港航工作艇生活楼重量重心对振动影响研究

濮天欢

(宜兴市港航事业发展中心，江苏 无锡 214200)

0 引言

生活楼作为船员日常生活工作的主要场所，振动过大会严重影响船员的身体健康。近年来，基于有限元法研究船舶生活楼的动力特性越来越普遍。恽伟君等采用膜单元和集中质量单元建立生活楼模型，主船体结构采用梁模型，探讨生活楼与船舶总体振动之间的耦合影响。甘锡林等应用生活楼加船体梁的简化模型对290 000 t散货船生活楼振动特性进行预报，大大减少该模型建模工作量。郭列等以35 000 t浅吃水型散货船为例，建立了5种不同型式的生活楼有限元计算模型，主要对生活楼和主船体之间的耦合影响进行探讨，并计算了由螺旋桨和主机激励引起的船体振动响应。

随着船舶设计过程中对振动要求不断提高，针对已有船舶的振动加强以及新建船舶的振动预报均涉及到振动的加强方案研究。在船体结构已成雏形的前提下，特别是生活楼区域，振动问题一般较难改变。为此，本文以某工程船的生活楼为研究对象，探讨生活楼重量中心对生活楼振动固有频率的影响，并通过有限元方法进行验证，为此类船舶生活楼振动问题的改善提供指导。

1 影响因素分析

结合目前已有的工程船生活楼布置，对生活楼固有频率和局部振动频率计算结果造成影响的主要因素有生活楼的设备及内外舾装重量重心和生活楼结构重量重心。设备及内外舾装重量重心一般较为集中，且不参与结构的整体刚度。而结构重量一般较为分散，同时结构重量越大，结构的刚度越好。因此有必要将这两个因素分开进行研究。设备及内外舾装重量重心主要包括位于生活楼区域内的一些较大设备、内外舾装的重量和对应的重心位置，结构重量重心主要包括生活楼钢结构的重量和重心。

2 振动模型的建立

由于生活楼本质是一个筒形的钢结构，因此将生活楼简化成筒形进行分析，经简化后得到的有限元模型内部(不包括外板)见图1。

由于不考虑主船体支撑对生活楼整体支撑刚度造成的影响，因此在简化计算过程中可以将约束条件为在生活楼A甲板底端，即与主甲板连接处简支约束。虽然会局部增大主甲板与A甲板之间的刚度，但是不影响不同条件下的生活楼的振动变化趋势。约束的边界条件见图2。

3 振动计算及分析

3.1 原始状态下生活楼振动计算结果

在不考虑设备及内外舾装重量的条件下，对该简化生活楼进行振动初步的评估得到的结果见表1。简化生活楼整体的一阶振动结果见图3。

生活楼包括有多层甲板。为了保证船员生活的舒适性，往往对每层甲板的振动均有要求，每层甲板下均为不相同的支撑结构，因此每层甲板的同向刚度及重心均有所区别。由于对A甲板下端进行约束，所以该边界条件对每层甲板的影响不一样，距离A甲板约束边界越近的结构，刚度偏离越大。因此针对其他各层甲板进行模态分析，得到的各种振动模式的模态分析结果云图见图4。

图1 有限元模型内部(不包括外板)

图2 有限元模型边界条件

表1 简化生活楼的一阶振动计算结果

从图4可以看出：生活楼整体一阶模态振型较为明显。一阶振型中，横向振动固有频率最低，纵向及垂向的固有频率相当，因此生活楼的横向刚度最弱，纵向及垂向刚度较强；生活楼各层甲板(A甲板由于靠近边界条件，不作比较)的局部模态具有相同的频率，且振动均处于同一个位置。对照图3可以看出，生活楼在该区域的刚度均有明显削弱，即在模态出现的区域，是大范围的无舱壁区域。

3.2 设备及内外舾装重量重心影响研究

设备一般安装在甲板上，并在设备所在区域，建立MPC单元模拟设备的重量重心。内舾装重量则分布在整个生活楼区域，包括甲板和围壁。因此，一般利用质量点进行模拟，并调整重心位置。

