39000dwt散貨船總振動(dòng)分析

雷 坤

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在船舶設(shè)計(jì)階段，對船舶振動(dòng)性能的預(yù)報(bào)以及對船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的減振處理是一項(xiàng)重要工作。

引起船舶振動(dòng)的激振源主要是主機(jī)的二階不平衡力矩和螺旋槳引起的激振力。如果這些激振源的振動(dòng)頻率與船舶結(jié)構(gòu)的自振頻率接近，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、正常運(yùn)營和人員的舒適性帶來嚴(yán)重的影響。因此，在設(shè)計(jì)階段必須計(jì)算船舶總振動(dòng)的固有頻率和振型，選擇合適的主機(jī)型號和螺旋槳葉數(shù)，避免共振，降低振動(dòng)響應(yīng)。

目前預(yù)測船體總振動(dòng)主要分近似公式估算法和詳細(xì)計(jì)算法。估算法主要有型船比較法、希列克公式、托德公式、日本造船設(shè)計(jì)便覽推薦法和中國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法；詳細(xì)計(jì)算主要有能量法、遷移矩陣法和有限元法。遷移矩陣法和有限元法是當(dāng)前普遍采用的計(jì)算方法，相比有限元復(fù)雜的建模和大量的計(jì)算量，遷移矩陣法是一種相對有效而快速的船舶總振動(dòng)預(yù)報(bào)方法。NAPA性能計(jì)算軟件的發(fā)展和完善，使得設(shè)計(jì)人員在編制裝載工況的同時(shí)就可以分析工況對應(yīng)的總振動(dòng)情況。利用NAPA軟件的強(qiáng)大編程能力將船體三維建模、裝載工況與總振動(dòng)分析結(jié)合起來協(xié)同設(shè)計(jì)和分析。

1 遷移矩陣法

船體總振動(dòng)的振動(dòng)形式主要包括橫向彎曲振動(dòng)、縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等，通常船舶的橫向彎曲振動(dòng)是船體主要的振動(dòng)形式，因此主要研究船體的橫向彎曲振動(dòng)，由于船體可以在垂向和平行于水平面的兩個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，因此一般又把橫向彎曲振動(dòng)分為垂向和水平彎曲振動(dòng)。

遷移矩陣法是一種數(shù)值解法，應(yīng)用于船舶的遷移矩陣法以鐵木辛柯梁理論為基礎(chǔ)，將船體看成一根中空的細(xì)長變截面梁，通常將船體梁等分為20份，每段假設(shè)等截面且質(zhì)量均布，并建立微分方程[1]：

根據(jù)船舶兩端是自由的約束條件，可以求解出船舶的振動(dòng)頻率和振型。對于某個(gè)工況，應(yīng)用遷移矩陣法程序計(jì)算船舶的總振動(dòng)需要輸入以下數(shù)據(jù)[1]：船長、船寬、型深、艏吃水、艉吃水、各站實(shí)際水線半寬、各站實(shí)際吃水、各站實(shí)際水下半橫剖面面積、船體各段的分布重量、船體各站的剖面慣性矩、各站的剪切面積和剖面高度。由于需要輸入的數(shù)據(jù)量很大，通常選取幾個(gè)典型的工況（滿載和壓載）進(jìn)行計(jì)算[2～6]，NAPA軟件高效的可編程技術(shù)為總振動(dòng)分析提供了便利，進(jìn)行所有工況的總振動(dòng)分析花費(fèi)時(shí)間少得多，甚至裝載工況排完，即可馬上獲得該工況的總振動(dòng)結(jié)果。

2 NAPA總振動(dòng)分析工具箱

NAPA軟件是芬蘭NAPA公司開發(fā)的一款集船舶性能計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于一體的集成軟件，功能強(qiáng)大，運(yùn)算高效準(zhǔn)確，已被世界各主要船廠、設(shè)計(jì)公司和船級社所認(rèn)可和應(yīng)用。NAPA軟件系統(tǒng)具有豐富的軟件接口，可以和主流的有限元和水動(dòng)力軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有強(qiáng)大的編程功能，可以允許高級用戶在NAPA自身內(nèi)核的基礎(chǔ)上編制自己的程序和工具箱。

