大型豪華游艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與控制

徐芹亮，趙玉紅，李仁鋒，李　磊，王　娜

（1.中集海洋工程研究院，山東　煙臺(tái)264670；2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東　煙臺(tái)264670）

大型豪華游艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與控制

徐芹亮1，趙玉紅2，李仁鋒1，李磊1，王娜1

（1.中集海洋工程研究院，山東煙臺(tái)264670；2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái)264670）

通過(guò)有限單元法對(duì)某大型豪華游艇進(jìn)行固有頻率及強(qiáng)迫振動(dòng)預(yù)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)上甲板左舷通往樓梯的走廊振動(dòng)速度的峰值超標(biāo)10%。經(jīng)過(guò)頻譜分析、局部結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，討論振動(dòng)的有效控制方法，通過(guò)修改局部結(jié)構(gòu)以改變其固有模態(tài)、避免共振的方法進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制，使得該區(qū)域的振動(dòng)情況得到有效控制，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。該研究為其他工程項(xiàng)目的振動(dòng)控制提供一定的參考。

振動(dòng)與波；游艇；局部模態(tài)；共振

對(duì)于船舶初始設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)上重點(diǎn)考慮的是其安全性能，包括整體強(qiáng)度分析、疲勞分析、水動(dòng)力性能分析、穩(wěn)性分析等相關(guān)分析工作，但隨著近些年對(duì)工人工作環(huán)境舒適性要求的提高，各國(guó)船級(jí)社（ABS，DNV等）、國(guó)際海事組織（INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZA-TION，IMO）等也對(duì)船舶的振動(dòng)噪聲水平提出了較高的要求。

船舶設(shè)計(jì)建造階段的噪聲與振動(dòng)預(yù)報(bào)分析，對(duì)于優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、聲學(xué)性能，為船員或乘客提供一個(gè)舒適的環(huán)境，具有重要的指導(dǎo)意義。

1　豪華游艇振動(dòng)建模

1.1游艇概況

該大型豪華游艇是國(guó)內(nèi)目前交付的最大的豪華游艇之一。該游艇將天馬行空般的創(chuàng)意和激情融入到個(gè)性化、藝術(shù)化的外觀，清晰明了的線條勾勒出神秘的現(xiàn)代感造型，體現(xiàn)頂級(jí)歐洲的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

室內(nèi)木質(zhì)裝飾采用獨(dú)特的創(chuàng)意和精湛的工藝，符合歐洲頂級(jí)的藝術(shù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。獨(dú)立的船員餐廳，休息和活動(dòng)區(qū)域，最大限度地減少對(duì)客戶的干擾，保護(hù)客戶隱私。配備皮劃艇，摩托艇和潛水裝備等娛樂(lè)設(shè)施，多維度考慮客戶的娛樂(lè)體驗(yàn)，更像是一艘生活?yuàn)蕵?lè)一體化的“航空母艦”。

圖1所示為90 m大型豪華游艇的模型圖。

圖1　豪華游艇模型

游艇的下船體（主甲板以下部分）為鋼質(zhì)板，上船體（主甲板以上部分）為鋁合金板材以減輕游艇總重量。該項(xiàng)目規(guī)格書(shū)對(duì)樓梯、走廊的振動(dòng)要求如下表1所示。

表1　振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求

該游艇項(xiàng)目的主要振動(dòng)源有2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、2臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)推進(jìn)器。

1.2游艇有限元模型建立

船舶的主要振動(dòng)源有兩類(lèi)，一類(lèi)是設(shè)備激勵(lì)，包括：柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器以及其他小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，這種激勵(lì)為可控因素，一般以中高頻為主；另一類(lèi)是環(huán)境激勵(lì)，如：波浪、風(fēng)、地震等，這類(lèi)激勵(lì)屬于不可控因素，一般為低頻激勵(lì)。

對(duì)于船舶振動(dòng)控制，傳統(tǒng)的工作流程主要有依據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算、物理模型校驗(yàn)和實(shí)船海試采集等主要環(huán)節(jié)，計(jì)算量巨大。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，為船舶振動(dòng)與噪聲控制提供了新的平臺(tái)，目前大多采用有限元數(shù)值仿真的方法模擬船舶振動(dòng)問(wèn)題。

準(zhǔn)確的分析結(jié)果需要精確的幾何模型，對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建立有限元模型時(shí)，精確的模型不僅大大增加建模工作量，而且還會(huì)增加對(duì)計(jì)算硬件和計(jì)算時(shí)間的要求。為了減少建模工作量及計(jì)算時(shí)所需存儲(chǔ)空間，往往要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化。