图3 简化生活楼整体的一阶振动结果

图4 各种振动模式的模态分析结果云图

由模型统计出的信息可知，整个简化生活楼的模型重量为181.8 t。在该模型的基础上，在除A甲板以外的每层甲板增加一定重量的设备和舾装材料重量，并与振型分析结果作比较，得到设备及内外舾装重量重心对振动计算结果的影响。其中，加设备之前与加设备之后的模型重量重心见表2。

表2 模型重量重心比较

由表2看出，设备重量对模型垂向重心的影响是最大的(通过变化率计算所得)。因此,在分析过程中将垂向模态作为主要比较对象，研究设备及舾装重量重心对振动计算结果的影响。

为了使振型图较为容易辨认，在模型中尽量将每层甲板上的设备及舾装的重量分布在加强结构处。所有加设备的甲板重量分布见图5。

经过计算，得到的整个生活楼的模态分析结果见图6。

图5 生活楼某甲板舾装重量分布

图6 生活楼的模态分析结果

从图6看出，生活楼的横向一阶模态基本没有变化，纵向一阶模态变大，垂向一阶模态变小。设备及舾装重量对模态分析结果的详细比较见表3。

表3 生活楼整体模态分析结果比较

从表3可以看出：对于纵向模态，加了设备及舾装重量之后，整个生活楼的重心更加靠近几何中心，因此纵向模态与单纯钢料的计算结果相比，纵向固有频率增大；对于横向模态，重心位置的横向改变很小，可以忽略不计，因此得到的横向固有频率不变；对于垂向模态，重心位置变高，即重心距离约束位置的距离增加，且重心上升了1%，垂向固有频率降低了1.9%，垂向固有频率显著变小。

因此，在设计过程中若需要改善生活楼的整体垂向固有频率，调整生活楼内部相关设备和舾装的垂向重心是一个非常有效的解决办法。

3.3 结构重心影响研究

在原有模型的基础上，研究改变结构重心对振动计算结果的影响时应当避开改变了原有结构的刚度。因此，不能通过调整板厚来改变结构重心，应该通过调整材料密度来实现。同时，为了避免由于材料密度突变引起的局部模态，导致振动结果失真，在调整模型相关区域的材料密度过程中，将密度的突变控制在5%以内。为了研究生活楼的横向重心、纵向重心和垂向重心对横向模态、纵向模态和垂向模态振动计算结果的影响，尽量保证除变量重心之外的其他重心保持一致，从而能够保证其他方向的模态对计算模态的结果产生影响。

生活楼有限元模型的重心调整结果和模态计算结果见表4。从表中可以看出：横向一阶固有频率并没有随着生活楼结构重心的横向位置变化而改变；纵向一阶固有频率在生活楼的纵向重心越靠近生活楼几何中心的位置，其纵向固有频率越高；垂向一阶固有频率在生活楼的垂向重心越接近边界条件的位置，其垂向固有频率越高。

表4 生活楼一阶模态计算结果

模态分析振型云图见图7。对比1工况以及由于设备及舾装重量引起的生活楼重心的调整发现，2种工况的生活楼重心纵向位置相同，横向位置相差不大，垂向位置具有一定的差别，然而得到的模态结果却不同，其中：由于设备及舾装重量引起的生活楼振动纵向模态频率为20.956 Hz，而1工况生活楼振动纵向模态频率为20.586 Hz。1工况得到的模态分析结果略小，证明由于设备及舾装重量引起重心调整之后的模态分析结果明显比1工况模态分析结果改变得更加显著，说明生活楼垂向重心的改变，对生活楼的纵向模态分析结果具有一定程度的耦合影响。

图7 模态分析振型云图

4 结论

(1)设备及舾装重量重心对结构固有模态的频率改变具有较为明显的影响。在实际生活楼设计过程中，为了能够将生活楼的固有模态频率储备较大，尽量减少生活楼较高甲板设置较重设备和较重的舾装件，尽量降低生活楼的整体重心位置。

(2)结构重量重心对结构固有模态的频率改变具有更加明显的影响。实际设计过程中，在生活楼重量满足设计要求的前提下尽量增加生活楼靠下部分的甲板室的重量，并减轻生活楼靠上部分的甲板室的重量，可以显著改善生活楼的整体固有频率。

(3)本文分析了振动频率受到重量重心的影响，后续可深入讨论重量重心对生活楼振动响应的影响。