82 000 t散貨船船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

洪 明 鄭素青 徐超友 許俊臣

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院 大連116024；

2.青島船舶重工有限公司 船舶與海洋工程設(shè)計(jì)所 青島266520）

0 引 言

散貨船是航運(yùn)的主流船型之一，隨著航運(yùn)界對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性、可靠性及環(huán)保性能等指標(biāo)的提高，近來(lái)大型船舶又開(kāi)始回歸大馬力低速少缸柴油機(jī)，然而，有害振動(dòng)控制又成為設(shè)計(jì)和建造重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。本文討論的82 000 t散貨船就是采用少缸柴油機(jī)，總布置圖如圖1所示，該船充分考慮滿足船型在主尺度限制、滿足CSR（共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）、EEDI（能效設(shè)計(jì)指數(shù)）、船舶燃油艙保護(hù)、壓載水管理、PSPC（壓載艙涂層保護(hù)性能標(biāo)準(zhǔn)）及主機(jī)TierII排放等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 82 000 t散貨船總布置圖

船舶垂線間長(zhǎng)225.40 m、型寬 32.26 m、型深20.10 m、設(shè)計(jì)吃水12.20 m、載重量 81 300 t，服務(wù)航速 14.3 kn，主機(jī)選用 W?rtsil? 5RT-flax58T，螺旋槳為4葉定距槳。

設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)船體振動(dòng)充分重視，根據(jù)船體設(shè)計(jì)建造特點(diǎn)，各個(gè)階段處理的內(nèi)容和方法也有所側(cè)重，參見(jiàn)表 1［1］。

表1 不同設(shè)計(jì)階段船舶振動(dòng)控制過(guò)程

上世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)就圍繞船體振動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。本文將在此基礎(chǔ)上，針對(duì)82 000 t散貨船，結(jié)合作者多年工作中有關(guān)船體結(jié)構(gòu)有害振動(dòng)控制過(guò)程的研究來(lái)進(jìn)行分析。

1 激勵(lì)分析與減振措施

船上主要激勵(lì)源來(lái)自推進(jìn)系統(tǒng)中的大馬力低速柴油機(jī)和螺旋槳，考慮到使用的經(jīng)濟(jì)性，該船設(shè)計(jì)采用的是W?rtsil?公司的產(chǎn)品5RT-flax58T，該機(jī)型額定工況雖然有很好的燃油效率，但存在相比6缸及以上機(jī)型大一個(gè)數(shù)量級(jí)的激勵(lì)。大型低速柴油機(jī)存在激勵(lì)如圖2所示，其中不平衡力設(shè)計(jì)中已經(jīng)消除，特別需要注意的有2階垂向不平衡力矩和側(cè)向傾覆H力矩。

圖2 大型低速船用柴油機(jī)激勵(lì)類型示意圖

ABS和柴油機(jī)制造商定義相關(guān)的量PRU（不平衡力矩與主機(jī)功率的比值）來(lái)指導(dǎo)實(shí)船對(duì)應(yīng)措施，針對(duì)2階垂向不平衡力矩1 953 kN·m，根據(jù)W?rtsil?公司給出RT-flax58T系列的PRU值，圖2中可以看出5RT-flax58T機(jī)型2階垂向不平衡力矩對(duì)應(yīng)的PRU值達(dá)到190 Nm/kW，處于建議考慮使用平衡補(bǔ)償裝置。

