散貨船甲板室翼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)分析

徐永青，吳紫宇，付佳

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

大型散貨船的機(jī)艙和甲板室布置在艉部，這就使得甲板室更加接近主機(jī)、2個(gè)螺旋槳為船上主要激勵(lì)源，導(dǎo)致甲板室長(zhǎng)時(shí)間處于較大激勵(lì)作用之下。此外為了改善駕駛視線和減少船運(yùn)人數(shù)，甲板室被設(shè)計(jì)得很高，沿船長(zhǎng)很短，使得甲板室本身整體的縱向剛度降低，增加發(fā)生有害振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。翼橋結(jié)構(gòu)布置在駕駛甲板兩側(cè)，其一端為懸空結(jié)構(gòu)，與甲板結(jié)構(gòu)相比剛度較弱。原方案中以上幾個(gè)因素共同作用可能引起翼橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題，為此，分析不同的翼橋結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)關(guān)注翼橋的振動(dòng)特性，得到翼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，同時(shí)為甲板室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 甲板室模型

考慮到居住區(qū)域的邊界條件，船體板外側(cè)附連水及貨艙貨物重量的影響，以船體中橫剖面、基本結(jié)構(gòu)圖、典型橫艙壁等詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)，在有限元軟件中建立全船模型。其中，船體外殼板、各層甲板、側(cè)壁圍板等構(gòu)件以Shell單元模擬；橫梁、縱骨和肋骨等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用Beam單元模擬；船上設(shè)備、壓載水以及貨油等重量用Mass單元模擬，施加在面板上，保證模型裝載總重與實(shí)船相同，重心位置和裝載手冊(cè)保持基本一致。船體尾部、機(jī)艙、居住區(qū)、煙囪及機(jī)艙棚的細(xì)網(wǎng)格大小為縱骨間距，其余區(qū)域則采用以強(qiáng)橫梁間距的大網(wǎng)格劃分，大網(wǎng)格內(nèi)的骨材合并，保證合并前后剛度一致，整船有限元模型見圖1。

圖1 甲板室有限元模型

1.2 邊界條件

翼橋結(jié)構(gòu)一端與甲板室連接，另端為自由約束，因此在進(jìn)行翼橋模態(tài)分析時(shí)只需準(zhǔn)確模擬上層建筑的邊界即可。經(jīng)過大量實(shí)船的振動(dòng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)甲板室采用簡(jiǎn)支約束與實(shí)際情況較為吻合，即===0。

1.3 材料屬性

鋼板彈性模量為2.06×10MPa；泊松比為0.3；密度為7 850×10kg/m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)翼橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過修改其主要承力構(gòu)件尺寸的方式來(lái)改變結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而改變固有頻率。通過修改構(gòu)件為翼橋底封板、橫向構(gòu)件、兩翼下方支撐結(jié)構(gòu)形式，分別設(shè)計(jì)出4種方案。

方案一：去掉原方案中的圓管支撐，將D甲板上的斜板架支撐往翼橋懸空端部前移并加長(zhǎng)支撐臂，去掉上封板的開孔。

方案二：在支撐臂與D甲板連接處加設(shè)四塊防傾肘板，其余與方案一相同。

方案三：保持上封板的開孔，其他同方案二。

方案四：在方案二的基礎(chǔ)上，2根支撐臂之間的橫梁位置增設(shè)2個(gè)短支撐，與下封板連接。

各方案有限元模型見圖2。

圖2 翼橋設(shè)計(jì)方案有限元模型

3 模態(tài)分析

對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的翼橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，確定其固有頻率及振型，并與SMCR工作狀態(tài)下的主機(jī)缸頻、螺旋槳葉頻比較，驗(yàn)證是否避開共振頻率范圍。在留有一定頻率余量基礎(chǔ)上，從各設(shè)計(jì)方案的翼橋結(jié)構(gòu)固有頻率、結(jié)構(gòu)重量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行考量，選取較優(yōu)的方案作為備選方案。

3.1 設(shè)備工作頻率

船上設(shè)備如主機(jī)、螺旋槳其工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)為有害振動(dòng)，是影響船體構(gòu)件的疲勞壽命的因素之一。設(shè)備工作狀態(tài)下的頻率為

(1)

式中：為主機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min；為主機(jī)缸數(shù)或螺旋槳槳葉數(shù)；本號(hào)船主機(jī)為6缸機(jī)，SMCR工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速為75 r/min，則SMCR轉(zhuǎn)速下的頻率為7.5 Hz；螺旋槳為定螺距4葉槳，則SMCR下的工作頻率為5.0 Hz。

3.2 固有頻率及振型

通過調(diào)整材料密度來(lái)控制模型的重量，使之重量、重心與實(shí)際保持一致，減少質(zhì)量誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。應(yīng)用有限元法分別對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的翼橋進(jìn)行模態(tài)分析，見圖3。

圖3 各設(shè)計(jì)方案的翼橋振型

由圖3可知：方案一至方案四翼橋的固有頻率都在11.0 Hz附近，為一階縱向振型。頻率11.0 Hz均大于主機(jī)缸頻、螺旋槳葉頻，超出主機(jī)缸頻46.7%，避開共振區(qū)域。計(jì)算各方案的翼橋結(jié)構(gòu)重量，與原方案比較作為方案評(píng)判方面之一，各方案翼橋的結(jié)構(gòu)重量見表1。

