某自卸沙船總振動預(yù)報與分析

歐禮堅　霍浩杰　徐海汐

摘 要：基于通用有限元分析軟件ANSYS，采用有限元法對某自卸沙船總振動進行了仿真計算和分析預(yù)報；將有限元法計算結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行比較。此外，將船體總振動固有頻率與主機及螺旋槳的固有頻率對比分析，其結(jié)果證實目標船總振動固有頻率儲備滿足《船上振動控制指南（2012）》要求。

關(guān)鍵詞：自卸沙船；總振動；有限元法

中圖分類號： U661.31； U661.313； 文獻標識碼 A

Abstract：By using the finite element analysis software ANSYS， the overall vibration of a self-unloading sand ship is simulated and analyzed and the calculation results are compared with the values calculated by empirical formula. After compared with the frequencies of the ship engine and propeller， the natural frequency of the self-unloading sand ship is proved to meet the requirements of the Guidelines for Shipboard Vibration Control （2012）.

Key words：Self-unloading sand ship； Overall vibration； Finite element method （FEM）

1 引言

船舶的舒適性日益受到關(guān)注，為了減少船舶振動對船員、機械設(shè)備及強度等造成影響，船舶振動越來越受到船東、船級社以及設(shè)計者的重視。船體屬于復(fù)雜的彈性結(jié)構(gòu)，其振動問題非常復(fù)雜。船體振動會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交變應(yīng)力，加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷；也會令船員或旅客舒適度下降；甚至?xí)?dǎo)致船上精密儀器失靈。中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012）[2]定義的自卸沙船，其結(jié)構(gòu)特點與其它船型有較大的區(qū)別，屬于較新穎的結(jié)構(gòu)布置。為了分析自卸沙船的固有振動特性，采用ANSYS分析軟件，利用有限元方法進行模態(tài)分析，對船體總振動頻率作出預(yù)報，避免與主要設(shè)備發(fā)生共振。

2 船體總振動有限元法模型的建立

2.1 有限元基本理論

有限元法將結(jié)構(gòu)離散成很多單元（如桿元、梁元、膜元及板元等），通過節(jié)點處連接而構(gòu)成計算模型；計算單元剛度矩陣，組裝成整個船體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；采用集中質(zhì)量法或一致質(zhì)量法計算質(zhì)量矩陣。在計算船體結(jié)構(gòu)固有振動頻率時，可不計阻尼影響，將船體梁振動問題離散化為多自由度系統(tǒng)的自由振動方程：

2.2 目標船主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

某自卸沙船總長96.40 m、 設(shè)計水線長88.673 m、 兩柱間長87.93 m、型寬18.20 m、型深5.60 m、設(shè)計吃水4.50 m、 肋距0.55 m。貨艙區(qū)采用雙舷、兩道縱艙壁、砂斗載貨甲板；內(nèi)舷與縱壁間設(shè)雙層底；機艙及首尾艙為單層底、單甲板；貨艙區(qū)為縱骨架式；首尾為橫骨架式。自卸沙船的典型橫剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

螺旋槳為MAU4-50型、直徑2.38 m、螺距比0.748、盤面比0.5、葉數(shù)4、后傾角12°、旋向為外旋、設(shè)計轉(zhuǎn)速為194.4 r/min；主機型號為KT38-M、額定功率為374 kW、額度轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、缸徑×行程為159 mm×159 mm；齒輪箱型號為HCT600A/1、減速比為8.23：1。

2.3 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

有限元幾何模型及有限元模型如圖2所示[3]。船體的外板、甲板、艙壁、尾封板等板材使用shell 181來模擬；肋骨、龍骨、桁材、橫梁等骨材使用beam 188來模擬；質(zhì)量使用質(zhì)量單元mass 21來模擬；網(wǎng)格劃分中設(shè)置梁單元、殼單元的單元長度為一個肋距，即550 mm。計算模型包括beam 188單元共43 909個，shell 181單元共54 062個，mass 21單元共59個。

2.4 附連水質(zhì)量的計算與加載

2.5 邊界條件

計算自由振動時不施加任何邊界條件，即進行自由模態(tài)計算。

3 船體梁總振動計算結(jié)果及評價

目標船在滿載、壓載工況下，垂向振動前3階、水平振動前2階總體振動固有頻率與主要設(shè)備激勵頻率（主機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，螺旋槳轉(zhuǎn)速為194.4 r/min）的儲備情況見表1；目標船在滿載、壓載工況下的垂向1階彎曲振動的振型圖分別見圖3、圖4。根據(jù)《船上振動控制指南（2012）》[1]經(jīng)驗公式的估算結(jié)果見表2。

4 結(jié)論

基于通用有限元分析軟件ANSYS，采用有限元法對某自卸沙船總振動進行了仿真計算和分析預(yù)報，結(jié)果表明，目標船總振動固有頻率儲備滿足《船上振動控制指南（2012）》要求。

有限元法計算結(jié)果與經(jīng)驗公式估算結(jié)果進行比較；兩者的結(jié)果比較接近。自卸沙船作為新船型，雖然其結(jié)構(gòu)特點與其它船型不同，但是經(jīng)驗公式估算方法也依然適用。

參考文獻

[1] 中國船級社.船上振動控制指南[S].人民交通出版社，2012.

[2] 中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S].人民交通出版社，2012.

[3] 熊志鑫.船體結(jié)構(gòu)有限元建模與分析[S].上海交通大學(xué)出版社，2014.endprint