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      15萬t油船SCR結(jié)構(gòu)平臺(tái)振動(dòng)分析及改進(jìn)策略

      2021-02-10 11:23:26孫澤仁
      江蘇船舶 2021年6期
      關(guān)鍵詞:機(jī)艙固有頻率計(jì)算結(jié)果

      孫澤仁,周 宏

      (江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

      0 引言

      船舶航行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因各不相同,振動(dòng)響應(yīng)的范圍和程度也有所不同。依據(jù)振動(dòng)響應(yīng)的范圍大小,振動(dòng)可分為總體振動(dòng)和局部振動(dòng)。若引起振動(dòng)的激勵(lì)載荷足夠大,如主機(jī)不平衡載荷,其可能引發(fā)船舶結(jié)構(gòu)的總體振動(dòng),此時(shí)船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)頻率和激勵(lì)頻率一致,表現(xiàn)為船體梁大范圍的同頻振動(dòng);若激勵(lì)載荷較小,如柴油主發(fā)電機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)載荷,其僅會(huì)引發(fā)附近相連結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)??傮w振動(dòng)和局部振動(dòng)都有可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)響應(yīng),如不加以控制,不僅不利于船員身心健康,還會(huì)引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞性破壞或機(jī)械設(shè)備的故障,影響船舶正常運(yùn)營(yíng)。因此,有效控制船上振動(dòng)是保證船舶的居住性、安全性和功能性的重要措施[1]。

      在實(shí)際的船舶振動(dòng)控制中,振動(dòng)控制有2種思路:①避免共振,使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有頻率與激振頻率錯(cuò)開一定范圍,一般為15%~20%,即在限制頻率帶范圍以外,一般增加結(jié)構(gòu)的剛度使得其最低固有頻率大于限制頻率帶的上限;②在無法避免共振的情況下,可改善剛度設(shè)計(jì),如強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)齊等。第1種振動(dòng)控制思路一般適合于局部振動(dòng)控制,在船舶總體振動(dòng)控制中多采用第2種振動(dòng)控制思路。若可行,2種思路同時(shí)采用,效果更佳。

      本文以某15萬t油船的SCR結(jié)構(gòu)平臺(tái)為研究對(duì)象,首先根據(jù)綜合反饋信息進(jìn)行定性判斷,初步確定引起其明顯振動(dòng)的原因;其次利用有限元方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證,以提高該區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)的最低固有頻率為原則,設(shè)計(jì)振動(dòng)改進(jìn)方案;最后通過同型姐妹船實(shí)船試航測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證前期分析的可靠性和振動(dòng)改善方案的有效性,為后續(xù)船舶結(jié)構(gòu)持續(xù)振動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支撐。

      1 船舶概況

      1.1 船舶主要尺度和參數(shù)

      某15萬t油船主要參數(shù)如下:

      總長(zhǎng)274.30 m,垂線間長(zhǎng)269.90 m,型寬48.00 m,型深23.20 m,結(jié)構(gòu)吃水17.15 m,載重噸156 000 t,服務(wù)航速14.5 kn。該船配備1臺(tái)MAN B&W 6G70ME-C9.5主機(jī),最大持續(xù)功率(MCR)和轉(zhuǎn)速為15 100 kW×72.0 r/min,正常持續(xù)功率(NCR)和轉(zhuǎn)速為11 476 kW×65.7 r/min;配備1只4葉固定螺距槳。

      1.2 案例背景

      該油船為已交付船東的首制船,第2艘姐妹船正在塢內(nèi)搭載,機(jī)艙分段吊裝已結(jié)束。該船所選用的主機(jī)高壓SCR脫NOx裝置,與其他相同船比體積略大,因此設(shè)計(jì)時(shí)在機(jī)艙開口延伸局部結(jié)構(gòu)平臺(tái)用于布置該發(fā)生器,見圖1。營(yíng)運(yùn)船反饋:主機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min且SCR工作下,壓載吃水工況時(shí),平臺(tái)結(jié)構(gòu)和主機(jī)排氣管有明顯的振動(dòng);超過或低于該轉(zhuǎn)速時(shí),SCR平臺(tái)振動(dòng)現(xiàn)象不明顯。

      2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)原因定性分析和數(shù)值驗(yàn)證

      2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)原因定性分析

      (1)SCR工作時(shí),主機(jī)廢氣排放產(chǎn)生的載荷對(duì)支撐平臺(tái)的強(qiáng)度問題已在原設(shè)計(jì)中得到解決,并通過了船東和船級(jí)社審核,所以可以排除動(dòng)載荷引起的因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠的大變形問題。

      (2)在原橫撐平臺(tái)設(shè)計(jì)中按要求考慮了主機(jī)機(jī)架通過橫撐引起的振動(dòng),并且橫撐平臺(tái)與SCR平臺(tái)不在同一位置,因此排除由主機(jī)機(jī)架引起的SCR平臺(tái)明顯振動(dòng)問題。

      (3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),SCR結(jié)構(gòu)平臺(tái)的最低固有頻率一般為5~8 Hz左右,同時(shí)經(jīng)過SCR管道的廢氣排放頻率和主機(jī)的工作頻率一致且主機(jī)為6缸機(jī),因此廢氣排放頻率在主機(jī)60 r/min時(shí)為6 Hz,落在限制頻率帶范圍內(nèi)。

      綜上,在主機(jī)60 r/min時(shí),經(jīng)SCR管道的廢氣排放頻率和SCR結(jié)構(gòu)平臺(tái)的最低固有頻率耦合發(fā)生共振是引起SCR平臺(tái)明顯振動(dòng)的主要原因。

