2 750 TEU集裝箱船局部振動評估

劉在良

(揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

2 750 TEU集裝箱船局部振動評估

劉在良

(揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

針對2 750 TEU集裝箱船，在船體總振動評估的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗公式及有限元法，對液艙及上層建筑的局部振動進(jìn)行詳細(xì)評估，并根據(jù)不同區(qū)域的計算結(jié)果采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

集裝箱船 局部振動 評估

1 引言

2 750 TEU集裝箱船屬于非常規(guī)集裝箱船，其船體結(jié)構(gòu)型式與其他同級別的集裝箱船體結(jié)構(gòu)型式有如下較大不同點(diǎn)：甲板室外形為變截面；內(nèi)部艙壁上下連續(xù)性較差；邊艙寬度相當(dāng)小；邊艙內(nèi)縱向抗扭箱高度與型深差距很大；機(jī)艙內(nèi)所有油柜有雙殼保護(hù)，以致機(jī)艙布置緊張；靠近螺旋槳區(qū)域布置了部分液艙等。以上這些特點(diǎn)導(dǎo)致其橫向剛度偏弱，橫向變形偏大，抗扭剛度偏弱。由于船體振動響應(yīng)的最大值一般位于上層建筑或甲板室頂部[1]，因此，有必要在船體總振動評估的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗公式及有限元法，對關(guān)鍵部位如液艙以及上層建筑的板格、加強(qiáng)筋及板架進(jìn)行較準(zhǔn)確的振動特性預(yù)報[2]。

2 主要激振頻率及附加質(zhì)量的選取

本船的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。該船采用了五葉螺旋槳，主機(jī)為七缸機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為108 r/min。

表1 2 750 TEU集裝箱船主要設(shè)計參數(shù)

2.1 主要激振頻率

2.1.1 螺旋槳激勵

主要通過空泡試驗或GL軟件計算。為安全起見，可均取較大值。該集裝箱船采用5葉槳，最大轉(zhuǎn)速(MCR)為108 r/min，因此，其葉頻激振頻率為9.0 Hz，倍葉頻激振頻率為18.0 Hz。

2.1.2 主機(jī)激勵

該集裝箱船采用MAN B&W 2沖程的7L70MC-C MK VIII主機(jī)。根據(jù)GL船級社的要求[3]，除了要考慮主機(jī)1階和2階不平衡力矩，還要考慮3階、4階、7階等由氣缸內(nèi)壓交變力引起的激振力矩。激勵頻率如表2所示。

2.1.3 激振頻率衡準(zhǔn)的確定

螺旋槳的振動影響范圍與槳直徑D及直徑倍數(shù)2D、3D為半徑形成的球形區(qū)域有關(guān)。圖1所示為2 750 TEU集裝箱船艉部激振力影響范圍示意圖。

表2 主機(jī)激振頻率

圖1 艉部局部振動示意圖

由圖1可知，激振力最高的1倍槳距內(nèi)，船上有一些液艙，而大部分液艙分布在2D～3D及3D以外。對于3D以外范圍的液艙，更多受主機(jī)激振力影響。而上層建筑都在3D以外的范圍。

局部振動評估結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量偏于安全，因此當(dāng)液艙同時落在兩個等級時，校核衡準(zhǔn)應(yīng)選取偏于危險的一個。比如圖1所示的第二燃油沉淀柜，同時屬于1D～2D和2D～3D兩個范圍內(nèi)，此艙的激振頻率設(shè)計衡準(zhǔn)應(yīng)滿足1D～2D。

另外，在圖1中FR56肋位以前的部分，槳和主機(jī)的激振影響都較小，結(jié)構(gòu)本身的頻率很容易滿足要求，故在本文的局部振動校核中不作考慮。

2.2 附加質(zhì)量的選取

船體的振動阻尼很難確定，尤其在設(shè)計階段，艙室內(nèi)的設(shè)備、舾裝、管線等結(jié)構(gòu)設(shè)備都不能確切給出。對于上層建筑甲板，只能用經(jīng)驗公式估算，盡量使其偏于保守。對于液艙，則假定液體裝載100%，并根據(jù)經(jīng)驗公式估算選取，同時還應(yīng)根據(jù)裝載液體的密度、裝載率、單面還是雙面接觸液體來進(jìn)行估算。2 750 TEU集裝箱船局部振動所用的阻尼如表3所示。

表3 附加質(zhì)量屬性

3 液艙局部振動計算

液艙距離槳葉近，液艙圍壁因共振產(chǎn)生的裂縫發(fā)生概率較高，且船體艉部連接船員主要活動區(qū)的甲板室，液艙產(chǎn)生的破壞將直接影響上層建筑。

3.1 液艙局部振動的計算方法

艉部液艙數(shù)目眾多，所裝載的液體種類多，所滿足的激振頻率衡準(zhǔn)也有較大差別。但對單獨(dú)一個液艙來講，由六個面組成，即艙底、艙頂、前壁、后壁、內(nèi)壁和外壁。為保證計算的全面性，應(yīng)對每個艙都給出一個結(jié)果，結(jié)果中包含該艙用途、六個面的定位以及需滿足的頻率衡準(zhǔn)。另外還應(yīng)有每個面上最危險的板格、加強(qiáng)筋描述等。如幾個液艙在縱向或橫向相連，兩個艙之間有一個公用艙壁，則可將這些艙的結(jié)果放在一組，便于查看。如本文液艙計算共分了六組，每組4～8個艙不等。