為了降低主機(jī)2階垂向不平衡力矩對(duì)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，在設(shè)計(jì)中采用了挪威GERTSEN&OLUFSEN公司生產(chǎn)的外置不平衡補(bǔ)償器C-200V1，安裝在舵機(jī)平臺(tái)舵軸后強(qiáng)力構(gòu)件處（如圖3所示）。船舶主機(jī)運(yùn)行時(shí)，不平衡補(bǔ)償器系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)飛輪上所采集的信號(hào)獲得主機(jī)2階不平衡激勵(lì)相位，然后確定補(bǔ)償器偏心大小和相位，最終在艉部補(bǔ)償器安裝處產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)，以最大程度抵消主機(jī)垂向2階激勵(lì)。也就是在船舶上，多數(shù)的有害振動(dòng)或者來(lái)源于螺旋槳，或者來(lái)源于主發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的減振方法傾向于將重點(diǎn)放在振動(dòng)本身和如何消除局部共振上面。應(yīng)用外置不平衡補(bǔ)償器的方法，振動(dòng)的癥狀或被減輕和/或被轉(zhuǎn)移到其他組件上，但是振動(dòng)的根源仍然存在。

圖3 外置不平衡補(bǔ)償器安裝示意圖

5RT-flax58T機(jī)型存在1 183 kN·m的側(cè)向H力矩，為了減小對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，在主機(jī)機(jī)架頂端兩側(cè)分別安裝了4個(gè)液壓撐桿，固定機(jī)架的同時(shí)，液壓?jiǎn)卧枘崮軌蚝芎玫匚照駝?dòng)能量。

螺旋槳激勵(lì)強(qiáng)度既取決于葉型也很大程度上受到伴流場(chǎng)的影響。該船通過(guò)船模實(shí)驗(yàn)，在艉部螺旋槳右前方設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)流罩以獲得更佳的伴流。最終不僅提高螺旋槳推進(jìn)效率，均勻的伴流也會(huì)大大減小螺旋槳工作時(shí)作用在船體上方的水動(dòng)力。導(dǎo)流罩安裝位置如圖4所示。

圖4 艉部導(dǎo)流罩位置示意圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算得船上主要激勵(lì)頻率分別為：

主機(jī)和螺旋槳軸頻：

fME=N/60=1.47 Hz

主機(jī)2階垂向不平衡力矩頻率：

f2ME=2×fME=2.93 Hz

主機(jī)5階機(jī)架橫向傾覆力矩頻率：

f5ME=5×fME=7.33 Hz

螺旋槳葉頻脈動(dòng)激勵(lì)頻率：

fPROP=Z×N/60=5.87 Hz

螺旋槳倍葉頻脈動(dòng)激勵(lì)頻率：

f2PROP=2×Z×N/60=11.73 Hz

2 船體總體振動(dòng)和上層建筑整體振動(dòng)分析

船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮振動(dòng)的因素，根據(jù)船體和上層建筑的主要尺度就可以分別預(yù)報(bào)出船體和上層建筑總體振動(dòng)特性，主機(jī)的2階不平衡力矩和螺旋槳葉頻都會(huì)引起船體垂向振動(dòng)和上層建筑縱向振動(dòng)，故選擇推進(jìn)系統(tǒng)中主機(jī)和螺旋槳（主要指槳葉）就一定要避免共振風(fēng)險(xiǎn)。主機(jī)存在2階垂向不平衡力矩，因此總體振動(dòng)只要考慮垂向振動(dòng)，選用美國(guó)船級(jí)社（ABS）推薦Kumai方法，首階（2 節(jié)點(diǎn)）垂向固有頻率 N2v為［2］：

式中：Δv為考慮舷外水影響2節(jié)點(diǎn)垂向振動(dòng)等效質(zhì)量 t；

Iv為船體舯橫剖面慣性矩，m4；

Δ為船舶排水量，t；

L為兩柱間長(zhǎng)，m；

B為船寬，m；

T為平均吃水，m。

2階（3節(jié)點(diǎn)）及以上垂向振動(dòng)固有頻率Nnv與首階（2節(jié)點(diǎn)）固有頻率N2v關(guān)系為：

式中：n為節(jié)點(diǎn)數(shù)；

α為船型相關(guān)系數(shù)，散貨船系數(shù)取1。

通常為了避免螺旋槳葉頻和主機(jī)曲軸縱向振動(dòng)引起上層建筑整體縱向共振，需要估算出上層建筑的整體縱向固有頻率。上層建筑固有頻率采用美國(guó)船級(jí)社（ABS）的推薦公式進(jìn)行近似計(jì)算：