為了減少建模工作量、提高工作效率，在建立有限元模型時(shí)對(duì)游艇船體的部分曲面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維平板單元，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（如球扁鋼、T型材、L鋼等）以梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并忽略一些受載較小或影響甚微的區(qū)域，如小的肘板和一些不重要的結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋等。圖2是游艇的有限元模型。

圖2　豪華游艇有限元模型

板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分以四邊形單元為主，三角形單元為輔，共包含137 065個(gè)單元，其中四邊形單元（S4R）67 756個(gè)，三角形單元（S3）9 718個(gè)，梁?jiǎn)卧˙31）59 591個(gè)。

1.3材料屬性及質(zhì)量

在豪華游艇項(xiàng)目的分析過(guò)程中，所設(shè)置材料屬性如表2所示。

表2　材料屬性

整船結(jié)構(gòu)隨壓載的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)模態(tài)。因此，總體振動(dòng)分析時(shí)應(yīng)該選取合適的壓載工況進(jìn)行分析［3，4］。

表3　游艇航行工況質(zhì)量

其中，

1弦外附連水質(zhì)量采用流固耦合的方法進(jìn)行模擬，附連水體的尺寸為2LX2B（L：船體型長(zhǎng)，B為船體型寬）；

2對(duì)于結(jié)構(gòu)重量由于有限元模型的簡(jiǎn)化，與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量必然有差別，所以首先要通過(guò)調(diào)整模型的重量，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量相等；

3甲板敷料質(zhì)量通過(guò)調(diào)整甲板單元密度來(lái)模擬；舾裝和設(shè)備等按其質(zhì)心位置采用集中質(zhì)量單元模擬；

4液艙裝載按其水密邊界采用集中質(zhì)量單元模擬［4］。

另外，在進(jìn)行重量調(diào)整時(shí)，除了要考慮其大小，還要考慮其重心的位置及重量分布狀況。因?yàn)榧词箍傊亓亢椭匦谋３植蛔?，重量分布不同還是對(duì)船體固有頻率的影響較大［4，5］，且對(duì)于不同諧調(diào)振動(dòng)頻率的影響也不盡相同，因此在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)對(duì)重量分布予以足夠重視。

1.4載荷分析

有限元法分析時(shí)考慮的激勵(lì)載荷為主機(jī)的振動(dòng)、推進(jìn)器馬達(dá)振動(dòng)、推進(jìn)器安裝基座振動(dòng)以及推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)引起的表面力。圖3為主機(jī)振動(dòng)加速度值曲線。

從圖（3）頻譜特性可知，激勵(lì)在31.5 Hz處有一明顯的峰值，根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min可知，主機(jī)激振頻率Fme=（主機(jī)轉(zhuǎn)速/60）×N（N=1，2，???），N為汽缸數(shù)，那么Fme1=15 Hz，F(xiàn)me2=30 Hz。即主機(jī)的二倍轉(zhuǎn)速頻率為30 Hz，落在31.5 Hz的頻帶之內(nèi)。

表4所列為設(shè)備廠家提供的推進(jìn)器及其馬達(dá)的振動(dòng)情況，對(duì)于振動(dòng)分析來(lái)說(shuō)，倍頻程激勵(lì)數(shù)據(jù)不夠細(xì)致，難免會(huì)漏掉一些關(guān)鍵的頻率成分，但受數(shù)據(jù)來(lái)源所限，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步細(xì)化處理。

圖3　主機(jī)振動(dòng)加速度

表4　推進(jìn)器及其馬達(dá)激勵(lì)

2　游艇整體振動(dòng)分析

2.1整體模態(tài)

全船振動(dòng)模態(tài)分析［6］是用有限元法計(jì)算船體整體結(jié)構(gòu)固有頻率，并校核是否避開(kāi)主要激勵(lì)頻率。當(dāng)激振頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率比較接近時(shí)，還需要進(jìn)一步的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析。圖4、圖5分別給出了整體結(jié)構(gòu)垂向兩節(jié)點(diǎn)、三節(jié)點(diǎn)的固有頻率及振型。