因該方法計算時要求為標(biāo)準(zhǔn)矩形，而艉部液艙線形變化大，非矩形板格很多，為了計算的快速和安全，將較長的一邊作為板格計算長度，按照矩形板格計算。液艙加強(qiáng)筋兩端均有肘板，肘板的大小影響取局部振動計算的邊界條件。若剛度系數(shù)取0～1，0為自由支持，1為剛性固定，則剛度系數(shù)的取值如圖2所示。

圖2 剛度系數(shù)的選取和骨材連接形式的關(guān)系

3.2 結(jié)構(gòu)型式改進(jìn)措施

當(dāng)板格的頻率不滿足要求時，可在板格的適當(dāng)位置加防屈曲加強(qiáng)筋。屈曲加強(qiáng)筋的尺寸不大，對船體重量貢獻(xiàn)很小，卻能有效分割板格，將原來的大板格分成2～3個小板格。

當(dāng)加強(qiáng)筋的振動頻率不滿足要求時，有兩種有效的改進(jìn)方法：①加大肘板尺寸，從而增加邊界剛性，提高振動頻率；②對于和設(shè)計頻率相差較遠(yuǎn)的骨材，考慮更換剖面模數(shù)更大的型材。

另外，也可以通過加大肘板尺寸，提高剛度系數(shù)，達(dá)到提高振動頻率的目的。

4 上層建筑局部振動計算

上層建筑是船員的主要活動區(qū)，其振動問題直接關(guān)系到船舶的舒適性。2 750 TEU集裝箱船的上層建筑主要集中布置在艉部，該區(qū)域受主機(jī)和螺旋槳兩大船體主要振源的影響，其振動尤其值得關(guān)注。上層建筑的激振頻率衡準(zhǔn)基本在3倍槳距以外，但是附加質(zhì)量的選取比較復(fù)雜，因此本文的計算選擇較大的附加質(zhì)量，以增加安全性。

4.1 分類計算方法

對上層建筑來說，板格和加強(qiáng)筋的振動容易達(dá)到要求。人居住在上層建筑里，能直接感覺到板架的振動?？赏ㄟ^甲板分類對板架進(jìn)行計算，取每層甲板最危險的區(qū)域進(jìn)行校核，板架局部振動計算的范圍以艙壁或支柱劃分。

4.2 估算的局限性

2 750 TEU集裝箱船局部振動計算包括整個甲板室結(jié)構(gòu)以及機(jī)艙、艉部的板格、筋、板架。板架局部振動計算的范圍以艙壁或支柱劃分。對于形狀特殊的板架，由于不滿足解析法要求的假定條件，且交叉梁系較為復(fù)雜，只能建立局部有限元模型來分析其振動特性。

圖3和圖4分別為甲板板架和舷側(cè)板架的局部有限元模型及其計算結(jié)果，用梁單元模擬板架，用質(zhì)量單元模擬附加質(zhì)量，邊界在艙壁和支柱位置為剛性固定，其他邊界為自由支持。其中，對于羅經(jīng)甲板板架，除結(jié)構(gòu)自重以外，還須考慮附加質(zhì)量的影響；對于舷側(cè)板架，還須考慮附連水質(zhì)量的影響。

4.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

當(dāng)上層建筑的頻率不滿足要求時，我們采用了以下幾種方法來改善其振動性能：① 增加支柱，通過減小板架范圍達(dá)到增加振動頻率的目的；② 適當(dāng)布置主要構(gòu)件(強(qiáng)梁、縱桁)，縮小重要構(gòu)件間距；③ 在重量允許的情況下，適當(dāng)增加板厚。上層建筑的加強(qiáng)筋和液艙內(nèi)加強(qiáng)筋不同，上層建筑里的骨材邊界較軟，肘板和骨材振形相同，加大肘板尺寸并不能改善邊界條件，改進(jìn)加強(qiáng)筋的振動只能從增加骨材剖面模數(shù)和減少骨材跨距入手。

5 結(jié)論

針對2 750 TEU集裝箱船較為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，本文通過有限元和經(jīng)驗公式法對該船的船體艉部液艙和上層建筑的局部振動進(jìn)行分析，針對不同區(qū)域未滿足要求的結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

本文的計算涵蓋了艉部所有液艙和上層建筑的

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全部甲板，從而充分保證了該集裝箱船的舒適性和良好的振動性能。同時希望本文采用的計算方法和加強(qiáng)措施可供其他船舶設(shè)計參考借鑒。

圖3 2 750 TEU集裝箱船羅經(jīng)甲板板架局部振動計算

圖4 2 750 TEU集裝箱船舷側(cè)板架局部振動計算

[1] 顧永寧，鮑瑩斌.船體振動響應(yīng)預(yù)報[J].船舶工程,1998，5：8-10.

[2] MARIC. Local Vibration Analysis of 2 750 TEU Container Vessel[M]. 2006.

Local Vibration Research on 2 750 TEU Container Ship

LIU Zai-liang

(Yangfan Group Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316100, China)

Based on global vibration evaluation of 2 750 TEU container ship,the empirical formula and finite element method were used to evaluate the local vibration of liquid tank and superstructure detailedly,and the corresponding improvement measures were carried out according the result of different region.

Container ship Local vibration Evaluation

劉在良(1976-)，男，高級工程師。

U662

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