薄膜型LNG船围护系统抗振动性能试验研究

摘 要：破冰型LNG运输船航行时，将不可避免地与水面的漂浮冰层或者大面积的完整冰层碰撞，碰撞产生的冰载荷将成为影响LNG运输船航行安全的一个重要因素。针对薄膜型LNG船围护系统展开试验，并对试验结果进行分析。在此基础上，进一步计算薄膜型LNG船围护系统的振动响应，结果表明：沿着围护系统短边上表面传递阻抗级比下底板最多高2.2 dB，沿着围护系统长边传递阻抗级最多高6.0 dB；分析围护系统振级落差，发现外围箱体平均振级落差在7.5 dB左右。考虑到中心箱体底板处有加强肋板的缘故，其测点的振级落差比外围箱体高1～2 dB，说明薄膜型围护系统具有良好的隔振性能。

关键词：LNG船；围护系统；抗振性能；振级落差；试验分析

中图分类号：U661.44" 文献标志码：B" 文章编号：1671-5276（2024）05-0068-05

Experimental Study on Vibration Resistance of Thin-film LNG Ship Enclosure System

Abstract：In ice-breaking LNG carrier sailing， the inevitable collision with floating ice on the water surface or a large area of intact ice will generate ice load， an important factor affecting the safety of LNG carrier， as to which， tests are conducted on the vibration response of the enclosure system of thin-film LNG ship and their results are further calculated. The results show that the impedance level of transmission along the short side of the enclosure system is at most 2.2 dB higher than that of the lower bottom plate， and the impedance level of transmission along the long side of the enclosure system is at most 6.0 dB higher. With the analysis on the vibration level drop of the enclosure system， the average vibration level drop is found to be around 7.5 dB. Considering the availability of reinforced ribs at the bottom of the central box， the vibration level drop of the measurement point is 1～2 dB higher than that of the peripheral box， which demonstrates that the film type enclosure system has good vibration isolation performance.

Keywords：LNG ship；enclosure system；vibration resistance；vibration level difference；experimental analysis

0 引言

伴随着北极航道的开通，不仅减少了时间与成本，更是降低了航行的风险。因此船舶在航行过程中发生碰撞的可能性更低，但是北极航道存在大量的浮冰，因此破冰型LNG船就发挥了重要的作用。在破冰过程中LNG船的围护系统的抗冲击性能非常重要，保障了货物运输过程中的安全。

近年来，有关LNG船围护系统的抗振动冲击特性引起了众多的研究。BUNNIK等［1］和LEE等［2］使用实验和数值模拟方法研究了碰撞冲击载荷。RYU等［3］研究了两排LNG货物晃动冲击载荷的设计、冲击载荷的设计、冲击模型测试。同时，KIM［4］研究了LNG货舱的快速响应计算，使用小波变换，研究了LNG货物安全壳系统对冲击载荷的快速响应计算。KIM等［5］对GTT MARK III型货物密封系统进行了各种实验和数值研究。ARSWENDY等［6］进行了实验和数值研究，以确定作为薄膜型LNG船围护系统一部分的T形胶合板试样的屈曲和压碎强度。LNG船围护系统的主要设计荷载情况应来自动态冲击，如晃动等。因此，对系统动态屈曲强度的研究非常关键。FAN等［7］使用钢焊接结构的非线性有限元方法对加筋板进行了动态和静态屈曲分析。同时，RAVI等［8］进行了实验和数值研究，以发现多个孔对铝材料动态屈曲能力的影响。THANG等［9］通过分析和数值方法研究了S形功能梯度材料环形壳体节段的非线性屈曲。此外，RAMEZANNEJAD等［10］和KUBIAK［11］使用分析方法研究了边界条件对动态屈曲行为的影响。BISAGNI［12］通过数值方法研究了圆柱形结构薄壁碳纤维材料的动态屈曲。雷晓燕等［13］通过试验，对嵌入式轨道实尺模型进行锤击试验，探究该轨道形式中钢轨的振动特性。熊聪等［14］基于两自由度系统的振动传递规律，分析得到轨道车辆车体和构架的幅频特性及基础与车体和构架的振动传递率，分析了一系、二系的阻尼比及刚度等悬挂参数对车体和构架的振动影响规律。

