某鉆探船總體振動(dòng)固有特性研究

屠 艷，韋 琪，谷家揚(yáng)，劉為民

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶在航行過(guò)程中會(huì)受到各種外力的作用，如波浪力、風(fēng)力、船上各種設(shè)備工作產(chǎn)生的激振力等，這些外力的激振頻率若與船舶整體振動(dòng)的固有頻率相近或重疊均會(huì)導(dǎo)致船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的大幅度不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)破壞，因此在船舶設(shè)計(jì)初期需計(jì)算出其總體振動(dòng)固有頻率，根據(jù)船體總體振動(dòng)固有頻率去匹配船上大型設(shè)備的型號(hào)等，以避免共振情況的產(chǎn)生。

本文基于某鉆探船的相關(guān)結(jié)構(gòu)圖紙，應(yīng)用MSC.PATRAN軟件建立三維有限元模型，并對(duì)該船在滿載航行工況、壓載到港工況、鉆進(jìn)作業(yè)工況下的振動(dòng)固有特性進(jìn)行預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)船舶的上層建筑進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)和固有頻率儲(chǔ)備評(píng)估。

1 某鉆探船主要參數(shù)

某鉆探船是一艘適應(yīng)無(wú)限航區(qū)航行、可進(jìn)行某地質(zhì)資源及生物資源勘查、兼顧深海采礦裝備單體試驗(yàn)及海洋工程應(yīng)用的專用工程船。該船為全鋼質(zhì)焊接、流線型船體、球鼻艏、方艉、雙底雙殼、連續(xù)主甲板船型，艏部設(shè)生活樓、船載實(shí)驗(yàn)室、直升機(jī)起降平臺(tái)，以及2臺(tái)2 500 kW可伸縮槳和1臺(tái)3 000 kW艏側(cè)推；中部為鉆井作業(yè)區(qū)域；艉部為開敞作業(yè)甲板，設(shè)有3臺(tái)3 000 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。該船主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)168.5 m；水線長(zhǎng)160.0 m；型寬30.0 m；型深14.0 m；排水量27 800 t。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

本文通過(guò)有限元軟件MSC.PATRAN建立了某鉆探船全船三維有限元模型，見(jiàn)圖1。全船單元采用了二維板單元、一維桿單元及質(zhì)量單元，外板、甲板、大型型材腹板采用板單元建立，骨材、型材面板采用一維梁?jiǎn)卧?。質(zhì)量單元主要用來(lái)模擬艙室貨物及液體質(zhì)量。

圖1 某鉆探船三維有限元模型圖

2.2 空船重量調(diào)整

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙建立的全船有限元模型重量和空船重量有較大的差別，因?yàn)榭沾亓坎粌H包括船體結(jié)構(gòu)的重量，還包括設(shè)備重量、艙室內(nèi)裝等各類重量。由于整船的重量分布對(duì)振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，為了更加真實(shí)地模擬空船重量，首先將較大的設(shè)備重量從空船重量中扣除，得到一個(gè)除去重要設(shè)備后的新空船重量分布。然后將有限元模型和新的空船重量分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入Shipright軟件中，通過(guò)軟件自動(dòng)調(diào)平衡功能，在全船的節(jié)點(diǎn)上添加質(zhì)量點(diǎn)從而得到新的空船重量分布。最后將設(shè)備重量添加在模型中的實(shí)際位置處，從而得到目標(biāo)的空船重量分布。整個(gè)調(diào)整流程見(jiàn)圖2。

圖2 空船重量調(diào)整流程

通過(guò)建立MPC的方法，可將扣除的大型設(shè)備重量施加在若干強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，方便整體調(diào)整空船重量，使其更加接近實(shí)船的重量分布。調(diào)整后的有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)整后的有限元模型圖

該船空船重量包含結(jié)構(gòu)、舾裝、內(nèi)裝、輪機(jī)設(shè)備、輪機(jī)管系、電氣、空調(diào)冷藏和機(jī)械設(shè)備重量等，整個(gè)空船重量為18 600 t，有限元模型調(diào)整后的重量亦為18 600 t。裝載計(jì)算書和調(diào)整后有限元模型空船重量主要數(shù)據(jù)的對(duì)比情況見(jiàn)表1。從表1中可以看出：重心在船長(zhǎng)方向的誤差為船舶總長(zhǎng)的0.29%，重心在船寬方向的誤差為船寬的0.46%，重心在型深方向的誤差為船高的3%。根據(jù)《船上振動(dòng)控制指南》(2012)的要求：有限元模型的重量重心與穩(wěn)性資料的誤差應(yīng)在船舶總長(zhǎng)的0.5%以內(nèi)。本船有限元模型的重量重心符合規(guī)范的要求。

表1 空船重量數(shù)據(jù)表

船舶發(fā)生振動(dòng)后，船舶周圍水也會(huì)隨之振動(dòng)，這部分水相當(dāng)于增加了船舶自身的重量。當(dāng)不考慮附連水影響計(jì)算振動(dòng)時(shí)稱之為干模態(tài)計(jì)算。忽略附連水影響采用干模態(tài)計(jì)算得出的固有頻率與實(shí)際情況相差較大，無(wú)法準(zhǔn)確模擬真實(shí)的振動(dòng)情況，故在實(shí)際研究中引入了濕模態(tài)的計(jì)算方法，即在計(jì)算振動(dòng)時(shí)將周圍附連水質(zhì)量均納入船體自重進(jìn)行研究。

