船用新型雷達(dá)桅振動特性

杜宜洋， 張 倩

(1.大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，遼寧 大連 116035；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

隨著造船行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，在船舶設(shè)計過程中，已經(jīng)更新?lián)Q代不同形式的船用雷達(dá)桅。船舶在大海中航行時，會受到風(fēng)、浪、洋流等外部激勵，同時一些周期性的激勵也會由船舶自身的主機(jī)和推進(jìn)器產(chǎn)生，甲板會傳送這些激勵至雷達(dá)桅上，使雷達(dá)桅振動更顯著，其上部電子裝置無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，更糟糕時會振落裝置，造成事故，阻礙船舶的正常航行。目前，國內(nèi)外已有很多學(xué)者采用有限元法(Finite Element Method, FEM)對船舶雷達(dá)桅的振動問題進(jìn)行分析。楊振財?shù)萚1]基于FEM研究浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)上筒形桅桿的振動特性，并對其邊界條件作出簡化。梁軍等[2]應(yīng)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的半主動控制方法和模擬仿真方法，使雷達(dá)桅的振動顯著降低。丁德勇[3]假設(shè)雷達(dá)桅作為桿件加以簡化，分別采用經(jīng)驗公式法和FEM分析雷達(dá)桅的振動特性，并比較研究這兩種方法的預(yù)報結(jié)果。首志平等[4]通過分析對比各種桅體設(shè)計的原則和影響因素,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)特點(diǎn),形成系統(tǒng)的桅體優(yōu)化設(shè)計原則。

一般來說，影響雷達(dá)桅振動的因素主要有3個：(1)船舶在航行過程中產(chǎn)生的激勵；(2)基座，即雷達(dá)桅與船體的連接形式；(3)雷達(dá)桅自身結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常高聳結(jié)構(gòu)的固有頻率比較低，容易引發(fā)共振現(xiàn)象，因此考慮雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)越低越好，然而應(yīng)信號燈與雷達(dá)等電子設(shè)備的要求，雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)須保證一定的高度[5]。新型雷達(dá)桅的設(shè)計主要來自2個方面：(1)由于樣船增加防泥沙壓載艙使上層建筑增高，為滿足盲區(qū)要求，增加桅桿高度，使雷達(dá)桅自身結(jié)構(gòu)變得細(xì)高，增加振動風(fēng)險；(2)主桅從羅經(jīng)甲板穿至駕駛甲板，為降低振動風(fēng)險，雷達(dá)桅基座增強(qiáng)。另外，為避免雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)振動與外界激勵接近引起共振，雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)的固有頻率與外界激勵頻率之間應(yīng)具有一定的頻率儲備。通常，評價方法有2種：(1)固有頻率法，根據(jù)中國船級社(CCS)《船上振動控制指南》要求應(yīng)有15%的頻率儲備；(2)響應(yīng)方法，參照挪威船級社(DNV)規(guī)范要求為45 mm/s。對此，針對樣船新型雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率儲備和響應(yīng)計算的分析。

1 有限元理論

新型雷達(dá)桅采用FEM進(jìn)行動力分析，其運(yùn)動方程[6]為

(1)

當(dāng)作用力為零時得到自由振動方程：

(2)

若忽略阻尼得到無阻尼自由振動方程：

(3)

2 船型主要參數(shù)

樣船具有超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)的布置特點(diǎn)，設(shè)置球鼻艏、方形艉、單槳、單機(jī)、斜艏柱、艉機(jī)型、單層連續(xù)甲板，還設(shè)置防泥沙壓載艙、舵球等節(jié)能布置。該船設(shè)計滿足各項國際公約最新標(biāo)準(zhǔn)。為裝載60℃以下不會蒸發(fā)的原油，貨油艙和壓載艙均執(zhí)行保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)(Performance Standard of Protective Coatings，PSPC)要求。該船為遠(yuǎn)洋船，不限航區(qū)，輪機(jī)高度自動化，擁有具備現(xiàn)代國際先進(jìn)水平的駕駛、機(jī)電、無線電等配置。

樣船主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 樣船主要技術(shù)參數(shù)

3 有限元分析

3.1 模型描述

采用FEM對樣船進(jìn)行振動分析，應(yīng)用程序為PATRAN/NASTRAN。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，建立樣船振動分析模型。模型包括船舶機(jī)艙前壁至尾部范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)(包括上層建筑及機(jī)艙棚結(jié)構(gòu))。其中，所有結(jié)構(gòu)(包括外板、內(nèi)底板、底中桁、旁底桁、肋板、縱桁等)采用殼單元進(jìn)行模擬，縱骨采用梁單元進(jìn)行模擬。單元尺寸為800.0 mm×800.0 mm。殼單元和梁單元具有拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力，單元具有6個自由度，分別是沿x、y、z方向的線位移和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)角。模型采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)，定義如下：x軸，縱向，指向船首為正；y軸，橫向，指向左舷為正；z軸，垂向，向上為正。圖1為原雷達(dá)桅有限元模型，圖2為新型雷達(dá)桅有限元模型。

圖1 原雷達(dá)桅有限元模型

圖2 新型雷達(dá)桅有限元模型

由于防泥沙設(shè)計的應(yīng)用，原雷達(dá)桅已經(jīng)不能滿足盲區(qū)要求。由圖2可看出：新型雷達(dá)桅又細(xì)又高，需要通過增強(qiáng)雷達(dá)桅基座降低振動風(fēng)險。具體加強(qiáng)方案有2種：(1)改變上層建筑結(jié)構(gòu)形式加強(qiáng)雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)；(2)不改變上層建筑結(jié)構(gòu)形式對雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2 方案1頻率儲備計算

