上层建筑局部振动分析与优化设计

陶尼斯

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

海洋工程装备制造业作为国家大力发展的产业，近些年来一直在朝着大型化方向发展，海工市场的竞争日趋加剧。目前很多船东都要求配备足够多的技术人员在船上工作，因此生活和工作处所的舒适性成为了评判设计优劣的重要技术指标。鉴于海工船型在总布置方面首要保证足够大的甲板作业面积，因此生活舱室的设计只能在有限的布置框架下进行，这就大大提高了上层建筑结构振动设计的技术难度。本文所依托的海工项目，其上层建筑接近船舶两个主要激励源——螺旋桨和主柴油发电机，因而经常受到较大的激振力，直接影响到了船员的工作、生活，导致局部振动问题十分突出。因此依托项目在设计初期就针对上层建筑甲板板架的振动问题进行了分析与优化设计。

1 计算模型

本船上层建筑局部振动计算采用三维有限元法，借助大型商用软件MSC/PATRAN ,MSC/NASTRAN 完成。

模型范围：由于本船烟囱与上层建筑分段两层甲板相连，考虑其对上建底部刚度的影响，模型包含整个烟囱分段和各层甲板结构。

模型单元：骨材间距为单元间距，壳体单元模拟甲板、外壳板及纵、横舱壁等板结构；梁单元模拟纵向桁材或横向强梁以及加强筋等；舾装件、内装、电气设备等的质量以质量点形式施加于模型上。

边界条件：模型在主甲板处截断，统一按照简支处理。

图1 上层建筑有限元模型示意图

2 初始方案

上层建筑的甲板局部振动一般以纵向振动和垂向振动为主，影响局部振动级的主要因素有：上层建筑整体的纵向振动固有频率与激励频率之比，上层建筑甲板的垂向振动固有频率与激励频率之比以及船舶总振动的振级[1]。其中上层建筑整体振动的纵向固有频率主要由整体剪切刚度、弯曲刚度和基础刚度决定的，当上层建筑布置最终确定后，在此基础上想要明显提高纵向固有频率是非常困难的[2]。因此结合依托项目的工程实际，控制上层建筑甲板局部振动级主要的思路在于如何采取措施有效提高甲板的固有频率。在本项目中对上层建筑局部振动来说影响比较大的激励源是螺旋桨和主柴油发电机：螺旋桨激励频率为10Hz，主柴油发电机激励频率为12.5Hz。

本船上层建筑共5层，整体位于尾楼甲板之上。上层建筑各层甲板均采用横骨架式结构。每层甲板的结构刚度和质量分布基本相似，取其中一层甲板作为研究对象来具体阐述甲板局部振动设计的流程。甲板平面示意图参见图2，典型板(架)振型图见图3～6，初始方案甲板局部振动有限元计算结果见表1。

图2 典型甲板平面示意图

图3 板架1局部振型示意图(33.42Hz)

图4 加筋板2局部振型示意图(9.09Hz)

图5 加筋板5局部振型示意图 (19.25Hz)

图6 板架6局部振型示意图(28.16Hz)

表1 有限元计算结果汇总

从表1可以看到板架2的固有频率没有避开螺旋桨激励频率，不满足±10%的频率储备[3]，后续设计应当采取措施，避免局部结构发生共振。

3 优化方案

鉴于依托项目的激励频率较低，比较合理的方案是通过结构设计提高局部结构的固有频率，使其与激励频率不相重合并保证一定的频率储备[4]。本文针对上层建筑局部结构提出了三种优化方案，通过研究并权衡各方案的优劣来最终确定适合依托项目的结构设计。优化方案参见表2，图7～9，有限元计算结果参见表3。

表2 优化方案

图7 优化方案1

图8 优化方案2

图9 优化方案3

表3 优化方案有限元计算结果

方案1在图中云线处局部增设支柱Φ133×10，从有限元计算结果来看，板架固有频率的提升非常明显，但设置支柱对舱室布置影响较大。方案2在图中云线部分T型材腹板高度由7×300增至7×600，面板保持不变。但增加腹板高度会降低舱室的净空高度，需结合甲板层间高及法规对净高的要求来确定方案是否合适。方案3在图中云线处增设T型材将原有结构分成四个大小相同的加筋板。由表格中所有计算结果可知：方案1和3均达到了固有频率错开激励频率的要求，方案3是以契合依托项目基本设计状态为首要原则，通过增加最少结构重量达到局部结构刚度最大化的效果，从而使板架固有频率获得了大幅度提升。不同优化方案甲板振型示意图见图10～12。

图10 优化方案方案1 (21.57Hz)

图11 优化方案2 (11.24Hz)

图12 优化方案3 (42.68Hz)

采用简化的理论计算方法可对加筋板固有频率进行计算，公式如下[5]：

(1)

(1)式中：s为骨材间距；l为骨材跨长；n为骨材数目；te为加筋板的等效板厚；I为计及有效带板后的惯性矩。

甲板附加质量对结构固有频率的影响采用折减因子来表示：

(2)

考虑附加质量后，结构固有频率为：

fλ=λ·fHz

(3)

参考公式(1)，方案3通过增设T型材将加筋板2分成4个相同面积规格的小加筋板, 骨材跨长约为原来的一半，因此固有频率得以大幅提升。通过理论公式(1)(2)(3)计算小加筋板的固有频率，其中甲板附加质量按照40kg/mm2来考虑并与有限元结果进行对比。

表4 简化计算结果汇总

由表4可知：采用理论简化方法，其计算值与实际值相比偏大；按照常规设计状态考虑附加质量取值，当遇到甲板局部质量分布不均匀时采用理论简化计算法误差会偏大；此时比较稳妥的措施是采用有限元法来进一步明确设计状态 。一般来讲简化计算法只适合形状规则且质量分布均匀的甲板和板架的固有频率计算，当其遇到质量分布不均的情况，公式将无法准确模拟质量分布，从而导致计算误差偏大。采用理论简化方法计算规则板架时，由于计算精度的原因，计算结果与激励频率错开至少要达到15%以上[6]，才能确保结构振动设计的安全，否则需采取补救措施。

4 结 论

本文以依托项目为基础，在设计初期通过对不同优化方案甲板板架局部振动固有模态的分析可知：方案3局部增设T型材将加筋板分成小加筋板对板的固有频率提升比最大，重量增加最少，布置影响最小。

希望本文在控制上层建筑甲板局部振动的结构设计中做出的尝试能够为类似的工程项目提供借鉴作用。