表1 不同方案的翼橋特性比較

從表1可知，4個(gè)方案的結(jié)構(gòu)重量與原方案相比有較大幅度減少。其中方案一減重15.36 t，折減接近50%；方案三重量減少12.35 t，4個(gè)方案中減重最少，但與原方案相比減少了39.8%。從結(jié)構(gòu)減重方面來(lái)看，方案一優(yōu)于其他3種方案。

4 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

在原方案的全船有限元模型基礎(chǔ)上，只改變翼橋區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)，在壓載和滿載工況下進(jìn)行分析全船的振動(dòng)響應(yīng)情況，比較翼橋端部的響應(yīng)值。最后從固有頻率、結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及振動(dòng)響應(yīng)值3個(gè)方面來(lái)評(píng)定4種設(shè)計(jì)方案，從中選優(yōu)。

4.1 響應(yīng)計(jì)算

船用主機(jī)的2階垂向不平衡力矩、6階H型傾覆力矩，以及螺旋槳的脈動(dòng)壓力是引起船體振動(dòng)的主要激勵(lì)源，分別將激勵(lì)源載荷施加到全船有限元模型，見圖4。

圖4 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算有限元模型

計(jì)算發(fā)現(xiàn)主機(jī)6階傾覆力矩所引起響應(yīng)值高于其他2種激振力，因此在分析翼橋設(shè)計(jì)方案的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，只需計(jì)算6階傾覆力矩下翼橋振動(dòng)響應(yīng)，比較各方案的響應(yīng)情況。

以振動(dòng)規(guī)范ISO 6954:2000(E)為考核標(biāo)準(zhǔn)，駕駛室屬于船員工作區(qū)域，翼橋?yàn)轳{駛室的一部分，振動(dòng)響應(yīng)上限值為8 mm/s、286 mm/s，為便于比較文中僅從速度方面進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算得到各方案的翼橋響應(yīng)值見表2。

表2 翼橋振動(dòng)響應(yīng)值 mm/s

從表2可知：LC2工況下的振動(dòng)響應(yīng)值均小于LCI工況下，這是受全船重量影響，主要是貨艙內(nèi)的貨物重量超過LC1。為了較為詳細(xì)地分析每個(gè)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣，分別從、和3個(gè)方向比較翼橋振動(dòng)速度響應(yīng)值大小。LC1工況下速度從方向來(lái)看，方案一到方案四的速度響應(yīng)值均小于原方案的7.18 mm/s，其中，方案四的速度響應(yīng)值為4.15 mm/s，為最小值；從方向而言，方案一、二、四速度響應(yīng)值小于原方案的5.24 mm/s，方案四速度響應(yīng)值最小，為4.21 mm/s，方案三的速度響應(yīng)值為5.50 mm/s，大于原方案；從方向來(lái)講，只有方案四的速度響應(yīng)值小于方案，其余3種方案均大于原方案，LC2工況下速度響應(yīng)情況與LC1下相似。從振動(dòng)響應(yīng)角度來(lái)看，方案四的速度響應(yīng)值小于其他3種方案，振動(dòng)性能較為優(yōu)異。

4.2 方案選定

通過對(duì)翼橋結(jié)構(gòu)重量、固有頻率以及振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析，每個(gè)方案有各自優(yōu)缺點(diǎn)。其中從重量方面來(lái)看，4個(gè)方案的優(yōu)劣排列依次為：方案一、方案四、方案二和方案三；原方案與4個(gè)設(shè)計(jì)方案的固有頻率均在11.0 Hz范圍，并沒有較大的差異；從振動(dòng)響應(yīng)方面來(lái)說，方案四的振動(dòng)性能優(yōu)于其余方案。分析各方面的數(shù)據(jù)可得出方案四為較優(yōu)方案，雖然其結(jié)構(gòu)重量為16.61 t，比結(jié)構(gòu)重量最輕的方案一重0.94 t，在可接受范圍以內(nèi)。

5 結(jié)論

1)方案四的振動(dòng)性能優(yōu)于其他3種方案，總量比方案一重0.94 t，工程上可以接受；其固有頻率為11.05 Hz，避開了主機(jī)缸頻7.5 Hz、螺旋槳葉頻5.0 Hz，相對(duì)主機(jī)缸頻有47.3%的頻率余度，不存在發(fā)生共振的危險(xiǎn)。

2)翼橋結(jié)構(gòu)一端為懸空結(jié)構(gòu)，在船舶運(yùn)行過程中振動(dòng)響應(yīng)值較大，除了受船上設(shè)備激振力影響，海風(fēng)對(duì)其有一定作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮，以保證足夠的結(jié)構(gòu)剛度。

3)支撐方式與支撐點(diǎn)位置對(duì)翼橋振動(dòng)響應(yīng)有較大的影響，支撐方式的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果，精準(zhǔn)定位支撐點(diǎn)，選擇合適的支撐方式以減輕結(jié)構(gòu)重量。