大开口多用途船振动特点研究

李中扬，张 弛

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

大开口多用途船振动特点研究

李中扬，张 弛

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

中小型大开口多用途船用途广泛、方便灵活，可以满足装载各种货物及重大件的需求。为了达到绿色节能减排的要求，越来越多的中小型多用途船采用缸数更少的主机，而这种类型主机的相对较大的激振力更容易使主尺度较小的多用途船产生过大的振动响应。此类船舶多为欧洲船东，对舒适性有着更为苛刻的要求。为研究此类船舶的振动问题，采用有限元方法，对12500dw t多用途船的振动作了以下研究：① 对船体梁、上层建筑和各层甲板进行固有模态分析；② 对引起船体振动的激振力进行合理评估及取舍，在此基础上对此船进行频率响应分析，并根据ISO 6954—2000振动标准对其强迫振动进行评估；③ 对于计算过程中发现的问题作进一步探讨，提出一系列的改进措施，并逐一验算比较。

大开口；多用途船；整船振动；模态分析；频率响应分析

0　引 言

12500dw t系列多用途重吊船是上海船舶研究设计院自主开发和设计的优质船型，方便灵活，用途广泛，赢得了船东的好评。此种船舶主机选型一般功率相对较大，并且为了达到节能的目的，采用能耗更低的5缸柴油机并降功率运行，会导致主机激振力较大。因此，在详细设计阶段，对此种船舶进行全船振动分析评估是非常必要的。

该船大开口的第二货舱，重吊、多种货物装载是其最显著的特点。由于其开口较大，扭转刚度相对较低，很可能与船体梁水平振动固有频率接近，产生水平与扭转混合的模态，因此主船体货舱段用梁单元的混合模型不够可靠［1］，需要全船建模分析。

1　船型主要参数

1.1船体

12500dw t多用途船的典型结构形式是双层底、双层壳、大开口货舱，其主要参数见表1。

表1　主尺度参数 单位：m

上层建筑高而前后短，且靠艉部布置，容易受到船体垂向总振动的影响。这是对振动评估非常不利的一个特点。

1.2激振力

螺旋桨诱导的对船体艉部外板的脉动压力是船体振动的主要激励源之一。该船为4叶单桨，最大转速94 r/min，轴频为1.567Hz，对应叶频为6.267Hz。根据船模实验结果，满载工况最大工作转速时，作用于螺旋桨上方船底板的叶频脉动压力合计为8494kN，压载工况为8055kN。倍叶频及高倍叶频激励力较小，可不考虑其影响。

该船配低速5缸柴油机，根据制造商资料，较大激励为2次不平衡力矩（778kN·m）和5阶H型倾覆力矩（778kN·m），其频率分别为3.13Hz和7.83Hz。

2　计算模型

2.1结构有限元模型

采用MSC.PATRAN软件建立多用途船整船有限元模型。其中，机舱前端壁往后区域网格大小采用纵骨间距×肋距，尽可能反映所有结构细节比如雷达桅等。货舱段及艏部的网格可采用较粗网格（见图1），以缩短建模和计算时间，但要保证局部构件的刚度，以大幅减少不必要的局部振动［2］。模型采用坐标系见图1。

2.2质量分布调整

船体质量分布是否正确对计算该船固有频率及振型非常重要，因此需要保证模型的质量分布与实船质量分布相吻合［3］。

空船质量包括结构、舾装和设备质量等。非结构舾装设备质量可按照对应部分的舾装质量扣除大质量舾装件后均布到模型中，而挂舵臂、舵、克令吊等大质量舾装件通过分布质量点模拟；主机通过建立简单的有限元模型模拟其质量与刚度。不同装载工况下的压载水质量也按照实际位置分布以质量点模拟。

附连水质量对于船舶振动的影响巨大，主要反映在参与船体振动等效质量的改变，从而大幅降低船体梁的固有频率。虚质量法通过施加一个附加质量矩阵，实现不可压缩流体对结构的作用。虽然虚质量法需要对浸水单元周围流场求解 Laplace方程［4］，对硬件要求较高，但前期卡片定义比较方便，随着计算机技术的发展，已成为一种主流算法。

