支线集装箱船发电机平台结构振动分析模型化探索

2021-04-28 03:28高占峰黄金林

船舶 2021年2期

丁宁高占峰黄金林

（中远海运重工设计研究院扬州225200）

引言

集装箱船其船体瘦长、甲板大开口的结构特点，使得其船体梁扭转刚度较低。此外，为了在布置上争取更多空间装载集装箱，且同时满足驾驶室的视域要求，集装箱船的上层建筑的结构形式往往设计得既高且窄。而与大型集装箱船的中岛式上层建筑布置形式不同，支线集装箱船上层建筑为艉岛式，其位置更接近于主机、螺旋桨等主要激励源。上述特性使得支线集装箱船的振动问题相比于其他普通货船及大型集装箱船更加突出。

机舱是主机、发电机、螺旋桨等船舶主要激励源的所在区域，也是船舶各种机电设备的所在区域。大量的机电设备和复杂的管路风道布置，使得机舱空间十分紧凑，因此实船测试一旦发生振动问题，紧凑的空间布置使得局部加强修改变得十分困难，损失无法估量。因此，船舶在详细设计阶段就必须较精确地对机舱结构的振动情况进行预报，提前规避振动风险。

解决准确预估船体振动这一问题，目前国内外很多学者、单位均采用三维空间有限元法。事实证明，三维有限元模型是一种接近船舶真实结构的计算模型，能够较准确地计算船舶振动特性。本文采用有限元法对某支线集装箱船机舱区的发电机平台进行振动预报分析。通过计算发电机平台局部板架结构固有频率，确保其位于频率禁区之外，即避免板架与主机、螺旋桨等船舶主要激励源发生共振，从而实现振动控制预报。

1 概述

1.1 船舶主要参数

船舶的总布置图及主要参数如图1和表1所示。

图1 某支线集装箱船总布置图

表1 某支线集装箱船主要参数

1.2 平台结构有限元模型

本文运用MSC-Patran有限元计算软件，基于机舱布置图、机舱结构图、双层底结构图和发电机基座加强图等，建立机舱有限元模型，对机舱区域的发电机平台板架进行振动预报分析。模型中的船体外板、主甲板、各层平台板、纵向舱壁和横向舱壁等采用板单元建立，板上的纵梁、横梁及加强筋等采用梁单元建立。

由于本文旨在研究机舱发电机平台的局部板架振动问题，故有限元模型中并未包含上层建筑及货舱区结构，其对于本文探讨的方法及结论影响不大。对某支线集装箱船机舱区建立有限元模型，如下页图2所示。机舱水线面以下舷侧外板及外底板的附连水质量的加载通过NASTRAN提供的虚质量法实现。

图2 某支线集装箱船机舱有限元模型

考虑机舱与中间货舱及船尾结构的连接形式，在机舱模型首、尾端部的纵向连续构建处，定义简支约束为边界条件，如图3所示。

图3 某支线集装箱船机舱有限元边界条件

1.3 振动评估方法

机舱局部振动预报采用固有频率法。即对机舱进行模态分析，求得各平台板架处的固有频率。在激振力频率已知的前提下，必须将船体的固有频率与激振力频率保持一定的差值以防止有害振动的发生，这个差值的范围即是频率禁区，通常取为对应的频率的前后15%。

本船外激振力主要考察主机和螺旋桨产生的低频激振力，至于发电机本身的激振力，由于其频率较高，故可不必考虑。主机主要的激振力为各阶不平衡力矩、X型振动激振力矩及H型振动激振力矩。螺旋桨的主要激振力为脉动压力。本船基于主机及螺旋桨设备资料，选定主机二阶不平衡力矩、六阶H型振动激振力矩及螺旋桨脉动压力为主要外激振力，则本船的频率禁区如表2所示。

表2 某支线集装箱船频率禁区Hz

2 发电机平台集中质量与管路等分布质量不同模拟方法研究

由于频率禁区在主机、螺旋桨选型后便已确定，则机舱区域振动预报的关键在于准确预报机舱区域板架的固有频率。结构固有频率仅与刚度和质量有关，而根据结构图纸建立的有限元模型，可保证发电机平台板架结构刚度的准确性。因此，机舱区域振动预报分析的关键在于机舱区域均布质量的合理分布及大型设备重量的准确模拟。

本文以发电机平台为研究对象，建立局部细网格有限元模型进行模态分析，通过分析对比不同均布质量模拟方式及发电机重量的模拟方式下发电机平台板架的模态频率，总结出一套快速、准确定义均布质量和发电机质量的方法。

