大型油船阶梯式尾部型式振动特性研究

刘晓之，夏利娟，吴嘉蒙

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

大型油船阶梯式尾部型式振动特性研究

刘晓之，夏利娟，吴嘉蒙

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

针对阶梯式尾部设计的318 000 DWT大型油船振动问题，建立全船结构三维粗网格有限元模型，讨论粗网格模型对船舶刚度的影响，并分析其在船舶振动分析过程中的适用性和可行性。基于船体动力特性分析研究了阶梯式尾部设计方案对全船以及上层建筑振动特性的影响。相关研究结论对今后的船舶尾部结构优化设计具有指导性意义。

大型油船；阶梯式尾部结构；粗网格模型；振动特性

0 引 言

近年来，大型油船通常将上层建筑布置在船尾,靠近螺旋桨和主机这2个主要激励源，振动问题较突出。另一方面，在船舶结构轻量化设计研究的基础上，国外已经提出将船舶尾部设计成阶梯式布置型式的方案，而国内关于这方面的研究较少。

采用阶梯式布置的尾部结构，将尾部区域的主甲板下移，能够有效地节约空间，降低空船重量。然而，这种新型的尾部结构型式使船体尾部刚度发生变化，使原本振动问题本来就较为突出的尾部区域的固有特性发生了改变，影响尾部和上层建筑的振动。在螺旋桨激励[1-4]和主机激励[5-6]下，可能使船尾发生剧烈振动而处于危险的状态。因此，基于阶梯式尾部设计的大型油船的相关振动问题研究具有非常重要的实际工程意义。

1 VLCC阶梯式尾部方案

本文以1艘318 000 t的VLCC船作为研究对象进行船体振动评估，其主要参数如表1所示。

表1 318 000 DWT VLCC主要参数Tab.1 Main parameter of 318 000 DWT VLCC

阶梯式布置的尾部结构有以下2种方案：

方案1 将船尾至尾尖舱之间的主甲板下沉3.83 m，降低了舷侧外板的高度，减小了尾部主甲板与舵机舱平台之间的空间，此方案能够节省约141.8 t钢料。

方案2 将船尾至机舱棚前端壁之间的主甲板下沉3.83 m,降低了船尾至机舱棚前端壁的舷侧外板高度，更多地减小了尾部主甲板与舵机舱平台之间的空间，此方案能够节省约224.9 t钢料。

各方案示意图如图1所示。

图1 VLCC各设计方案示意图Fig.1 Different design proposal of VLCC

2 全船三维粗网格有限元模型

全船模型最全面考虑了主船体对上层建筑整体振动的影响，且能反映整船的剪切刚度、弯曲刚度和扭转刚度。采用纵骨间距网格大小的全船三维有限元模型的计算精度最高，但计算工作量较大，而且局部模态多，难以获得3阶以上的船体总振动固有频率，而采用粗网格模型进行振动分析，可以有效节省计算成本，同时也能准确模拟全船的振动特性。对于振动较为严重的区域，如上层建筑以及主机基座所在的双层底区域，采用局部细化的处理方法，以纵骨间距作为网格尺寸进行建模。本文建立的全船结构三维有限元模型如图2所示。

图2 全船结构三维有限元模型Fig.2 3D FE model of the whole ship

空船重量按照以下程序调整：

上层建筑甲板的附加质量以非结构质量加在模型的壳单元上，以模拟舾装件的质量，附加质量的大小为80 kg/m2，调整每层围壁结构的材料密度使得有限元模型中上层建筑总质量与实际质量一致。

大型设备(如舵，桨等)采用质量点连接到相应接点上。

将主船体分为若干部分，调节各部分材料密度，使得其总质量与实际质量一致。

货油、燃油和压载水通过质量点施加到相应舱室边界节点上。

采用强框间距划分有限元网格，会导致骨材数目的减少，因此在每个强框上建立骨材，将强框间的骨材合并为1根，保证质量一致。

2.1 粗网格模型对局部板架刚度影响

在318 000 DWT大型油船的中间货舱处取一强框之间的内底板板架为研究对象，讨论粗网格模型对局部板架刚度的影响。粗网格模型保持板厚不变，将板架上骨材平分到粗网格上，在板架四周施加简支约束。可以采用比较静刚度的方法分析骨材调整前后的板架刚度变化。在2种模型的板架都施加相同压强，用有限元方法分析得到相应节点的位移，通过力与位移的关系得到节点的刚度。通过计算得到的静刚度如表2所示。