采用有限元計(jì)算法計(jì)算濕模態(tài)，不僅能免去實(shí)驗(yàn)法的大量實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且能將較多復(fù)雜因素考慮在內(nèi)，是當(dāng)前研究的主流方向。根據(jù)張曉等采用的虛擬質(zhì)量法計(jì)算附連水質(zhì)量，在MSC/NASTRAN軟件內(nèi)通過(guò)定義有限元模型濕表面單元和吃水高度自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力質(zhì)量的計(jì)算，其理論是用Helmholtz方法即邊界元法(也叫源匯分布法)來(lái)求解流體運(yùn)動(dòng)的拉普拉斯方程。

3 振動(dòng)特性預(yù)報(bào)及分析

3.1 振動(dòng)特性預(yù)報(bào)

本文考慮附連水對(duì)模態(tài)的影響。從數(shù)值結(jié)果預(yù)報(bào)的振型來(lái)看，第7階模態(tài)為船體1階垂向彎曲模態(tài)。當(dāng)固有頻率較大時(shí)，高階的船體模態(tài)趨于局部化。表2中列出了滿載出港、壓載到港及鉆井作業(yè)工況下船體較低階的固有頻率。本文只列出了滿載出港工況下的典型1階模態(tài)振型，見(jiàn)圖4～圖6。

表2 各工況下的船體各階固有頻率

圖4 滿載出港垂向1階振型

圖5 滿載出港水平1階振型

圖6 滿載出港扭轉(zhuǎn)1階振型

3.2 頻率儲(chǔ)備評(píng)估

中國(guó)船級(jí)社《船上振動(dòng)控制指南》(2012)(簡(jiǎn)稱《指南》)規(guī)定：對(duì)于有限元整船分析計(jì)算，因計(jì)算精度的提高，船體1～3階固有頻率一般應(yīng)與激勵(lì)頻率錯(cuò)開一定范圍，即取值范圍相應(yīng)為±8%～±10%、>±10%～±12%、>±12%～±15%。若不滿足頻率儲(chǔ)備要求，則需改變船體梁的頻率或改變激勵(lì)的頻率以錯(cuò)開頻率。若仍不滿足要求，則需進(jìn)行頻響分析或?qū)嵈瑴y(cè)量；當(dāng)不滿足衡準(zhǔn)要求時(shí)，必須采取相應(yīng)減振措施。

由計(jì)算結(jié)果可知：在3種工況下，本船總振動(dòng)固有頻率儲(chǔ)備系數(shù)均在47%以上，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的儲(chǔ)備系數(shù)，滿足衡準(zhǔn)要求，即整個(gè)船體梁的低階固有頻率不會(huì)與主機(jī)、主推螺旋槳、伸縮推螺旋槳及側(cè)推螺旋槳的激振頻率相遇，因而也不會(huì)產(chǎn)生船體總體共振。

3.3 上層建筑振動(dòng)

考慮上層建筑多為人員休息與活動(dòng)區(qū)域，為保證人員生活工作的舒適性，對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行共振分析很有意義?？紤]上層建筑振動(dòng)與主船體的耦合關(guān)系，將上層建筑模型的選取延伸至主船體的第2層甲板。上層建筑振動(dòng)分析主要針對(duì)其縱向振動(dòng)及橫向振動(dòng)，振動(dòng)分析模型見(jiàn)圖7，上層建筑的1階縱向和橫向振型見(jiàn)圖8～圖9。

圖7 上層建筑有限元模型

圖8 上層建筑1階縱向振型

圖9 上層建筑1階橫向振型

《指南》要求：上層建筑首階固有頻率與主要激勵(lì)源激振頻率應(yīng)錯(cuò)開±10%～±15%，若不滿該規(guī)范要求則需對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化或進(jìn)行更加詳細(xì)的振動(dòng)計(jì)算。上層建筑頻率儲(chǔ)備見(jiàn)表3。

表3 上層建筑頻率儲(chǔ)備

由表3可知：在3種工況下，上層建筑1階縱向與橫向振動(dòng)固有頻率儲(chǔ)備均在30%以上，符合規(guī)范要求，均不會(huì)與主機(jī)、螺旋槳發(fā)生總體共振。

4 結(jié)論

(1)3種作業(yè)工況下的垂向1階～3階振動(dòng)固有頻率、水平1階～2階固有頻率、扭轉(zhuǎn)1階固有頻率與激勵(lì)源激振頻率錯(cuò)開最低為47.48%，遠(yuǎn)大于衡準(zhǔn)要求的8%～15%，滿足儲(chǔ)備系數(shù)衡準(zhǔn)要求。

(2)該船上層建筑1階縱向振動(dòng)固有頻率為7.157 Hz；1階橫向振動(dòng)固有頻率為6.227 Hz，與激勵(lì)源激振頻率錯(cuò)開最低為30.24%，遠(yuǎn)大于衡準(zhǔn)要求的10%～15%，滿足儲(chǔ)備系數(shù)衡準(zhǔn)要求。