支線集裝箱船上層建筑振動及海上加強方案

丁 寧 高占峰 肖 宇

（中遠(yuǎn)海運重工設(shè)計研究院 揚州 225200）

0 引 言

近年來，國際貿(mào)易需求量穩(wěn)步上升，各大班輪公司紛紛開始下單大型、超大型集裝箱船，形成規(guī)模優(yōu)勢，降低單箱運營的成本，從而布局航運市場。伴隨著多艘大型、超大型集裝箱船的交付運營，與之配套的支線集裝箱船需求也明顯增加，航運市場需要更多的支線型船來滿足港口轉(zhuǎn)運需求的增長。

集裝箱船與常規(guī)商用船舶相比，為了在布置上爭取更多的空間裝載集裝箱，在設(shè)計時需要盡可能大的布置貨艙艙口，這使集裝箱船的船體梁彎曲剛度顯著降低，從而導(dǎo)致船體梁扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)在低階發(fā)生耦合，引發(fā)船體梁振動問題。同時，為滿足駕駛室的視域要求并且兼顧甲板裝箱量，集裝箱船上層建筑的結(jié)構(gòu)形式往往設(shè)計得既高又窄，其整體剛度相較于普通商用船舶的上層建筑顯著降低。此外，相較于大型集裝箱船上層建筑中島式的布置形式，支線集裝箱船通常為艉島式，即其上層建筑位于主機和螺旋槳等主要激勵源的正上方。基于上述結(jié)構(gòu)特性和上層建筑布置特點，支線集裝箱船的振動問題較油船、散貨船和大型集裝箱船更加突出。

本文針對某支線集裝箱船試航過程中出現(xiàn)的上層建筑振動問題，根據(jù)實船振動測試結(jié)果及數(shù)值仿真有限元振動計算報告，在海上對上層建筑的振動原因進(jìn)行現(xiàn)場分析，同時結(jié)合船上實際的結(jié)構(gòu)、內(nèi)舾裝和設(shè)備布置情況，選定合理的加強位置，在海上直接對上層建筑進(jìn)行支柱加強。支柱加強后，上層建筑各位置的振動測試結(jié)果滿足規(guī)范要求，為船舶順利交付提供了必要條件。

1 概 述

1.1 船舶主要參數(shù)

本船為國外某知名海運公司的系列支線集裝箱船的首制船。船舶的總體布置情況及主要性能參數(shù)如圖1 和表1 所示。

圖1 某支線集裝箱船總布置圖

表1 某支線集裝箱船主要參數(shù)

1.2 規(guī)范要求

本船規(guī)格書規(guī)定本船的振動水平應(yīng)滿足ISO 6954-2000 的規(guī)范要求。

2 上層建筑振動測量

2.1 振動測量條件

基于ISO 69540-2000 規(guī)范要求，本船在振動測量時已確保滿足以下測量條件：

（1）船舶為自由直線航行：船舶保持穩(wěn)定航速直線航行，且操舵角不超過±2°；

（2）主機穩(wěn)定輸出規(guī)格書所指定的輸出功率：本船為常用持續(xù)工作轉(zhuǎn)速（NCR）為85.9 r/min；

（3）3 級或3 級以下海況：本船振動測試時海況為3 級；

（4）螺旋槳完全浸沒：本船試航工況尾吃水為8.97 m，滿足螺旋槳浸沒要求；

（5）水深不小于船舶吃水5 倍：本船振動測試水域水深76 m，滿足要求；

（6）所有系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)：本船振動測試時輔機、通風(fēng)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等均處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.2 振動測量結(jié)果

當(dāng)本船主機在規(guī)格書所指定的常用持續(xù)工作轉(zhuǎn)速（NCR）85.9 r/min 下運行時，從上層建筑D甲板以上至G 甲板靠近兩舷側(cè)的艙室甲板，均有強烈振感。

經(jīng)振動實測，D 甲板以上至G 甲板靠近兩舷側(cè)艙室的甲板垂向（）振動幅值普遍較大，且右舷相較于左舷振動問題更加嚴(yán)重。D 甲板以上靠近右舷艙室的很多甲板，方向振動幅值均超過規(guī)范ISO 6954-2000 的許用標(biāo)準(zhǔn)，船舶振動性能不滿足規(guī)格書要求。此外，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，艙室正中間位置處的振動幅值與艙室靠近艙壁位置處的振動幅值基本處于同一水平。

通過實測得到的頻域振動響應(yīng)曲線可知，振動超標(biāo)位置的振動響應(yīng)中，主要以2 個頻率的激振力引起的振動為主：一個是10 Hz 左右的激振力，另一個是11.5 Hz 左右的激振力。以大副起居室（819房間）為例，其方向頻域振動測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 大副起居室（819 房間）Z 方向頻域振動測試結(jié)果