式中：f∞為與上層建筑高度成函數(shù)關(guān)系的根部固定固有頻率；fe/f∞為修正系數(shù)。

根據(jù)該船的上層建筑形式，由ABS推薦的插值圖表可得該船的 f∞取 750 cpm、fe/f∞取 0.625，所求得的數(shù)值代入fe=fe（fe/f∞），得到上層建筑縱向振動(dòng)固有頻率為f=7.81 Hz。

根據(jù)預(yù)報(bào)的主船體固有頻率的結(jié)果，主機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，設(shè)計(jì)避免了螺旋槳葉頻、倍葉頻及主機(jī)的2階垂向不平衡力矩與主船體垂向前3階固有頻率遭遇，也就是螺旋槳和主機(jī)激勵(lì)不會(huì)與主船體低階總體發(fā)生共振。根據(jù)預(yù)報(bào)的上層建筑固有頻率的結(jié)果，主機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，設(shè)計(jì)避免了螺旋槳葉頻、倍葉頻及主機(jī)的2階垂向不平衡力矩與上層建筑整體縱向首階固有頻率遭遇，也就是螺旋槳和主機(jī)激勵(lì)不會(huì)與上層建筑縱向整體首階發(fā)生共振。圖5為主船體和上層建筑固有頻率與主機(jī)和螺旋槳主要激勵(lì)頻率遭遇示意圖。

圖5 主船體和上層建筑固有頻率以及主機(jī)和螺旋槳主要激勵(lì)頻率遭遇示意圖

實(shí)船振動(dòng)測(cè)量表明，在主機(jī)工作范圍內(nèi)，船體總體和上層建筑整體都沒(méi)有出現(xiàn)明顯共振及較大的振動(dòng)，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型從振動(dòng)控制角度合理。

3 結(jié)構(gòu)有限元振動(dòng)分析與減振設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)階段船體結(jié)構(gòu)控制特點(diǎn)，針對(duì)船舶機(jī)艙各層平臺(tái)及上層建筑各層甲板，通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元方法計(jì)算出各個(gè)局部相應(yīng)振動(dòng)固有頻率。如果結(jié)構(gòu)固有頻率靠近某激勵(lì)頻率，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算出來(lái)的振型及結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，增加支柱或隔壁，這是最有效的方式；其次可增加橫梁或縱桁。增強(qiáng)邊界剛度以及增加甲板板厚則通常不可采用。

結(jié)構(gòu)有限元分析的模型化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大。針對(duì)計(jì)算局部低階固有振動(dòng)模態(tài)，單元剖分尺度可以選擇橫梁或肋骨間距量級(jí)；板可以使用同時(shí)承受拉壓和彎曲的殼單元；橫梁及小的骨材可以使用梁?jiǎn)卧?；?duì)于大的強(qiáng)力構(gòu)件，腹板和面板分別用殼單元剖分更為合理。邊界條件是可以通過(guò)延伸來(lái)彌補(bǔ)邊界簡(jiǎn)化的誤差。結(jié)構(gòu)集中質(zhì)量不僅要考慮質(zhì)量大小，還需要考慮質(zhì)量的重心位置，質(zhì)量大小和位置都應(yīng)通過(guò)質(zhì)量單元來(lái)模擬。

基于結(jié)構(gòu)有限元技術(shù)，對(duì)82 000 t散貨船機(jī)艙各平臺(tái)及上層建筑各層甲板進(jìn)行固有頻率計(jì)算，對(duì)可能發(fā)生共振的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。實(shí)船航行振動(dòng)測(cè)量結(jié)果表明，機(jī)艙及上層建筑工作和生活區(qū)都沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)衡準(zhǔn)不能接受的有害振動(dòng)，局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)計(jì)效果。

4 航行振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)