表2 粗网格模型和细网格模型静刚度比较Tab.2 Comparison of static stiffness in coarser model and fine mesh model

从计算结果可看出，粗网格模型的静刚度低于细网格模型的静刚度。采用粗网格模型模拟船体结构，对局部结构的刚度影响较大。

2.2 粗网格模型对整船刚度的影响

为了讨论粗网格模型对整船刚度的影响，参照该油船主尺度以及中间货舱装载工况，设计粗网格模型和对应的细网格模型，如图3所示。计算得到的整体固有频率比较如表3所示。

图3 粗网格模型和细网格模型Fig.3 Coarse mesh model and fine mesh model

表3 粗细网格模型固有频率比较Tab.3 Comparison of natural frequency in coarse and fine mesh model(loading)

从计算结果可看出，粗网格模型计算的前2阶垂向、水平和扭转固有模态误差都比较小，小于7%，能够满足工程精度的要求。因此，采用粗网格模型可以较好地模拟实船的整体振动特性。与细网格模型相比，粗网格模型的垂向和水平振动的前2阶固有频率较低，而扭转振动固有频率有所增大，说明粗网格模型的骨材合并处理在一定程度上使得扭转刚度增大，而弯曲刚度变小。

3 整船振动模态分析

采用全船结构三维有限元粗网格模型来模拟实船，在考虑了刚度和质量调整后，还需计及舷外水的影响。本文利用目前国际通用的MSC/NASTRAN，用虚拟质量法[7]模拟附连水质量。在满载出港工况下，3种设计方案的前3阶垂向、水平和扭转振动的固有频率如图4所示。

图4 各设计方案前3阶固有频率计算结果Fig.4 Natural frequency of first 3-order vibration

从计算结果可看出，阶梯式尾部结构设计对于全船总振动的影响很小。从频率储备的角度看，3种设计方案都能够满足频率错开设计的要求。

4 上层建筑强迫振动分析

4.1 船舶主要激励和阻尼

船舶在航行过程中受到复杂多样的激励影响，在强迫振动分析中，主要考虑螺旋桨引起的叶频干扰力和主机不平衡惯性力的影响。本文以主机CSR转速为考核点，由于有限元模型误差以及重量分布的不确定性，当船体结构固有频率落在螺旋桨和主机名义激振频率±10%范围内时，均有可能发生共振。

采用Holden方法[8]计算螺旋桨叶频脉动压力，将计算所得的脉动压力通过PCL程序将压力场施加于船体尾封板向首部延伸3倍螺旋桨直径的湿表面处。主机激励考虑主机7阶H型倾覆力矩。其中，螺旋桨激振力与转速的关系为：

(1)

主机激振力与转速的关系为：

(2)

本文采用ABS推荐的模态阻尼值1.5%[9]。

4.2 振动响应计算点

船体振动响应以典型评估点的速度频响曲线给出，在主甲板和上层建筑等位置选取若干点，作为振动响应计算点。本文所选取响应计算点为：主甲板纵中剖面尾端处，主甲板和上层建筑各层甲板与纵中剖面及上建前端壁的交点处，翼桥端部以及烟囱顶板等。

4.3 上层建筑在螺旋桨叶频激励下的响应

在螺旋桨叶频激励下，计算出船体尾部及上层建筑的振动响应值，螺旋桨的叶频激励频率为4.2 Hz，校核频率范围为激励频率上下10%以内，即3.7～4.7 Hz，由于螺旋桨激励频率低于5 Hz，以加速度响应值作为振动衡准的参考。不同设计方案在螺旋桨叶频激励下的加速度响应幅值比较如图5所示。

图5 螺旋桨叶频激励下的加速度响应峰值Fig.5 Acceleration response under blade frequency exciting force of propeller