3 振動問題原因分析

3.1 確定激振源

通常，螺旋槳和主機為引起船體振動的主要激振源。螺旋槳引起的激振力可分為2 類：一類是軸頻激振力，即螺旋槳的激振頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速的一階激振力，它是由螺旋槳的機械不平衡引起的；另一類則是激振力頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速乘以槳葉數(shù)倍數(shù)的高階激振力，稱為葉頻激振力或倍葉頻激振力，它是由螺旋槳在不均勻流場中工作引起的。主機產(chǎn)生的周期激振力主要可以分為2 種：運動部件慣性力產(chǎn)生的不平衡力矩和力矩，以及氣缸內(nèi)氣體爆炸產(chǎn)生的對氣缸側(cè)壁的側(cè)向壓力和傾覆力矩，其對船體施加的激振力具體表現(xiàn)為各階不平衡力和力矩、X 型振動激振力矩及H 型振動激振力矩。

本船主機為瓦錫蘭（WinGD）生產(chǎn)的W7-X72（Tier Ⅱ）兩沖程七缸機。查閱該設(shè)備資料得知，其對外部輸出的主要激振力矩為二階縱向不平衡力矩、四階X 型橫向不平衡力矩及七階H 型橫向不平衡力矩。螺旋槳為四葉定螺距槳，其主要激振力為槳軸不平衡推力、四階葉頻脈動壓力和八階倍葉頻脈動壓力。

本船主要激勵源及其激勵頻率如下頁表2所示。

表2 某支線集裝箱船主要激勵源及激勵頻率

由上述振動測試結(jié)果可知，引起本船振動問題的激振力主要有2 個，其在主機常用持續(xù)工作轉(zhuǎn)速（NCR）85.9 r/min 下的激勵頻率分別為10 Hz 和11.5 Hz。通過頻率與轉(zhuǎn)速間的換算可知，10 Hz 和11.5 Hz 分別為七階和八階激振頻率。故可以判斷引起本船上層建筑振動的激振源為主機七階H 型橫向不平衡力矩和螺旋槳倍葉頻脈動壓力。

3.2 原因分析

根據(jù)上述測試結(jié)果可知，振動問題突出的位置主要出現(xiàn)在上層建筑D 甲板以上至G 甲板靠近兩舷側(cè)的艙室，且近右舷艙室相較于左舷艙室振動情況更加嚴(yán)重。經(jīng)研究上層建筑結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)，上層建筑D 甲板以上至G 甲板靠近兩舷側(cè)艙室的下方，僅有必要的球扁鋼、T 型材等型材加強結(jié)構(gòu)，缺少如縱向艙壁、支柱等強支撐結(jié)構(gòu)，艙室甲板板架剛度較弱。

此外，相較于右舷，左舷由于在D 甲板設(shè)有游泳池，其對應(yīng)位置處的船體結(jié)構(gòu)周圍有額外加強，并且左舷D 甲板與E 甲板之間也增加了支柱支撐，因此左舷艙室的整體剛度好于右舷，這與右舷艙室振動比左舷艙室嚴(yán)重的測試結(jié)果相吻合。上層建筑結(jié)構(gòu)形式以FR40 肋位橫剖面圖為例，如圖3 所示。

圖3 上層建筑FR40 位置橫剖面結(jié)構(gòu)圖

在研究上層建筑結(jié)構(gòu)形式的同時，分析研究振動預(yù)報有限元計算報告，也是確定振動原因的有效途徑。目前國內(nèi)外很多學(xué)者、單位均采用三維空間有限元法，對船舶進(jìn)行振動預(yù)報，而事實證明三維有限元模型是一種接近船舶真實結(jié)構(gòu)的計算模型，能夠較準(zhǔn)確地計算船舶振動特性。本船的振動預(yù)報由入級船級社負(fù)責(zé)，其計算了2 種集裝箱船的典型裝載工況（即滿載工況和壓載工況），而試航工況更接近于壓載工況。從振動計算報告中可以發(fā)現(xiàn)，在10.36 Hz頻率處有一個上層建筑整體橫向與舷側(cè)甲板板架垂向的耦合模態(tài)，如圖4 所示：