考慮到設(shè)計(jì)主機(jī)采用W?rtsil? 5RT-flax58T-D，主機(jī)激勵(lì)相對(duì)較大，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)振動(dòng)分析采取了相應(yīng)措施。此外，為了分析主船體是否發(fā)生共振，以及重點(diǎn)局部區(qū)域振動(dòng)是否滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)考核設(shè)計(jì)中所采取措施的效果，在實(shí)船試航過(guò)程中，在尾端點(diǎn)對(duì)32個(gè)不同主機(jī)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析，對(duì)船體的總體振動(dòng)特征點(diǎn)以及重要艙室局部振動(dòng)特征點(diǎn)也進(jìn)行了測(cè)量，并結(jié)合 GB/T 7452-2007（ISO 6954∶2000）對(duì)振動(dòng)量級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6是隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化尾端點(diǎn)響應(yīng)中主機(jī)2階相應(yīng)垂向振動(dòng)分量測(cè)量結(jié)果。

圖6 隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化尾端點(diǎn)主機(jī)2階相應(yīng)垂向振動(dòng)分量分布

結(jié)合圖5，發(fā)現(xiàn)軸頻激勵(lì)與船體垂向2階在85 r/min附近時(shí)，可能會(huì)發(fā)生共振，主機(jī)2階垂向不平衡力矩在70 r/min附近，也可能發(fā)生共振。從測(cè)量結(jié)果分析，軸頻激勵(lì)在整個(gè)測(cè)量主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍都非常?。ǎ?.5 mm/s），說(shuō)明主機(jī)和螺旋槳軸頻激勵(lì)量級(jí)非常小。主機(jī)2階激勵(lì)在69 r/min有個(gè)共振峰，對(duì)應(yīng)響應(yīng)為0.791 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T 7452-2007的要求，其峰值頻率與預(yù)報(bào)的垂向3階固有頻率非常吻合。

螺旋槳葉頻和倍葉頻在主機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正如預(yù)報(bào)結(jié)果，沒(méi)有出現(xiàn)明顯船體整體共振跡象。

主機(jī)CSR轉(zhuǎn)速（88 r/min）下，上層建筑頂部縱向振動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖7。響應(yīng)頻譜中最大峰值為7.25 Hz，對(duì)應(yīng)振動(dòng)速度為0.948 mm/s，也遠(yuǎn)小于GB/T 7452-2007要求。

圖7 主機(jī)CSR下上層建筑頂部縱向振動(dòng)響應(yīng)頻譜

船舶典型艙室振動(dòng)量級(jí)，按照GB/T 7452-2007規(guī)定，1～80 Hz加權(quán)有效值測(cè)量結(jié)果如表2所示，所測(cè)船上工作區(qū)域和生活區(qū)域振動(dòng)都在GB/T 7452-2007規(guī)定振動(dòng)輕微的上限內(nèi)。

表2 船舶工作區(qū)域和生活區(qū)域部分典型振動(dòng)測(cè)量結(jié)果（按GB/T7452-2007規(guī)定振動(dòng)有效值）

為了保證獲得正確的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量時(shí)船舶應(yīng)該處于正常的狀態(tài)和海域環(huán)境，測(cè)量?jī)x器應(yīng)該在國(guó)家法定機(jī)構(gòu)標(biāo)定有效期內(nèi)。除了針對(duì)GB/T 7452-2007衡量的測(cè)量數(shù)據(jù)，并按GB/T 7452-2007規(guī)定的加權(quán)方式得到的有效值，其他任何方式都是不能接受。

5 結(jié) 論

由于振動(dòng)涉及人員的舒適性、設(shè)備的可靠性及結(jié)構(gòu)的安全性，所以設(shè)計(jì)建造過(guò)程中防止有害振動(dòng)非常重要的，有害振動(dòng)控制應(yīng)該是一項(xiàng)貫穿設(shè)計(jì)建造全過(guò)程的工作。本文僅是從結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面考慮，衡量也僅限制在GB/T 7452-2007規(guī)定的生活區(qū)域與工作區(qū)域。通過(guò)這項(xiàng)工作可以得出以下結(jié)論：

