某耙吸挖泥船上层建筑整体振动分析

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

某艉机型耙吸挖泥船，其推进方式为双机、双导管调距桨、全电力推进。机舱、推进电机舱、居住舱室、驾驶室设置在艉部，泵舱及其他机舱设置在艏部。对于艉机型船舶来说，上层建筑的位置接近船舶两个主要激励源——螺旋桨和主发电机，因而经常受到较大的激振力，直接影响船员的工作、生活，以及船上精密设备的运转。主柴油发电机激励频率为50 Hz，艉部螺旋桨激励频率为10 Hz。在设计规格书中，船东提出本船的振动和噪声应满足最新的CCS规范及船标的要求，尤其针对上层建筑生活区和工作区的舒适性要求更高。在方案设计阶段采用有限元法对上层建筑整体振动进行分析预报时发现：其固有频率未能与本船激励频率错开。在控制上层建筑总质量的前提下，为了能以最小增重获得最大固有频率提升来达到有效错开激励频率的目的，采用对诸多优化方案进行综合分析和比较的方式确定适合本船布置的最终方案。

1 计算模型

本船上层建筑整体振动计算采用三维有限元法，借助软件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN。以骨材间距为单元间距，壳体单元用来模拟甲板、外板及纵横舱壁等板结构，梁单元模拟强横梁、纵桁及加强筋等。上层建筑舾装及内装等质量以质量点形式施加于指定的位置。上层建筑整体振动固有频率应以全船有限元模型为基础[1-2]，对不同载况进行准确模拟而得到，但本船受限于设计周期等方面的原因采用了局部有限元模型。

模型范围包含了整个船体艉部分段的上层建筑，模型在机舱前端壁处按照简支处理[3]，准确模拟艉部分段装载，同时考虑附加水质量对上层建筑整体固有频率的影响。由于烟囱分段与上层建筑底部相连，考虑其对底部支撑刚度的影响，有限元模型中应包含整个烟囱分段。总体布置示意见图1，初始方案有限元模型见图2。

2 初始方案

在初始方案中，本船甲板室(不含烟囱分段)长度13.3 m，宽度16.4 m，高度15.7 m ，5层。甲板室底部位于艉部区域泥舱甲板之上，距离基线13.2 m。上层建筑各层甲板均采用横骨架式结构，其内部无连续纵壁，且前端壁未与主船体横舱壁对齐。上层建筑布置特点及与主体分段连接形式导致整体剪切刚度和甲板支撑刚度偏弱。

一般来说，上层建筑整体振动固有频率主要考虑避开螺旋桨叶频[4]，从表1计算结果来看，上层建筑一阶纵向和一阶横向固有频率与螺旋桨叶频非常接近；为了避免共振，上层建筑固有频率相对激励频率至少应有10%～15%的频率储备[5]。

表1 初始方案上层建筑整体振动一阶固有频率

图1 某耙吸挖泥船总体布置示意

图2 初始方案有限元模型

3 基于设计考虑的不同优化方案

上层建筑纵向振动主要是由上层建筑剪切弯曲振动和主船体作为弹性支座产生的振动这两部分组成的，前者主要是由上层建筑整体的剪切和弯曲刚度决定的，后者受上层建筑的基础刚度影响比较大[6]。

以提高上建整体的剪切弯曲刚度及基础刚度作为出发点提出优化上层建筑结构的6种方案，见表2。

表2 优化方案

图3 方案1示意

图4 方案2平面示意

图5 方案2中纵剖面示意

图6 方案3有限元模型示意

图7 方案4平面示意

图8 方案5平面示意

图9 方案5中纵剖面示意

4 不同优化方案对比

不同方案引起的上层建筑一阶纵向和横向固有频率变化、相对初始方案固有频率提升比及质量的调整汇总于表3。

表3 方案对比

4.1 方案说明

方案1是通过加大桁材尺寸来增加上层建筑在主船体甲板支撑刚度。

方案2是通过增加上层建筑的基础刚度来提高上层建筑纵向固有频率。虽然纵向固有频率提升明显，但是增加质多，需要评估方案对空船质量的影响，同时方案对于室外布置改动很大，还要具体结合挖泥船作业要求和总布置的特点来评估方案的可行性。