本文所述的工具箱充分利用了船舶NAPA模型數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員只需要輸入剖面特性數(shù)據(jù)即可進(jìn)行總振動(dòng)分析，工具箱會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)人員指定的考查工況對全船質(zhì)量進(jìn)行分布，產(chǎn)生20段梁的質(zhì)量模型數(shù)據(jù)，并根據(jù)輸入的剖面特性數(shù)據(jù)，自動(dòng)賦給每段船體梁，再自動(dòng)提取工況的吃水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算每段船體梁的附加水質(zhì)量，通過數(shù)值化的遷移矩陣算法計(jì)算出對應(yīng)工況的前4階垂向和水平彎曲振動(dòng)頻率和振型。圖1為工具箱的參數(shù)輸入界面。

設(shè)計(jì)人員需要輸入船體梁結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，工具箱默認(rèn)的模式是采用“梯形分布”法處理剖面特性參數(shù)，即船體舯部二分之一內(nèi)等于船中橫剖面質(zhì)量數(shù)據(jù)，兩端線性變化到中間數(shù)值的一半。 如果能夠提供每段剖面特性數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員只需要選擇按站輸入慣性矩和剪切面積，然后按圖2所示逐項(xiàng)填入數(shù)據(jù)即可。

圖1 總振動(dòng)工具箱界面

圖2 按站輸入界面

參數(shù)設(shè)置完畢后，需要挑選所要研究的裝載工況。如使用當(dāng)前常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)，即使選擇所有工況（約60個(gè)），計(jì)算時(shí)間也就10min左右。

3 39000dwt散貨船振動(dòng)分析結(jié)果

39000dwt大艙口散貨船是公司根據(jù)當(dāng)前“綠色造船”要求研發(fā)的一種具有低能耗、低碳排放量的新船型。為了獲得最佳能效指數(shù)，該船在型線、總布置和主機(jī)選取方面都做了充分挖掘。

該船中橫剖面的特性參數(shù)如下：

垂向慣性矩vE=97.3784m4；水平慣性矩hE=402.9514m4；垂向剪切面積vA=1.1526m2；水平剪切面積hA=1.4302m2。

該船選取的主機(jī)型號為：MAN S50ME-B9，二階不平衡力矩742.7kN·m，對應(yīng)轉(zhuǎn)速183.4r/min；一階不平衡力矩62.66kN·m，對應(yīng)轉(zhuǎn)速91.7r/min。

典型的振型圖選取了滿載出港的垂向三階振型圖，如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到的船體固有振動(dòng)頻率與主機(jī)不平衡力矩轉(zhuǎn)速圖譜如圖4和圖5所示。

圖3 滿載工況三階垂向振型

圖4 垂向振動(dòng)頻率圖譜

圖5 水平振動(dòng)頻率圖譜

由圖4可發(fā)現(xiàn)，主機(jī)的二階不平衡力矩對應(yīng)的頻率183.4r/min位于船體梁三階四節(jié)點(diǎn)的垂向振動(dòng)頻率帶中，主機(jī)處于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置附近，此時(shí)主機(jī)的激振力會(huì)導(dǎo)致較大振動(dòng)影響，而設(shè)計(jì)所限主機(jī)布置不可能改變。所能采取的措施，或者更換主機(jī)型號，或者增加外力平衡補(bǔ)償器，而該主機(jī)是在考慮了航速和能效指數(shù)等綜合因素選取的，因此不宜更換主機(jī)型號，最后決定在舵機(jī)艙增加平衡補(bǔ)償器來避免共振的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語

利用有效的遷移矩陣法，在廣泛使用的NAPA軟件內(nèi)核基礎(chǔ)上，研發(fā)了適用于散貨船的振動(dòng)性能預(yù)報(bào)工具箱。工具箱具有簡潔的輸入界面和豐富的圖形功能，運(yùn)行效率高，可對船體總振動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，用于船舶設(shè)計(jì)階段可以有效預(yù)報(bào)如主機(jī)不平衡力矩與船體主頻率共振的情況，便于及時(shí)做出應(yīng)對措施。

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