圖4 上層建筑整體橫向與舷側(cè)甲板板架垂向的耦合模態(tài)，頻率為10.36 Hz

壓載工況下部分艙室的有限元振動響應(yīng)計算結(jié)果如下頁表3 所示。由振動響應(yīng)計算結(jié)果可知，主機七階橫向H 型不平衡力矩在D 甲板以上的舷側(cè)艙室引起的振動響應(yīng)普遍較大，這與模態(tài)分析結(jié)果及實船測試結(jié)果相吻合。然而，之所以預(yù)報結(jié)果滿足規(guī)范要求，是因為在計算壓載工況時，并未將螺旋槳脈動壓力考慮其中。

表3 壓載工況下G 甲板部分艙室振動響應(yīng)計算結(jié)果mm·s-1

經(jīng)溝通，船級社認(rèn)為壓載工況下吃水較淺，船底板并未浸沒到水面以下，故有限元振動預(yù)報時并未將壓載工況計入螺旋槳脈動壓力。但通過實船測試結(jié)果可知，螺旋槳倍葉頻脈動壓力是引起上層建筑振動的主要激勵源之一，不可忽略。

基于以上分析可得出結(jié)論：本船上層建筑振動問題是由上層建筑整體橫向模態(tài)和艙室甲板板架局部模態(tài)的耦合模態(tài)與主機七階H型橫向不平衡力矩，以及螺旋槳八階倍葉頻脈動壓力共振導(dǎo)致的。

4 海上支柱加強方案

4.1 確定加強方案

本船在試航過程中發(fā)現(xiàn)了振動問題，為解決振動問題保證船舶順利交付，同時避免二次試航帶來的高額成本，因此在保證不破壞內(nèi)舾裝、不影響人員工作通行、不影響救生艇及物料吊等機械設(shè)備正常工作的前提下，經(jīng)與船東、船檢溝通確認(rèn)，根據(jù)船舶實際的結(jié)構(gòu)形式，基于上述分析得出的振動原因，有針對性地直接在海上對上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強。

船舶已處于試航階段，船上所有機電設(shè)備已完成安裝和調(diào)試，因此尋求方法去降低主機和螺旋槳的激振力、更改其激振頻率已無法實現(xiàn)。無法降低主機和螺旋槳的激振力和激振頻率，就只能對上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強。對于舷側(cè)的艙室甲板板架，最有效的加強方式是增加T 型材的尺寸與密度，以增加板架剛度、提升板架固有頻率，避免共振。但是，上層建筑的內(nèi)舾裝已經(jīng)完成，內(nèi)裝板、甲板敷料、甲板下的電纜和管道也鋪設(shè)完畢，如果要對甲板板架進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，勢必要對其進(jìn)行破壞，不僅無法估量由此造成的損失，而且海上的施工環(huán)境也不允許。基于上述原因，只能尋求有效方案對上層建筑整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強。

經(jīng)實船勘測及充分研討，決定在C 甲板與主甲板之間左右舷分別增加6根219 mm×16 mm圓柱鋼管，對上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強以提升其整體剛度。支柱加強方案的示意圖及實船具體方案的實施如圖5 和圖6 所示。

圖5 上層建筑支柱加強方案示意圖

圖6 上層建筑支柱加強方案的實施

4.2 加強方案實施效果

對上層建筑進(jìn)行支柱加強后，振感明顯降低。經(jīng)測試，所有艙室的振動幅值滿足ISO 6954-2000 振動標(biāo)準(zhǔn)，為船舶順利交付提供了必要條件。部分艙室初始測試結(jié)果與支柱加強后的測試結(jié)果對比見下頁表4。

表4 部分艙室初始測試結(jié)果與支柱加強后測試結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文針對某支線集裝箱船試航過程中出現(xiàn)的振動問題，分析研究了該船振動問題的原因，并結(jié)合船舶的結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)外舾裝布置情況，有針對性地提出了海上支柱加強方案，最終獲得良好效果，為船廠節(jié)約了二次試航的費用，為船舶順利交付提供了必要條件。

通過本文的研究可得出以下結(jié)論：

（1）支線集裝箱船結(jié)構(gòu)特性和布置特點使其振動問題相較于其他商用船舶更加突出，需在設(shè)計初期予以充分考慮；

（2）無論螺旋槳上方的船底板浸沒與否，螺旋槳脈動壓力作為船舶的主要振動激勵源在振動數(shù)值仿真預(yù)報時不可忽略，因為該激振力也可通過舵葉等結(jié)構(gòu)傳遞到船體結(jié)構(gòu)上；

（3）安排振動工程師參與試航，對試航過程中出現(xiàn)的振動問題進(jìn)行現(xiàn)場分析，并根據(jù)船舶實際的結(jié)構(gòu)、布置情況，提出切實可行的結(jié)構(gòu)加強方案，直接在海上對船舶進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強是一種直接、高效且節(jié)約成本的工作思路。