方案3对于纵向固有频率提升非常明显，而且增加重量少，缺点是室外设置斜撑影响了本船外形的美观，不满足布置方面的要求。因此,在最终方案2中采用了上层建筑整体加长的等效替代方案，其优势在于增加了上层建筑基础刚度的同时，原前端壁下加强结构由FR39的T型材，变成了FR42的舱壁，甲板支撑刚度大幅增加。

方案4是调整原始方案舱室内部布置，保证结构舱壁在纵向和垂向连续性，其出发点是为了提高上层建筑整体的剪切刚度。从表2可以看出：方案对整体纵向固有频率的提升比较明显，而且没有增加质量。方案虽然对于舱室布置来说变动很大，但总体上还是具备可行性的，接下来的工作主要是根据连续纵壁的位置来协调与风管、电缆、水管相关各专业的设计和布置。

鉴于本船上层建筑很高，可近似将其简化为悬臂梁。方案5，通过一小段甲板板将烟囱分段和上层建筑连接起来相当于在悬臂梁自由端附近增加了一个约束，边界条件由完全自由变成了简支，梁的刚度增加，固有频率也随之增加[7-8]，有限元计算结果也验证了这一点。

方案6,通过降低上层建筑高度提高上层建筑的基础刚度，上层建筑整体高度下降改变了上层建筑的质量和质心位置，一般减轻质量和降低质心都会增加上层建筑的基础刚度[9]。

4.2 方案对比

1)方案4,5都通过较少重量的增加获得了纵向固有频率较大幅度提升的效果。方案4由于纵舱壁不连续，上层建筑整体的初始剪切刚度比较弱，方案5上层建筑端部支撑刚度比较小。通过提高与上层建筑纵向固有频率相关且初始刚度较弱区域的结构刚度对提升纵向固有频率十分有效。方案1通过增加甲板支撑刚度的方式提高纵向固有频率，其出发点完全正确但是效果并不明显。主要原因在于初始方案中纵向外围壁在主船体甲板处已经做了下加强；优化方案只是简单地加大了下加强的构件尺寸(图3)，相对原始方案来说刚度变化不大，因此，固有频率提升就相对有限；这也从反面证明了上面结论的正确性。综上所述，提升上层建筑纵向固有频率的关键在于大幅提高与之相关的结构刚度。

2)方案6,降低上层建筑高度,纵向固有频率提升明显。目前还不能够通过公式来准确描述二者之间的关系，不过后续研究工作可考虑围绕相关船型，采用有限元法计算不同高度上层建筑下降比对应的纵向固有频率提升比，采用统计回归的方法求得二者之间的数学关系。

5 最终方案

在以上优化方案中，由于上层建筑整体固有频率无法满足足够的频率储备，在满足总布置的前提下结合船型结构布置特点，以之前优化方案为基础提出最终方案。

1)上层建筑内左右舷各增加一道纵舱壁，垂向范围由A甲板至C甲板并且纵向保持连续，见图10。

2)上层建筑纵向加长3档，前端壁由FR39移到FR42对齐主船体横舱壁，见图10。

3)上层建筑高度由15.7 m降至14.2 m，见图11。

最终方案的上层建筑整体振动固有频率见表4，有限元模型见图12，一阶振型见图13。

图10 最终方案甲板平面示意

图11 方案修改前后上层建筑高度对比

图12 最终方案有限元模型

图13 最终方案一阶振型

表4 最终方案上层建筑一阶固有频率

由表4可见，最终方案中的上层建筑一阶纵向、一阶横向固有频率都达到了足够的频率储备；说明基于各优化方案分析确定的最终方案对于提升上层建筑整体振动的固有频率是十分有效的。