图1　多用途船整船结构有限元模型

3　自由模态分析

3.1船体梁模态分析

常规船型的船体梁模态分析大多只考虑两种典型装载工况：满载出港和压载到港。其中，满载出港假设货物重量分布于内底上。

应用MSC.NASTRAN软件计算船体梁模态，可得其垂向前4阶的固有频率及对应振型（见表2）。

表2　满载及压载的垂向固有频率及振型 单位：Hz

水平方向振型与扭转振型相互影响，出现比较多的耦合振型，可通过与水平和扭转有关的强迫振动响应评估。

由分析结果可见，满载工况由于质量更大，固有频率偏低；而在较高阶模态，双层底出现非梁振动。激振力的固有频率与船体梁垂向固有频率有一定错开。

3.2局部模态分析

应用MSC.NASTRAN软件对局部板架进行局部模态分析，其最低阶固有频率结果＞14Hz，与激振力频率差距较大，可认为不会引起过大的局部振动。

雷达桅一阶振动为x方向，固有频率为f=4.55Hz；二阶为y向振动，固有频率为f=9.70Hz；如考虑弹性约束，固有频率可能更低，接近激振力频率（见图2、3）。

上层建筑纵向振动的固有频率见表3。

表3　满载及压载的上层建筑固有频率 单位：Hz

4　频率响应分析

4.1计算工况

常规船型计算振动大多只考虑两种典型装载工况：满载出港和压载到港，其他工况均可近似看作介于此两种工况之间。但该船装载工况多而复杂，几种满载工况的货物重心位置差距较大，对计算结果有较大的影响。故该船在计算频率响应的时候满载出港工况考虑 3种：1） 货舱内货物重心接近内底，对应装载10000 t钢卷筒的工况；2） 货舱内货物重心位于货舱形心，对应装载10000 t均质货；3） 甲板装货工况，舱内装7000 t，甲板上装3000 t。

4.2分析过程

对船体施加“1.2”节所提到的激振力，应用MSC.NASTRAN对全船进行频率响应分析。

船舶振动阻尼是一个复杂的因素，根据大量数据的积累，该船阻尼假设选取见表4，其余频率点处线性插值。

表4　结构阻尼

4.3测点选取

该船在计算模型中选取了 18个测点，分布于上层建筑、船体艉部、各生活处所和工作处所。本文只给出典型位置：雷达桅平台和船长室的结果，并进行分析、修改及验证。

上海市崇明区2016至2017年肺结核发病率从50岁开始出现高峰，早于2008至2009年(60岁)[7]，这可能与上海中老年人群重视体检并及时诊疗有关。2010年，全国第5次结核病流行病学抽样调查报告[8]发现，老年肺结核患者中近40%无症状，有症状者未就诊的比例也超过1/2。老年人群因年龄大、生理功能减退、抗病能力低下、爱集聚娱乐等原因，极易感染结核杆菌；老年肺结核发病率高也可能与其常患有糖尿病、心血管疾病及肺部其他疾病，导致机体抵抗力下降有关[9]。

4.4计算结果及分析

分别校核满载出港“1）”和压载到港工况下各计算点在主机最大持续转速（SMCR，94 r/m in）及服务转速（CSR，89 r/min）下的速度响应结果（见表5），并根据ISO6954—2000［5］标准对响应速度幅值进行全频率计权均方根值修正。

表5　SMCR和CSR下计权均方根值速度响应结果

各计算点处的速度响应值均满足 ISO 6954—2000中的评估限值要求，但某些转速的结果也接近极限值，尤其是上层建筑船长和船宽方向的振动。

为消除主机二阶不平衡力矩的影响，该船采用沪东重机生产的力矩平衡补偿器，最大输出力为127kN。经有限元计算，在输出力≈38kN时，可将主机二阶不平衡力矩对上层建筑产生的船长方向的速度响应减小到1mm/s以内（见图4、5）。

可见，由于二阶不平衡力矩主要激起船体梁的垂向振动，增加力矩平衡补偿器后抵消其影响，上层建筑x向的振动幅度明显降低，z向振幅也相应降低。

但是，由于主机5阶H型倾覆力矩引起的上层建筑y向振动响应依然较大。经过与机舱内测点的比较，发现机舱内主发电机平台测点的振动很小；观察其最大振动响应对应频率下的振型，发现此振动为船体梁的扭转振动带动的上层建筑左右晃动。振型见图6。