（1）理論上，控制振動(dòng)可以從減小激勵(lì)量級(jí)、避免共振及增加阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)，在船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)上通常前兩者更現(xiàn)實(shí)：減小激勵(lì)量級(jí)，針對(duì)主機(jī)選擇振動(dòng)性能優(yōu)良的機(jī)型，或增加相應(yīng)的平衡補(bǔ)償器；針對(duì)螺旋槳考慮選用側(cè)斜螺旋槳，及追求最佳伴流的船體艉部去流段線型。由于船體結(jié)構(gòu)總體和局部振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的難度，選擇避免共振來(lái)減低有害振動(dòng)出現(xiàn)概率是目前可能的一種手段。

（2）在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)參數(shù)（尤其主機(jī)與螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)）確定，要充分考慮盡可能避免與船舶總體及上層建筑整體低階固有頻率遭遇，由于整體特征具有統(tǒng)計(jì)特性，基于經(jīng)驗(yàn)方法近似預(yù)報(bào)可以達(dá)到很好的效果。本文的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)船測(cè)量吻合得很好，沒(méi)有出現(xiàn)船體總體和上層建筑整體共振，方案階段振動(dòng)控制達(dá)到預(yù)期效果。

（3）在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮避免與船上主要激勵(lì)共振，尤其艉部（包括機(jī)艙和上層建筑）的工作與生活區(qū)域甲板。本文通過(guò)局部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，對(duì)有危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，實(shí)船試航測(cè)量結(jié)果表明，工作和生活區(qū)域振動(dòng)都滿足相應(yīng)衡準(zhǔn)要求。

（4）對(duì)于采用少缸柴油機(jī)的船舶，激勵(lì)主要體現(xiàn)在2階垂向不平衡力矩及機(jī)架橫向n（缸數(shù)）階傾覆力矩。在方案設(shè)計(jì)階段，主要是控制避免主機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)2階垂向不平衡力矩頻率與船體總體垂向固有頻率遭遇。增加2階不平衡補(bǔ)償器會(huì)在一定程度上減少總體振動(dòng)的量級(jí)，設(shè)計(jì)類似船舶時(shí)也可考慮加裝。不過(guò)，由于2階不平衡激勵(lì)頻率非常低，一般不會(huì)引起局部結(jié)構(gòu)共振，為了減少橫向傾覆力矩引起振動(dòng)，該船設(shè)計(jì)過(guò)程中在主機(jī)機(jī)架頂部設(shè)置4處橫向阻尼支撐，在提高了橫向剛度的同時(shí)，也吸收了一定程度的振動(dòng)能量。上層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意整體橫向剛度的加強(qiáng)，避免上層建筑整體橫向振動(dòng)而引起各層甲板垂向過(guò)大振動(dòng)。實(shí)船艙室振動(dòng)測(cè)量結(jié)果表明處理非常有效。

（5）為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)振動(dòng)控制的有效性，積累提高設(shè)計(jì)建造水平，測(cè)量時(shí)要考慮船舶整體、上層建筑整體及艙室局部；為了提供技術(shù)規(guī)格書(shū)中航行振動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)GB/T 7452-2007（ISO 6954∶2000）測(cè)量及評(píng)價(jià)船上工作與生活區(qū)域振動(dòng)，不包含其他任何地方。

船體振動(dòng)設(shè)計(jì)既涉及理論又關(guān)系到測(cè)量。在船體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成振動(dòng)設(shè)計(jì)需要具備一定的結(jié)構(gòu)有限元知識(shí)和必要的振動(dòng)測(cè)量知識(shí)，這樣才能保證所設(shè)計(jì)的船舶既擁有優(yōu)良的振動(dòng)特性，也滿足相應(yīng)規(guī)范及公約的要求。

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