目前关于薄膜型LNG船围护系统整体振动特性的实验较少，而且破冰型LNG运输船航行时，将不可避免地与水面的漂浮冰层或者大面积的完整冰层碰撞，碰撞产生的冰载荷将成为影响LNG运输船航行安全的一个重要因素。因此，研究破冰型LNG运输船抗振围护系统的振动传递特性具有重要意义。

1 围护系统振动试验

1.1 振动试验原理

机械阻抗定义为简谐激振力与简谐运动响应的复数式之比。根据所选取的运动量，机械阻抗可分为位移阻抗、速度阻抗和加速度阻抗3种。本次试验选用的运动响应为加速度，在单点激励下，激励力向量与加速度响应向量的比值即为模拟样机的加速度阻抗。加速度阻抗分为原点阻抗（加速度响应点与激励点在同一位置）和传递阻抗（加速度响应点与激励点位置不同）两类。

加速度阻抗定义为

式中：k为激励力作用点的位置；l为响应测试点的位置；j为激励力作用的方向 （x，y，z ）；i为响应测试的方向 （x，y，z）。

模拟样机的原点阻抗为

围护系统结构的原点阻抗为围护系统激励点的力和加速度之比：

围护系统的传递阻抗为围护系统激励点的力与响应端的加速度之比：

振级落差La是由输入端和响应端的振动加速度ain和aout计算得到的。

1.2 薄膜型LNG船围护系统的结构特点

薄膜型围护系统是LNG船围护系统结构的一种主要类型［15］，其结构如图1所示。整个薄膜型LNG船围护系统是一个八边形的液货舱。每个液货舱由10个面构成。每个面由主次两层屏蔽层构成，每个屏蔽层都由殷瓦薄膜及刚性绝缘的绝缘箱组成。液货舱两个面交界处由殷瓦管或复合梁连接，3个面的交界处由三面体连接。沿舱室内边界向舱室内方向排列的结构依次为次绝缘箱、次绝缘屏、主绝缘箱、主绝缘屏。主绝缘箱和次绝缘箱由木质层合板通过订装方式组合为箱型，箱内安装相同材料的横、纵向隔板起到承载和传递力的作用，隔板与隔板之间用玻璃棉填充起到保温效果。紧固螺栓安装在绝缘箱四角起到固定位置作用，树脂绳铺设在次绝缘箱与船体内板之间维持主绝缘层面板平整。

1.3 振动试验流程

试验系统主要由力锤（附带力传感器）、加速度传感器和数据采集分析系统组成。通过采集的力和加速度响应得到围护系统结构的机械阻抗，测试系统示意图如图2所示。

激励系统采用INV9314型力锤（包含力传感器），试验需要力锤提供覆盖0～3 000Hz频率范围的激振力，同时要保证激励和响应都有足够的信噪比。如图3—图4所示，加速度传感器为Bamp;K 4506B型号三向传感器。数据采集分析系统为32通道的LMS信号采集系统，采样频率范围为0～3 000Hz，间隔为1Hz。

试验条件采用自由边界，由行车自由悬挂模型实现。阻抗及振级落差试验的步骤如下：1）安装传感器，将加速度传感器依次安装在各测点处；2）检查激励和响应信号的信噪比，通常在两端自由的工况下测试频段内的信噪比，应大于5dB；3）进行激励，使用力锤对激励点施加激励；4）数据采集，振动采集分析系统连接计算机，进行力与振动加速度信号的采集；5）数据处理，提取激励的时域加速度信号和力信号分析结构的抗冲击特性，根据频域加速度信号和力信号计算结构测点传递阻抗，分析结构振动特性。

测点和激励点布置如图5所示，共布置了32个测点，分布在围护系统典型结构9个箱体的节点处。激励点设置在围护系统典型结构中心位置。测试前用酒精擦拭测试部位，这个步骤是用来去除围护系统表面的脏污，确保试验结果的准确性。在激励点使用力锤进行激励，激励方向为围护系统结构底板的法向（围护系统模型的z方向）。

