上層建筑局部振動分析與優(yōu)化設計

陶尼斯

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

海洋工程裝備制造業(yè)作為國家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，近些年來一直在朝著大型化方向發(fā)展，海工市場的競爭日趨加劇。目前很多船東都要求配備足夠多的技術人員在船上工作，因此生活和工作處所的舒適性成為了評判設計優(yōu)劣的重要技術指標。鑒于海工船型在總布置方面首要保證足夠大的甲板作業(yè)面積，因此生活艙室的設計只能在有限的布置框架下進行，這就大大提高了上層建筑結構振動設計的技術難度。本文所依托的海工項目，其上層建筑接近船舶兩個主要激勵源——螺旋槳和主柴油發(fā)電機，因而經(jīng)常受到較大的激振力，直接影響到了船員的工作、生活，導致局部振動問題十分突出。因此依托項目在設計初期就針對上層建筑甲板板架的振動問題進行了分析與優(yōu)化設計。

1 計算模型

本船上層建筑局部振動計算采用三維有限元法，借助大型商用軟件MSC/PATRAN ,MSC/NASTRAN 完成。

模型范圍：由于本船煙囪與上層建筑分段兩層甲板相連，考慮其對上建底部剛度的影響，模型包含整個煙囪分段和各層甲板結構。

模型單元：骨材間距為單元間距，殼體單元模擬甲板、外殼板及縱、橫艙壁等板結構；梁單元模擬縱向桁材或橫向強梁以及加強筋等；舾裝件、內(nèi)裝、電氣設備等的質(zhì)量以質(zhì)量點形式施加于模型上。

邊界條件：模型在主甲板處截斷，統(tǒng)一按照簡支處理。

圖1 上層建筑有限元模型示意圖

2 初始方案

上層建筑的甲板局部振動一般以縱向振動和垂向振動為主，影響局部振動級的主要因素有：上層建筑整體的縱向振動固有頻率與激勵頻率之比，上層建筑甲板的垂向振動固有頻率與激勵頻率之比以及船舶總振動的振級[1]。其中上層建筑整體振動的縱向固有頻率主要由整體剪切剛度、彎曲剛度和基礎剛度決定的，當上層建筑布置最終確定后，在此基礎上想要明顯提高縱向固有頻率是非常困難的[2]。因此結合依托項目的工程實際，控制上層建筑甲板局部振動級主要的思路在于如何采取措施有效提高甲板的固有頻率。在本項目中對上層建筑局部振動來說影響比較大的激勵源是螺旋槳和主柴油發(fā)電機：螺旋槳激勵頻率為10Hz，主柴油發(fā)電機激勵頻率為12.5Hz。

本船上層建筑共5層，整體位于尾樓甲板之上。上層建筑各層甲板均采用橫骨架式結構。每層甲板的結構剛度和質(zhì)量分布基本相似，取其中一層甲板作為研究對象來具體闡述甲板局部振動設計的流程。甲板平面示意圖參見圖2，典型板(架)振型圖見圖3～6，初始方案甲板局部振動有限元計算結果見表1。

圖2 典型甲板平面示意圖

圖3 板架1局部振型示意圖(33.42Hz)

圖4 加筋板2局部振型示意圖(9.09Hz)

圖5 加筋板5局部振型示意圖 (19.25Hz)

圖6 板架6局部振型示意圖(28.16Hz)

表1 有限元計算結果匯總

從表1可以看到板架2的固有頻率沒有避開螺旋槳激勵頻率，不滿足±10%的頻率儲備[3]，后續(xù)設計應當采取措施，避免局部結構發(fā)生共振。

3 優(yōu)化方案

鑒于依托項目的激勵頻率較低，比較合理的方案是通過結構設計提高局部結構的固有頻率，使其與激勵頻率不相重合并保證一定的頻率儲備[4]。本文針對上層建筑局部結構提出了三種優(yōu)化方案，通過研究并權衡各方案的優(yōu)劣來最終確定適合依托項目的結構設計。優(yōu)化方案參見表2，圖7～9，有限元計算結果參見表3。

表2 優(yōu)化方案

圖7 優(yōu)化方案1

圖8 優(yōu)化方案2

圖9 優(yōu)化方案3

表3 優(yōu)化方案有限元計算結果

方案1在圖中云線處局部增設支柱Φ133×10，從有限元計算結果來看，板架固有頻率的提升非常明顯，但設置支柱對艙室布置影響較大。方案2在圖中云線部分T型材腹板高度由7×300增至7×600，面板保持不變。但增加腹板高度會降低艙室的凈空高度，需結合甲板層間高及法規(guī)對凈高的要求來確定方案是否合適。方案3在圖中云線處增設T型材將原有結構分成四個大小相同的加筋板。由表格中所有計算結果可知：方案1和3均達到了固有頻率錯開激勵頻率的要求，方案3是以契合依托項目基本設計狀態(tài)為首要原則，通過增加最少結構重量達到局部結構剛度最大化的效果，從而使板架固有頻率獲得了大幅度提升。不同優(yōu)化方案甲板振型示意圖見圖10～12。

圖10 優(yōu)化方案方案1 (21.57Hz)

圖11 優(yōu)化方案2 (11.24Hz)

圖12 優(yōu)化方案3 (42.68Hz)

采用簡化的理論計算方法可對加筋板固有頻率進行計算，公式如下[5]：

(1)

(1)式中：s為骨材間距；l為骨材跨長；n為骨材數(shù)目；te為加筋板的等效板厚；I為計及有效帶板后的慣性矩。

甲板附加質(zhì)量對結構固有頻率的影響采用折減因子來表示：

(2)

考慮附加質(zhì)量后，結構固有頻率為：

fλ=λ·fHz

(3)

參考公式(1)，方案3通過增設T型材將加筋板2分成4個相同面積規(guī)格的小加筋板, 骨材跨長約為原來的一半，因此固有頻率得以大幅提升。通過理論公式(1)(2)(3)計算小加筋板的固有頻率，其中甲板附加質(zhì)量按照40kg/mm2來考慮并與有限元結果進行對比。

表4 簡化計算結果匯總

由表4可知：采用理論簡化方法，其計算值與實際值相比偏大；按照常規(guī)設計狀態(tài)考慮附加質(zhì)量取值，當遇到甲板局部質(zhì)量分布不均勻時采用理論簡化計算法誤差會偏大；此時比較穩(wěn)妥的措施是采用有限元法來進一步明確設計狀態(tài) 。一般來講簡化計算法只適合形狀規(guī)則且質(zhì)量分布均勻的甲板和板架的固有頻率計算，當其遇到質(zhì)量分布不均的情況，公式將無法準確模擬質(zhì)量分布，從而導致計算誤差偏大。采用理論簡化方法計算規(guī)則板架時，由于計算精度的原因，計算結果與激勵頻率錯開至少要達到15%以上[6]，才能確保結構振動設計的安全，否則需采取補救措施。

4 結 論

本文以依托項目為基礎，在設計初期通過對不同優(yōu)化方案甲板板架局部振動固有模態(tài)的分析可知：方案3局部增設T型材將加筋板分成小加筋板對板的固有頻率提升比最大，重量增加最少，布置影響最小。

希望本文在控制上層建筑甲板局部振動的結構設計中做出的嘗試能夠為類似的工程項目提供借鑒作用。