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

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。