所有设计方案的加速度响应峰值都在285 mm/s2以下，满足振动衡准要求，并且大部分响应计算点的加速度响应峰值在126 mm/s2以下，振动特性良好，只有设计方案1和设计方案2的尾封板处以及设计方案2的烟囱顶部响应较大，但仍处于可以接受的范围内。说明在螺旋桨叶频激励下，尾部阶梯式设计方案都能满足振动衡准要求。另一方面，从主甲板依次往上至罗经甲板，振动响应越来越大，说明随着上层建筑的高度增加，振动也会越来越剧烈。

设计方案1的上层建筑振动较原方案有所增大，尤其是尾封板附近振动响应增大许多，这是因为阶梯式方案的设计直接改变了尾封板处的结构型式。烟囱处的响应值变小，并不表示阶梯式方案1的烟囱振动特性变得更好，而是阶梯式结构改变了烟囱根部的结构型式，改变了烟囱的固有频率，烟囱最大振动响应不在螺旋桨叶频附近。设计方案2的加速度响应峰值较原方案更大，尤其是尾封板烟囱顶部。

总的来说，3种方案都能满足振动衡准要求，所以阶梯式设计方案在大型油船设计中可行。

4.4 上层建筑在主机7阶H型激励下的响应

将主机7阶H型倾覆力矩平均施加在主机有限元模型相应节点上[10]，分析的频率变化范围为6.6～8.2 Hz，大于5 Hz，采用速度响应值作为振动衡准的参考响应值。计算得到船体在7阶H型倾覆力矩作用下的3个设计方案速度频响曲线如图6所示。

图6 主机7阶H型激励下的速度响应峰值Fig.6 Velocity response peak under 7th H type exciting force of main engine

3个设计方案大部分计算点的速度响应峰值都在9 mm/s以下，满足振动衡准要求，只有设计方案一翼桥端部速度响应略微超过9 mm/s。在主机7阶H型激励下，尾部阶梯式设计方案基本都能满足振动衡准要求。

设计方案1大部分计算点速度响应峰值比原设计方案大，设计方案2则更大。说明在主机7阶H型激励下，2种阶梯式尾部的振动变化趋势与在螺旋桨叶频激励下基本一致。但是在尾封板附近，设计方案1和设计方案2的速度响应峰值更小，也就是说阶梯式尾部的方案改善了尾封板在主机7阶H型激励下的振动特性。而在翼桥端部，2种阶梯式尾部的方案速度响应峰值都接近振动衡准的上限值，需要对翼桥进行结构改进。

5 结 语

粗网格模型对局部结构刚度影响较大，但对整船总振动刚度影响较小，同时能够大大减少局部模态，易于获得结构的高阶模态。建议采用粗网格模型模拟实船进行整船振动评估，仅需对振动问题较为突出的局部区域如上层建筑，进行网格细化。

对大型油船的原设计方案和两个阶梯式尾部结构设计方案分别进行船体总振动模态分析和动力响应分析，计算结果表明阶梯式尾部结构设计方案对船舶总振动的影响很小，在螺旋桨激励和主机激励下，阶梯式尾部设计的大型油船上层建筑响应亦能够满足振动衡准的要求，证实了阶梯式尾部设计的合理性和可行性。值得注意的是，阶梯式尾部结构设计方案在艉封板，翼桥端部和烟囱顶部等局部区域，其振动响应较原方案有所增大，建议针对局部结构进行适当改进。

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[9]ABS.Guidancenotesonshipvibration[S].

[10] 金咸定,夏利娟.船体振动学[M].上海：上海交通大学出版社,2011.

Strength analysis and experimental investigation of wearing parts in ship structure

LIU Xiao-zhi, XIA Li-juan, WU Jia-meng

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

For the vibration problem of a 318 000 DWT stepped stern VLCC, whole ship coarse mesh model was established to determine the feasibility of the coarse mesh in ship structure vibration analysis.The influence of stepped stern design for the whole ship and the superstructure has been discussed through dynamic analysis.Some meaning results may do some help to the optimization design of ship stern structure.

VLCC; stepped stern; coarse mesh model; vibration characteristics

2015-01-16；

2015-03-11

刘晓之(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为船体结构强度和动力学。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0026-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.006