2.1 均布质量模拟方式研究

基于结构图纸建立的有限元模型只能准确反应钢结构重量，对于发电机平台的水管、风管、电缆、外舾装件（栏杆、扶手、托架……）等非结构、非集中的质量，需要通过均布质量的方式加载到发电机平台板架有限元模型中。通过与各船级社、设计公司的技术交流，同时查阅相关计算报告及科研文献，目前业内主要有两种常用的均布质量加载方式，即：

（1）通过修改板材密度，将上述非结构质量均摊到对应板材上；

（2）通过PATRAN板单元的“Non-Structure”属性，将非结构质量加载到板单元上。

通过重量统计，本船发电机平台区域的水管、风管、电缆、外舾装件总重为3.8 t。以下为2种均布质量模拟方法的计算结果对比情况。

（1）将3.8 t质量以增加板材密度的形式均匀分布至整个发电机平台板架上，模态分析结果见图4。

图4 基于密度均布质量加载方式的发电机平台板架15.42 Hz对应模态图

（2）将3.8 t质量通过定义板单元“Non-Structure”属性的形式均匀分布到整个发电机平台板架上。“Non-Structure”模型区域及模态分析结果见图5。

图5 基于“Non-Structure”属性均布质量加载方式的发电机平台板架15.42Hz对应模态图

通过对比上述结果可以得出以下结论：

修改板材密度的方式和定义板单元“Nonstructure”属性这2种均布质量加载方式，对于模态分析而言是完全相同的，但考虑到均布质量加载的快速性和便捷性，即可认为定义板单元“Nonstructure”属性为最佳的均布质量加载方案。

2.2 发电机及其基座模拟方式研究

本文研究对象为机舱左舷发电机平台板架，其上共有2台发电机，靠近左舷的发电机湿重33.8 t，其基座重1.8 t；靠近船舯的发电机湿重36.4 t，其基座重1.8 t。发电机及其基座是发电机平台板架重量的主要组成成分，其模拟的准确与否直接影响振动预报的可靠性。

本文共提出4种不同的发电机及其基座的模拟方法以进行对比研究，各种方法的模拟方式及其计算结果如下所示：

（1）将发电机湿重及其基座重量通过定义板单元“Non-Structure”属性的形式，分别定义在各自基座区域的板单元上，模态分析结果见图6。

图6 发电机平台板架11.2 Hz对应模态图

（2）建立发电机基座模型，将发电机湿重（33.8 t）以质量单元的形式均布在发电机基座上，分析结果见图7。

图7 发电机平台板架11.6 Hz对应模态图

（3）建立发电机基座，在发电机重心位置处建立集中质量单元，并建立RBE2刚性连接到基座上。模态分析结果见下页图8。

图8 发电机平台板架13.2 Hz对应模态图

（4）建立发电机基座，将发电机湿重（33.8 t），通过在发电机重心建立集中质量单元并建立RBE3刚性连接到基座上。模态分析结果见图9。

图9 发电机平台板架12.3 Hz对应模态图

通过对比上述计算结果可以得出以下结论：

（1）相比于直接将发电机基座以均布质量的形式施加到发电机区域的板单元上的模拟方式，建立发电机基座有限元模型可提高发电机板架刚度，平台板架固有频率有所提升；

（2）相比于将发电机以质量点的形式均布在发电机基座上的模拟方式，在发电机重心位置处建立质量单元并通过REB2或REB3的方式连接到基座上，发电机平台板架刚度有所提升；

（3）RBE2的连接方式对于发电机平台刚度的影响大于RBE3。

基于上述对比分析，可以认为建立发电机基座有限元模型，并在发电机重心位置处建立质量单元通过RBE3连接到基座上，这种方式更接近实际情况。理由如下：

（1）发电机基座作为发电机主要强支撑结构，其对于板架刚度的贡献不可忽略，必须建立准确的发电机基座有限元模型；

（2）相比于在基座上直接建立质量单元，在重心建立质量单元并通过刚性连接到基座上，更能体现发电机机体刚度的贡献；

（3）RBE2与RBE3在NASTRAN中的计算机理是不同的，考虑到发电机与基座直接由减震器连接，并不是完全刚性连接，故认为RBE3更准确。

3 振动预报结果及实船测量验证

3.1 振动预报结果

通过上述对比分析研究，基于本文确定的发电机平台板架有限元振动预报方法，本人完成机舱发电机平台有限元计算结果，确定其固有频率为12.3 Hz，位于本船的频率禁区之外，不存在共振风险。

3.2 支线集装船机舱振动实船测试

实船测试既是对理论计算的实践验证，又能为基础设计提供重要依据。实船振动测试结果能最直观体现船舶振动性能，通过测试结果很容易判断是否满足设计要求。本文选取某支线集装箱船机舱发电机平台附近区域作为测点，分别在试航压载以及营运时满载这两种工况条件下，对所选测量点的振动情况进行数据采集，测量数据如表3所示。