在1号和2号柴油发电机组两端点所在肋位，右舷L8到L17之间增加两道强横梁⊥900×12+200×20。在3号柴油发电机组两端点所在肋位，右舷L12到L17之间增加两道强横梁⊥900×12+200×20。

（2）柴油发电机组平台下加工字钢支柱

由于三台辅机运转工况下湿重达120吨，仅通过增加平台下强横梁、纵桁来提高固有频率并不明显，因此，作者建议机舱柴油发电机组平台下加若干工字钢支柱，支柱需要生根坐在舱底大肋板上，以尽可能提高结构固有频率。

（3）增设箱梁结构

采用增设箱梁结构的方法,进一步提高甲板结构固有频率。箱梁由两道相邻强横梁或者纵桁通过面板焊接而成；在柱子顶端与箱梁结构连接部位增加肘板以提高支撑刚度。箱梁示意图见图10。

图10 柴油发电机组平台箱梁示意图Fig.10 Structural model of Diesel-generator platform after reinforcement

3 减振效果评估

3.1 柴油发电机平台振动固有频率（结构修改后）

上述提出的三项减振方案，重新进行三维有限元建模[9]仿真预报，可使平台的固有频率提高到27.81 Hz，对柴油发电机二阶激励的频率储备系数达到1.16。修改后计算结果见表3。

表3 修改后的柴油发电机平台振动固有频率计算结果[7]Tab.3 The calculation results of the Diesel-generator platform(after reinforcement)

根据柴油发电机平台的设备质量和结构刚度的实际情况，通过结构修改措施已经达到了最大的频率储备值，但是仍然不满足频率储备要求。由于缺乏实船准确的激振力参数（动力设备和螺旋桨等激励源）以及真实边界条件，本文无法进行强迫振动响应有限元计算。因此，如何预知结构修改之后的减振效果成为一个棘手的问题。

3.2 基于测试数据和幅频响应特性的减振效果评估

面临上述难题，本文作者另辟蹊径，将激振力参数、阻尼比和边界条件作为恒定的参数输入灰箱，结合实船振动测试数据以及系统的幅频响应特性对减振效果进行评估。

图11 线性响应系统Fig.11 A linear transform system

图11中，F（t）表示输入函数，指包含螺旋桨以及动力设备的激励；X（t）表示输出，指船体结构的动力响应；H（ω）表示船体结构的频率响应函数。

则上述基本关系可简化为：

引入频率比γ=ω/ωn，系统刚度K，频响函数H（ω）可化作：

图12 动力系统幅频特性曲线Fig.12 Curves of Amplitude-Frequency Characteristic

结合平台板架的结构型式，根据文献[1]，给定平台板架的阻尼比为ζ=0.03。

则未采取减振措施前，γ=ω/ωn=0.964，计算得系统的动力放大系数α=10.947，根据实船测试结果，此时平台最大振动速度响应为X=10.5 mm/s，联立方程（1）和（2）式可得：

采取结构修改措施后，同样可以计算得到γ=ω/ωn=0.863，计算得系统的动力放大系数α=3.82，联立方程（1）、（2）式和（3）式可得结构修改之后的振动速度响应为X=3.67 mm/s，由于结构修改为硬设计，系统刚度K会变更大，所以实际的振动响应会小于推算值X=3.67 mm/s。

通过对第二平台结构进行修改，提高了平台结构的固有频率，使频率储备达到了15%以上。经过动力放大系数和阻尼推算，计算可得平台响应的最大值为3.67 mm/s，基本上满足ISO6954-2000振动衡准的要求。

减振措施施工完毕后，经过再次试航测试已满足振动要求，使该船得以顺利交付船东。从而验证了本文提出的方法是可靠适用的。在实际工程应用中，阻尼系数的大小需要进行大量的试验研究和积累数据，才能保证结果的准确性。

4 结论与建议

综合本文的内容可得出以下两点结论与建议：

（1）提出了基于振动测试和动力特性推算的振动评估方法，突破了现行以频率储备控制为主的规范要求，对于无法满足频率储备要求以及无法进行强迫振动响应计算的振动问题，通过本文方法可以有效推算减振措施的效果。

（2）结合船舶有害振动诊断治理的工程实例，根据振动测试和计算结果，判别振因，进而从结构上采取有效的综合减振措施，经过再次试航测试，满足振动标准要求，使该船得以顺利交付船东。文中所提出的一些振动治理方法可以根据具体情况运用到类似的船舶振动问题中。

[1]金咸定,赵德有.船体振动学[M].上海:上海交通大学出版社,2000.

[2]赵德有,金维成,等.渔船振动预报方法[M].大连:大连工学院出版社,1988.

[3]李德葆,陆秋海.工程振动试验分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]Liu Song,Li Kai,Xing Jinyou,Zhao Deyou.Vibration measurement report for the 2ND platform of the crude oil tanker [R].Department of Naval Architecture,Dalian University of Technology,2008.

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[6]李凯,刘松,李东鹏,殷玉梅,赵德有.30,000吨大湖型散货船有害振动的诊断及治理[J].船舶工程,2009,4:33-38. Li kai,Liu Song,Li Dongpeng,Yin Yumei,Zhao Deyou.Diagnosis and treatment for harmful vibration of 30 000 t great lake bulk carrier[J].Ship Engineering,2009,4:33-38.

[7]Li Kai,Liu Song,Xing Jinyou,Zhao Deyou.Vibration analysis report for the 2ND platform of the crude oil tanker[R].Department of Naval Architecture,Dalian University of Technology,2008.

[8]郭列,吴士冲.舰船结构局部振动计算模型研究[J].船舶工程,2000,2:21-29. Guo Lie,Wu Shichong.Research of local vibration calculation model for naval ship structure[J].Ship Engineering,2000, 2:21-29.

[9]ANSYS v10.0,Theory Manual,ANSYS Inc[CP].

Diagnosis and treatments for harmful vibration based on the measurement and dynamic computation

LI Kai1,ZHAO De-you2,LI Sheng2,LIU Song2,XING Jin-you2
(1 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China;2 School of Naval Architecture, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

The diagnosis and comprehensive approach taken in reducing harmful vibration that not satisfy the frequency reservation are presented.The main excitation source can be identified through vibration testing and finite element analysis.Some effective and optimal treatments are proposed,such as reinforcing the platform with the pillar and box-girder,etc.In case that the reinforced structure does not satisfy the frequency reservation and the excitation force,damping rate and the boundary condition are unknown,it presents an evaluation method of vibration level based on the measured data and calculation of Amplitude-Frequency Characteristics,and computation results after modifications show remarkable improvements of vibration,finally,the ship was delivered to owner successfully.Also it gains beneficial experiences and suggestions for future vibration reduction design of ship.

ship vibration;diesel generator platform;frequency reservation;dynamic computation; diagnosis;treatments

U661.44

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.04.014

1007-7294（2015）04-0455-07

2014-06-08

国家自然科学基金资助（10972046）

李凯（1983－），男，博士，工程师，E-mail:kaili109@sina.con；黎胜（1973-），男，教授，博士生导师。