2 振动试验结果分析

2.1 围护系统阻抗结果分析

考虑到对称效应，只选取薄膜型LNG船围护系统单侧的测点结果进行展示。分别选取围护系统的单侧长边和短边作为研究对象，选取测点1和1′、测点4和4′。将阻抗数据取传递阻抗级，为了使数据显得更加直观以及船舶振动频率分析主要在200Hz以下的低频，取阻抗级数据在10～200Hz的1/3倍频程，围护系统短边传递阻抗级结果如图6所示。从图中可以看出在10～16Hz，各点传递阻抗级随频率增大呈现整体增大的趋势，在上表面点1′处，达到最大值50dB，相比较下底板点1处的43dB高了7dB， 在上表面点4′处，达到最大值48dB，相比较下底板点4处的36dB高了12dB。可以发现围护系统在16Hz处的隔振性能最好。4个点在10Hz处的传递阻抗级最小，说明围护系统在10Hz处的隔振性能最差。1′点平均传递阻抗级为37.8dB，1点平均传递阻抗级为38.2dB，提高了0.4dB。4′点平均传递阻抗级为40dB，4点平均传递阻抗级为37.8dB，提高了2.2dB。这证明围护系统能够降低振动的传递，并且振动沿着围护系统的短边，有着明显的衰减过程。故可以看出，沿着围护系统的短边方向，围护系统对振动的抑制能力强。

围护系统长边传递阻抗级结果如图7所示。从图中可以看出在10～100Hz范围内，各点传递阻抗级幅值随频率增大而增大，在12.5Hz、31Hz、64Hz出现峰值，说明在这几个峰值围护系统对振动的抑制较明显；在20Hz、50Hz出现了低谷，说明围护系统在这两个频率对振动的抑制较弱。5′点处的平均传递阻抗级为41dB，5点处的平均传递阻抗级为36.8dB。在5′点和5点处，上表面相对于下表面提升了4.2dB。13′点处平均传递阻抗级为44.6dB。13点处平均传递阻抗级36.6dB。在13′点和13点处，上表面相对于下表面提升了8dB。总体来说，围护系统具有一定的隔振效果，并且长边的隔振效果明显要优于短边。原因在于围护系统的内部，沿长边分布的肋板数量明显要多于沿短边分布的肋板数量。

2.2 围护系统振级落差结果分析

图8所示为LNG船围护系统外围测点在10～200Hz测点振级落差随频率变化示意图。图中在测点13—13′处，振级落差在20Hz时可以高达19.4dB，测点1-1′在50Hz处达到最大峰值15.5dB，测点4-4′在160Hz达到最大峰值10.2dB，测点16-16′在64Hz处达到最大峰值10.8dB，除了测点13-13′，其余4组测点平均振级落差在7.5dB左右。峰值大多集中在频率100Hz范围内，说明薄膜型LNG船围护系统在10～200Hz频段范围内的隔振性能总体良好。

图9所示为LNG船围护系统中心箱体测点在10～200Hz振级落差随频率变化示意图。各点振级落差响应幅值随频率的增大而呈现整体增大的趋势，在10～100Hz，出现了几个峰值，如测点11-11′在16Hz处达到最大峰值15.4dB，测点10-10′在31.5Hz处达到最大峰值11.2dB，测点6-6′在64Hz达到11.8dB。这说明围护系统在10～100Hz具有较好的隔振性能，测点6-6′处平均振级落差值为8.4dB，测点7-7′处平均振级落差值为9.2dB，测点10-10′平均振级落差值为10.1dB，对比外围箱体，中心箱体测点振级落差明显高于外围箱体1～2dB，说明中心箱体隔振性能较优。这主要是因为中心箱体底板下面相比其他外围箱体底板多一条加强肋板（图10）的原因。

3 结语

本文通过对薄膜型LNG船围护系统进行抗振动性能试验分析，从阻抗和振级落差得出如下结论。

1）薄膜型LNG船围护系统上表面测点的传递阻抗级总体上大于下底板测点的传递阻抗级，说明围护系统具有一定的振动抑制性能。因围护系统长边分布肋板较多，围护系统长边对振动抑制性能明显要优于短边。围护系统在12.5Hz、31Hz、64Hz出现明显峰值，说明在这些频率下，围护系统具有良好的隔振性能。短边测点1和1′处传递阻抗级提升0.4dB，测点4和4′处提升2.2dB。长边测点5和5′处提升4.2dB，13和13′处提升8dB。

2）薄膜型LNG船围护系统的振级落差总体在7～10dB，且中心箱体要比外围箱体高1～2dB，围护系统振级落差的峰值主要集中在10～100Hz，说明围护系统在此频率范围内的隔振性能较好。

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