某耙吸挖泥船上層建筑整體振動(dòng)分析

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

某艉機(jī)型耙吸挖泥船，其推進(jìn)方式為雙機(jī)、雙導(dǎo)管調(diào)距槳、全電力推進(jìn)。機(jī)艙、推進(jìn)電機(jī)艙、居住艙室、駕駛室設(shè)置在艉部，泵艙及其他機(jī)艙設(shè)置在艏部。對(duì)于艉機(jī)型船舶來說，上層建筑的位置接近船舶兩個(gè)主要激勵(lì)源——螺旋槳和主發(fā)電機(jī)，因而經(jīng)常受到較大的激振力，直接影響船員的工作、生活，以及船上精密設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。主柴油發(fā)電機(jī)激勵(lì)頻率為50 Hz，艉部螺旋槳激勵(lì)頻率為10 Hz。在設(shè)計(jì)規(guī)格書中，船東提出本船的振動(dòng)和噪聲應(yīng)滿足最新的CCS規(guī)范及船標(biāo)的要求，尤其針對(duì)上層建筑生活區(qū)和工作區(qū)的舒適性要求更高。在方案設(shè)計(jì)階段采用有限元法對(duì)上層建筑整體振動(dòng)進(jìn)行分析預(yù)報(bào)時(shí)發(fā)現(xiàn)：其固有頻率未能與本船激勵(lì)頻率錯(cuò)開。在控制上層建筑總質(zhì)量的前提下，為了能以最小增重獲得最大固有頻率提升來達(dá)到有效錯(cuò)開激勵(lì)頻率的目的，采用對(duì)諸多優(yōu)化方案進(jìn)行綜合分析和比較的方式確定適合本船布置的最終方案。

1 計(jì)算模型

本船上層建筑整體振動(dòng)計(jì)算采用三維有限元法，借助軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN。以骨材間距為單元間距，殼體單元用來模擬甲板、外板及縱橫艙壁等板結(jié)構(gòu)，梁?jiǎn)卧M強(qiáng)橫梁、縱桁及加強(qiáng)筋等。上層建筑舾裝及內(nèi)裝等質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)形式施加于指定的位置。上層建筑整體振動(dòng)固有頻率應(yīng)以全船有限元模型為基礎(chǔ)[1-2]，對(duì)不同載況進(jìn)行準(zhǔn)確模擬而得到，但本船受限于設(shè)計(jì)周期等方面的原因采用了局部有限元模型。

模型范圍包含了整個(gè)船體艉部分段的上層建筑，模型在機(jī)艙前端壁處按照簡(jiǎn)支處理[3]，準(zhǔn)確模擬艉部分段裝載，同時(shí)考慮附加水質(zhì)量對(duì)上層建筑整體固有頻率的影響。由于煙囪分段與上層建筑底部相連，考慮其對(duì)底部支撐剛度的影響，有限元模型中應(yīng)包含整個(gè)煙囪分段。總體布置示意見圖1，初始方案有限元模型見圖2。

2 初始方案

在初始方案中，本船甲板室(不含煙囪分段)長(zhǎng)度13.3 m，寬度16.4 m，高度15.7 m ，5層。甲板室底部位于艉部區(qū)域泥艙甲板之上，距離基線13.2 m。上層建筑各層甲板均采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部無連續(xù)縱壁，且前端壁未與主船體橫艙壁對(duì)齊。上層建筑布置特點(diǎn)及與主體分段連接形式導(dǎo)致整體剪切剛度和甲板支撐剛度偏弱。

一般來說，上層建筑整體振動(dòng)固有頻率主要考慮避開螺旋槳葉頻[4]，從表1計(jì)算結(jié)果來看，上層建筑一階縱向和一階橫向固有頻率與螺旋槳葉頻非常接近；為了避免共振，上層建筑固有頻率相對(duì)激勵(lì)頻率至少應(yīng)有10%～15%的頻率儲(chǔ)備[5]。

表1 初始方案上層建筑整體振動(dòng)一階固有頻率

圖1 某耙吸挖泥船總體布置示意

圖2 初始方案有限元模型

3 基于設(shè)計(jì)考慮的不同優(yōu)化方案

上層建筑縱向振動(dòng)主要是由上層建筑剪切彎曲振動(dòng)和主船體作為彈性支座產(chǎn)生的振動(dòng)這兩部分組成的，前者主要是由上層建筑整體的剪切和彎曲剛度決定的，后者受上層建筑的基礎(chǔ)剛度影響比較大[6]。

以提高上建整體的剪切彎曲剛度及基礎(chǔ)剛度作為出發(fā)點(diǎn)提出優(yōu)化上層建筑結(jié)構(gòu)的6種方案，見表2。

表2 優(yōu)化方案

圖3 方案1示意

圖4 方案2平面示意

圖5 方案2中縱剖面示意

圖6 方案3有限元模型示意

圖7 方案4平面示意

圖8 方案5平面示意

圖9 方案5中縱剖面示意

4 不同優(yōu)化方案對(duì)比

不同方案引起的上層建筑一階縱向和橫向固有頻率變化、相對(duì)初始方案固有頻率提升比及質(zhì)量的調(diào)整匯總于表3。

表3 方案對(duì)比

4.1 方案說明

方案1是通過加大桁材尺寸來增加上層建筑在主船體甲板支撐剛度。

方案2是通過增加上層建筑的基礎(chǔ)剛度來提高上層建筑縱向固有頻率。雖然縱向固有頻率提升明顯，但是增加質(zhì)多，需要評(píng)估方案對(duì)空船質(zhì)量的影響，同時(shí)方案對(duì)于室外布置改動(dòng)很大，還要具體結(jié)合挖泥船作業(yè)要求和總布置的特點(diǎn)來評(píng)估方案的可行性。