      2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)有限元計(jì)算

      2.2.1 模型建立

      為驗(yàn)證定性分析的可靠性,采用通用有限元軟件MSC.Patran & Nastran的SQL103模塊對(duì)SCR平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,根據(jù)機(jī)艙結(jié)構(gòu)圖紙建立三維計(jì)算模型。

      模型范圍:機(jī)艙二甲板SCR位置的結(jié)構(gòu)位于縱向Fr.14~Fr.51、橫向左、右舷距中7 650 mm;局部的支承構(gòu)件如小肘板等不計(jì)入模型中,桁材、強(qiáng)梁的開孔忽略不計(jì)。

      單元:殼單元模擬甲板、縱桁板等強(qiáng)構(gòu)件;梁?jiǎn)卧M各種板結(jié)構(gòu)的縱骨、橫梁、支柱、桁架等桿件結(jié)構(gòu),以及強(qiáng)構(gòu)件的面板等;質(zhì)點(diǎn)單元模擬SCR反應(yīng)器和汽化器的重量。按實(shí)際構(gòu)件排布劃分單元,計(jì)算模型見圖2。

      圖2 原設(shè)計(jì)有限元計(jì)算模型

      2.2.2 邊界條件

      模型范圍選取在強(qiáng)構(gòu)件或艙壁位置處,同時(shí)根據(jù)實(shí)際位移轉(zhuǎn)角情況,邊界條件見表1。

      表1 邊界條件

      2.2.3 計(jì)算結(jié)果

      經(jīng)計(jì)算,原設(shè)計(jì)SCR平臺(tái)一階固有頻率f約為5.15 Hz,見圖3。此頻率落在主機(jī)SCR排氣激勵(lì)頻率(主機(jī)轉(zhuǎn)速60 r/min,f=6 Hz)的限制振動(dòng)帶范圍內(nèi),驗(yàn)證了前面的定性分析結(jié)果。

      圖3 原設(shè)計(jì)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

      2.2.4 振動(dòng)改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)和選擇

      后續(xù)的改進(jìn)方案應(yīng)以提高平臺(tái)剛度并避開主機(jī)MCR轉(zhuǎn)速時(shí)的共振限制頻率帶范圍(0~8.64 Hz)為原則,尤其以提高平臺(tái)右舷SCR反應(yīng)器范圍內(nèi)X向的抗轉(zhuǎn)角剛度為重點(diǎn),確定了3個(gè)振動(dòng)改進(jìn)方案。

      方案1:將汽化器處突出的平臺(tái)首、尾補(bǔ)全,并加大距中1 180 mm處的縱桁。

      方案2:在方案1的基礎(chǔ)上加大L04位置處的縱桁。

      方案3:在汽化器和排氣管安裝位置、平臺(tái)正面采用工字梁H350 mm×20 mm +350 mm×20 mm和H560 mm×20 mm +350 mm×20 mm組合成桁架結(jié)構(gòu),并將端部與右舷距中7 650 mm機(jī)艙甲板間立柱固定以增加橫向剛度,并在汽化器平臺(tái)處首、尾用工字鋼連接補(bǔ)強(qiáng)。

      方案1~方案3的計(jì)算結(jié)果見圖4~圖6,對(duì)比結(jié)果見表2。由于方案3能有效地提高SCR平臺(tái)X向的抗轉(zhuǎn)角剛度,并且能有效避開MCR主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的限制頻率帶(f=10.49 Hz > 8.64 Hz),結(jié)合已交付和在建姐妹船的現(xiàn)狀,機(jī)艙設(shè)備、管舾件和電纜等錯(cuò)綜復(fù)雜,且無法考慮重新布置平臺(tái)縱桁,在機(jī)艙平臺(tái)以下空間受限情況不可能做任何大的改動(dòng),因此選擇方案3作為最終的振動(dòng)改進(jìn)實(shí)施方案。

      圖4 方案1計(jì)算結(jié)果

      圖5 方案2計(jì)算結(jié)果

      圖6 方案3計(jì)算結(jié)果

      表2 不同振動(dòng)改善方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

      3 實(shí)船測(cè)試

      在姐妹船試航中對(duì)該平臺(tái)的改進(jìn)區(qū)域進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,風(fēng)速蒲福風(fēng)力4級(jí),水深58 m,結(jié)果見表3。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看,滿足ISO 6954—2000 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求,即C類工作區(qū)域的頻率計(jì)權(quán)方根值的限值為8.0 mm/s[2],振動(dòng)結(jié)果也滿足船員舒適性要求,同時(shí)也印證了前期分析、計(jì)算結(jié)果的有效性和可靠性。

      表3 SCR平臺(tái)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果

      4 結(jié)論

      (1)使用重大新設(shè)備或不同廠家設(shè)備前,要深入了解設(shè)備的原理及各參數(shù)要求。在考慮設(shè)備本身可能產(chǎn)生振動(dòng)的影響和振動(dòng)特性后,將設(shè)備合理布置在剛度大的結(jié)構(gòu)上,避免后期繁瑣的整改,影響船舶設(shè)計(jì)建造質(zhì)量。

      (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮布置和強(qiáng)度問題,還要考慮剛度問題,特別是有結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域,如SCR平臺(tái)、透氣桅桿、燈桅、雷達(dá)桅平臺(tái)或其他重要設(shè)備的基座區(qū)域等。通常可提高結(jié)構(gòu)剛度,設(shè)計(jì)使該區(qū)域的最低固有頻率在限制頻率帶范圍之外即可;若難以避免,可采用吸能減振措施或利用簡(jiǎn)化公式估算使其滿足振動(dòng)響應(yīng)規(guī)范要求。

      (3)由于振動(dòng)問題本身的復(fù)雜性,當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)問題時(shí)要采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的辦法,最終徹底有效地解決問題并積累可靠的經(jīng)驗(yàn)。

      (4)在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí),所有的振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。

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