圖4　垂向兩節(jié)點(diǎn)固有頻率（1.8 Hz）

圖5　垂向三節(jié)點(diǎn)固有頻率（3.6 Hz）

2.2強(qiáng)迫振動(dòng)分析

為提高計(jì)算速度，設(shè)置數(shù)據(jù)輸出范圍為5 Hz～100 Hz，等間隔輸出50個(gè)點(diǎn)。從輸出結(jié)果文件得到上甲板左舷走廊上某測(cè)點(diǎn)區(qū)域的振動(dòng)速度云圖（34.08 Hz時(shí)的振動(dòng)云圖，圖6）及振動(dòng)加速度幅值曲線（圖7）。該點(diǎn)的峰值可能存在共振現(xiàn)象，但需要取局部結(jié)構(gòu)，細(xì)化模型進(jìn)一步分析才能確定。

取局部甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率分析，1階振型結(jié)果如圖8所示，固有頻率為35.3 Hz，與主機(jī)的激振力有耦合共振的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6　走廊某測(cè)點(diǎn)區(qū)域振動(dòng)速度云圖

圖7　走廊某測(cè)點(diǎn)區(qū)域加速度幅值曲線

圖8　局部結(jié)構(gòu)固有模態(tài)分析

3　游艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制及控制結(jié)果

按照振動(dòng)的傳遞路線，控制振動(dòng)的方法有以下三種途徑：降低振動(dòng)源的振動(dòng)、改變振動(dòng)傳輸路徑或增加阻尼損耗、接受點(diǎn)振動(dòng)隔離。在船舶的建造階段，激勵(lì)源設(shè)備（主、輔機(jī)，推進(jìn)器等）已經(jīng)無(wú)法修改設(shè)計(jì)或更換型號(hào)。接受點(diǎn)的隔離可以修改局部結(jié)構(gòu)以改變其固有頻率，降低響應(yīng)值，對(duì)局部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種非常有效的措施，但是考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及空間的限制，修改方案也受條件限制。傳遞路徑的控制，尤其是控制激振力的傳遞方向，對(duì)于整個(gè)船體的振動(dòng)都有較大的影響，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大面積振動(dòng)超標(biāo)時(shí)宜采用該方法。

經(jīng)分析，項(xiàng)目所涉及的振動(dòng)問(wèn)題是局部結(jié)構(gòu)的共振問(wèn)題，需要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

因此確定方案：對(duì)該處甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以改變其固有頻率，避開(kāi)主機(jī)的激勵(lì)峰值頻率。表5列出了三種修改方案及其固有頻率結(jié)果。

經(jīng)過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)分析驗(yàn)證，方案3：增加T型材（型號(hào)：T 500×8+150×10）的效果較好，如圖9、圖10、圖11所示，結(jié)構(gòu)修改后的振動(dòng)速度值可以滿足規(guī)范要求。

表5　局部結(jié)構(gòu)固有頻率/Hz

圖9　局部結(jié)構(gòu)修改后的固有模態(tài)

圖10　結(jié)構(gòu)修改后的振動(dòng)速度云圖

圖11　結(jié)構(gòu)修改后的加速度幅值曲線

4　結(jié)　語(yǔ)

利用有限元技術(shù)對(duì)豪華游艇結(jié)構(gòu)總體振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析，完成該游艇的總體自由振動(dòng)以及在推進(jìn)器、主機(jī)激振力作用下的整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。

計(jì)算表明，該游艇的局部結(jié)構(gòu)存在振動(dòng)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)局部結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得到該區(qū)域的固有模態(tài)，證明該區(qū)域與主機(jī)激勵(lì)存在共振的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)修改局部結(jié)構(gòu)后，提升該區(qū)域的固有模態(tài)頻率值，有效避開(kāi)共振區(qū)間，降低了強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)速度值。該方法對(duì)在工程領(lǐng)域的前期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行振動(dòng)控制具有一定的實(shí)用價(jià)值。

VibrationAnalysis and Control for Luxury Yachts

XU Qin-liang1，ZHAO Yu-hong2，LI Ren-feng1，LILei1，WANGNa1
（1.CIMC Offshore Engineering Institute，Yantai 264670，Shandong China；2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.Ltd.，Yantai 264670，Shandong China）

Finite element analysis for forced vibration prediction for an 88 m-long luxury yacht performed was done.It was found that the peak vibration velocity of the lobby on the left side of the yacht exceeds 10%of the standard vibration limit.Through further frequency spectrum analysis，local modal analysis，the vibration control method of improving the local structure to avoid the resonance was proposed and realized.This vibration control method provides a reference for similar engineering projects.

vibration and wave；luxury yacht；local structure modal；resonance

U661.44

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.011

1006-1355（2015）05-0056-04

2014－09－24

徐芹亮（1980－），男，山東省泰安市人，碩士，主要研究方向：船舶及海洋工程振動(dòng)噪聲分析及控制研究。

Email:qinliang.xu@cimc-raffles.com