为减小上层建筑y向振动，采取一系列改进措施及计算结果见表6，其中，响应结果为主机H型倾覆力矩引起的未修正结果。

图4　船长房间压载工况下不带补偿器的频率响应结果

图5　船长房间压载工况下带补偿器的频率响应结果

图6　主机H型倾覆力矩引起的上层建筑y向振型

表6　改进方案及计算结果

此外，对于满载工况“2）”和“3）”也进行了主机H型倾覆力矩为激振力的频率响应计算，其结果见表7。

表7　不同的满载工况下的结果

由此可见，不仅重量及其沿船长度方向的分布有影响，货物的重心高度影响也较大。因此主船体采用梁模拟的混合有限元模型不够可靠。对于均匀装载的船舶，重量分布相对均匀，混合模型结果尚可；但对于大型集装箱船及其他非常规船舶，货物对船体的作用混合模型无法体现。

5　结 语

以上海船舶研究设计院自主研发的12500dw t多用途船为例，对此种大开口船型作了多种工况下的模态分析及振动响应分析，并对相关问题进行了探讨。

1）由于此类船的特点（大主机降功率运行、大开口、高上层建筑和上层建筑艉置），建议此类船舶用全船有限元模型进行模态分析及频率响应分析都是必要的；

2）在基本设计已经决定的情况下，型线、横剖面和总布置等都难以做大的调整，这时如果出现振动问题，仅仅对艉部的局部结构进行调整效果并不显著，因此，前期预报的经验相当重要。对于设计人员来说，母型船振动数据资料的积累是很必要的；

3）船体及货物重量的大小和分布对于船舶振动是很重要的参数，本文货物加载方式模拟的精度不够，尤其是货物以及舱盖在水平振动时其回复力的作用机制，以及对船体水平振动的影响，值得继续探索。

［1］ 金咸定，夏利娟. 船舶振动学［M］. 上海：上海交通大学出版社，2011.

［2］ 杨 光，林 一，刘亚冲，等. 大型集装箱船上层建筑整体振动的分析方法［J］. 船舶与海洋工程，2014 （3）： 16-20.

［3］ 王辉辉，王秀兰，江克进. 大型液化气船振动计算分析［J］. 船舶与海洋工程，2014 （4）： 1-7.

［4］ 刘晓明，张 悦，高志龙. 集装箱船振动与响应分析［J］. 中国造船，2004 （4）： 23-27.

［5］ ISO 6954—2000， Guidelines for the measurement， reporting and evaluation of vibration w ith regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.

Study on Vibration Characteristics of Large Opening M ulti-purpose Vessel

LI Zhong-yang， ZHANG Chi

（Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute， Shanghai 201203）

Being convenient， flexible and w idely used， the m iddle and small sized large opening multi-purpose vessels are capable of shipping all kinds of goods and large cargoes. In order to meet the requirements of energy saving and emission reduction， more and more middle and small sized multi-purpose vessels are using main engines w ith less number of cylinders. However， this type of main engine has relatively larger excitation forces which can make the smaller dimensioned ships vulnerable to excessive vibration responses. Most ships of this type are owned by European ship owners， who have more stringent requirements on com fort. In order to study the vibration issue of these ships， the finite element method was used to perform vibration analysis of a 12500dw t multi-purpose vessel from the follow ing aspects：① inherent mode analysis on hull girder， superstructure and all the decks； ② rational evaluation and selection on the excitation force that induce hull vibration， and perform frequency response analysis for the ship on this basis， and make assessment on the forced vibration according to ISO 6954—2000 vibration standard； ③ further discuss the problems discovered during the calculation process， propose a series of improvement measures and check them one by one.

large opening； multi-purpose vessel； global hull vibration； mode analysis； frequency response analysis

U661.44

A

2095-4069 （2016） 02-0004-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.002

2015-03-16

李中扬，男，工程师，1983年生。2009年上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业研究生毕业，现从事船舶结构设计及计算分析工作。