方案3對(duì)于縱向固有頻率提升非常明顯，而且增加重量少，缺點(diǎn)是室外設(shè)置斜撐影響了本船外形的美觀，不滿足布置方面的要求。因此,在最終方案2中采用了上層建筑整體加長(zhǎng)的等效替代方案，其優(yōu)勢(shì)在于增加了上層建筑基礎(chǔ)剛度的同時(shí)，原前端壁下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由FR39的T型材，變成了FR42的艙壁，甲板支撐剛度大幅增加。

方案4是調(diào)整原始方案艙室內(nèi)部布置，保證結(jié)構(gòu)艙壁在縱向和垂向連續(xù)性，其出發(fā)點(diǎn)是為了提高上層建筑整體的剪切剛度。從表2可以看出：方案對(duì)整體縱向固有頻率的提升比較明顯，而且沒有增加質(zhì)量。方案雖然對(duì)于艙室布置來說變動(dòng)很大，但總體上還是具備可行性的，接下來的工作主要是根據(jù)連續(xù)縱壁的位置來協(xié)調(diào)與風(fēng)管、電纜、水管相關(guān)各專業(yè)的設(shè)計(jì)和布置。

鑒于本船上層建筑很高，可近似將其簡(jiǎn)化為懸臂梁。方案5，通過一小段甲板板將煙囪分段和上層建筑連接起來相當(dāng)于在懸臂梁自由端附近增加了一個(gè)約束，邊界條件由完全自由變成了簡(jiǎn)支，梁的剛度增加，固有頻率也隨之增加[7-8]，有限元計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

方案6,通過降低上層建筑高度提高上層建筑的基礎(chǔ)剛度，上層建筑整體高度下降改變了上層建筑的質(zhì)量和質(zhì)心位置，一般減輕質(zhì)量和降低質(zhì)心都會(huì)增加上層建筑的基礎(chǔ)剛度[9]。

4.2 方案對(duì)比

1)方案4,5都通過較少重量的增加獲得了縱向固有頻率較大幅度提升的效果。方案4由于縱艙壁不連續(xù)，上層建筑整體的初始剪切剛度比較弱，方案5上層建筑端部支撐剛度比較小。通過提高與上層建筑縱向固有頻率相關(guān)且初始剛度較弱區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)提升縱向固有頻率十分有效。方案1通過增加甲板支撐剛度的方式提高縱向固有頻率，其出發(fā)點(diǎn)完全正確但是效果并不明顯。主要原因在于初始方案中縱向外圍壁在主船體甲板處已經(jīng)做了下加強(qiáng)；優(yōu)化方案只是簡(jiǎn)單地加大了下加強(qiáng)的構(gòu)件尺寸(圖3)，相對(duì)原始方案來說剛度變化不大，因此，固有頻率提升就相對(duì)有限；這也從反面證明了上面結(jié)論的正確性。綜上所述，提升上層建筑縱向固有頻率的關(guān)鍵在于大幅提高與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)剛度。

2)方案6,降低上層建筑高度,縱向固有頻率提升明顯。目前還不能夠通過公式來準(zhǔn)確描述二者之間的關(guān)系，不過后續(xù)研究工作可考慮圍繞相關(guān)船型，采用有限元法計(jì)算不同高度上層建筑下降比對(duì)應(yīng)的縱向固有頻率提升比，采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法求得二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

5 最終方案

在以上優(yōu)化方案中，由于上層建筑整體固有頻率無法滿足足夠的頻率儲(chǔ)備，在滿足總布置的前提下結(jié)合船型結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，以之前優(yōu)化方案為基礎(chǔ)提出最終方案。

1)上層建筑內(nèi)左右舷各增加一道縱艙壁，垂向范圍由A甲板至C甲板并且縱向保持連續(xù)，見圖10。

2)上層建筑縱向加長(zhǎng)3檔，前端壁由FR39移到FR42對(duì)齊主船體橫艙壁，見圖10。

3)上層建筑高度由15.7 m降至14.2 m，見圖11。

最終方案的上層建筑整體振動(dòng)固有頻率見表4，有限元模型見圖12，一階振型見圖13。

圖10 最終方案甲板平面示意

圖11 方案修改前后上層建筑高度對(duì)比

圖12 最終方案有限元模型

圖13 最終方案一階振型

表4 最終方案上層建筑一階固有頻率

由表4可見，最終方案中的上層建筑一階縱向、一階橫向固有頻率都達(dá)到了足夠的頻率儲(chǔ)備；說明基于各優(yōu)化方案分析確定的最終方案對(duì)于提升上層建筑整體振動(dòng)的固有頻率是十分有效的。