新型雷達(dá)桅從羅經(jīng)甲板穿至駕駛甲板，占用一部分上層建筑，因此雷達(dá)桅基座加強(qiáng)需要改變上層建筑結(jié)構(gòu)?；鶠閳A形結(jié)構(gòu)，具體加強(qiáng)布置如圖3所示。

圖3 方案1雷達(dá)桅基座加強(qiáng)布置

針對方案1進(jìn)行縱向和橫向固有頻率計算，其縱向振型和橫向振型如圖4和圖5所示。樣船約定最大持續(xù)功率(Specified Maximum Continuous Rating, SMCR)轉(zhuǎn)速為67.0 r/min，持續(xù)常用功率(Continuous Service Rating,CSR)轉(zhuǎn)速為63.5 r/min，分別計算方案1轉(zhuǎn)速達(dá)到額定數(shù)值時其頻率評估情況，結(jié)果如表2和表3所示。

圖4 方案1縱向模態(tài)振型

圖5 方案1橫向模態(tài)振型

表2 方案1 SMCR轉(zhuǎn)速達(dá)67.0 r/min時的頻率儲備評估

表3 方案1 CSR轉(zhuǎn)速達(dá)63.5 r/min時的頻率儲備評估

采用固有頻率的方法。由表2可知：當(dāng)SMCR轉(zhuǎn)速達(dá)67.0 r/min時，方案1的頻率儲備最低為24.8%，滿足大于15%的要求。由表3可知：當(dāng)CSR轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)63.5 r/min時，方案1的頻率儲備最低為20.6%，滿足大于15%的要求。

3.3 方案2頻率儲備計算

通過與雷達(dá)桅設(shè)計人員和房間布置人員討論，認(rèn)為雷達(dá)桅基座穿過羅經(jīng)甲板，不利于通道內(nèi)的行走，因此在不改變上層建筑結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變雷達(dá)桅基座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行加強(qiáng)?；臑榘雸A形結(jié)構(gòu)，具體加強(qiáng)布置如圖6所示。

圖6 方案2雷達(dá)桅基座加強(qiáng)布置

針對方案2進(jìn)行縱向和橫向固有頻率計算，其縱向振型和橫向振型如圖7和圖8所示。樣船SMCR轉(zhuǎn)速為67.0 r/min，CSR轉(zhuǎn)速為63.5 r/min，分別計算方案2轉(zhuǎn)速達(dá)到額定數(shù)值時其頻率評估情況，結(jié)果如表4和表5所示。

圖7 方案2縱向模態(tài)振型

圖8 方案2橫向模態(tài)振型

表4 方案2 SMCR轉(zhuǎn)速達(dá)67.0 r/min時的頻率儲備評估

采用固有頻率的方法。由表4可知：當(dāng)SMCR轉(zhuǎn)速達(dá)67.0 r/min時，方案2的頻率儲備最低為22.2%，滿足大于15%的要求。由表5可知：當(dāng)CSR轉(zhuǎn)速達(dá)63.5 r/min時，方案2的頻率儲備最低為29.0%，滿足大于15%的要求。

表5 方案2 CSR轉(zhuǎn)速達(dá)63.5 r/min時的頻率儲備評估

對比方案1與方案2可知：

(1)2種方案的縱向振型和橫向振型一致。

(2)2種方案均滿足要求，最小頻率儲備為方案1，當(dāng)CSR轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)63.5 r/min時，頻率儲備為20.6%。

(3)方案1為完全對位加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，需要改變上層建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計要求。方案2為非完全對位加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，無須改變上層建筑原本結(jié)構(gòu)，結(jié)果同樣滿足要求，從設(shè)計角度來說，方案2更優(yōu)。

3.4 諧響應(yīng)計算

雖然2種方案均滿足頻率儲備要求，為更好地量化對比，對方案1和方案2進(jìn)行諧響應(yīng)分析。在諧響應(yīng)分析中，重點(diǎn)計算主機(jī)二階(縱向激勵)與主機(jī)七階(橫向激勵)的響應(yīng)，方案1和方案2的計算位置如圖9和圖10所示，計算結(jié)果如表6所示。

圖9 方案1諧響應(yīng)測點(diǎn)

圖10 方案2諧響應(yīng)測點(diǎn)

由表6可知：方案2的二階激勵響應(yīng)數(shù)據(jù)低于方案1，其七階激勵響應(yīng)值雖然較方案1稍大，但滿足DNV衡準(zhǔn)要求；方案1測點(diǎn)為距羅經(jīng)甲板6.1 m處，而方案2測點(diǎn)為距羅經(jīng)甲板11.7 m處，可認(rèn)為方案2更優(yōu)。

表6 方案1與方案2諧響應(yīng)計算結(jié)果 mm/s

4 結(jié) 論

針對某船設(shè)計新型雷達(dá)桅及其2種加強(qiáng)方案，分別進(jìn)行頻率儲備計算與諧響應(yīng)分析，并對相關(guān)問題進(jìn)行探討，得出結(jié)論如下：

(1)模態(tài)分析結(jié)果表明，2種方案的頻率儲備均滿足要求。

(2)對新型雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，2種方案諧響應(yīng)計算結(jié)果均能滿足DNV衡準(zhǔn)要求，驗證所提出的新型雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)的有效性。

(3)對比方案1，方案2不需要改變上層建筑原本結(jié)構(gòu)，從設(shè)計角度等綜合因素考慮，方案2更優(yōu)。

綜上所述，建議實船采用新型雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)，同時對其進(jìn)行半圓形結(jié)構(gòu)基座加強(qiáng)，但需要盡可能用肘板進(jìn)行過渡。