港航工作艇生活樓重量重心對振動影響研究

濮天歡

(宜興市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 無錫 214200)

0 引言

生活樓作為船員日常生活工作的主要場所，振動過大會嚴重影響船員的身體健康。近年來，基于有限元法研究船舶生活樓的動力特性越來越普遍。惲偉君等采用膜單元和集中質(zhì)量單元建立生活樓模型，主船體結(jié)構(gòu)采用梁模型，探討生活樓與船舶總體振動之間的耦合影響。甘錫林等應用生活樓加船體梁的簡化模型對290 000 t散貨船生活樓振動特性進行預報，大大減少該模型建模工作量。郭列等以35 000 t淺吃水型散貨船為例，建立了5種不同型式的生活樓有限元計算模型，主要對生活樓和主船體之間的耦合影響進行探討，并計算了由螺旋槳和主機激勵引起的船體振動響應。

隨著船舶設計過程中對振動要求不斷提高，針對已有船舶的振動加強以及新建船舶的振動預報均涉及到振動的加強方案研究。在船體結(jié)構(gòu)已成雛形的前提下，特別是生活樓區(qū)域，振動問題一般較難改變。為此，本文以某工程船的生活樓為研究對象，探討生活樓重量中心對生活樓振動固有頻率的影響，并通過有限元方法進行驗證，為此類船舶生活樓振動問題的改善提供指導。

1 影響因素分析

結(jié)合目前已有的工程船生活樓布置，對生活樓固有頻率和局部振動頻率計算結(jié)果造成影響的主要因素有生活樓的設備及內(nèi)外舾裝重量重心和生活樓結(jié)構(gòu)重量重心。設備及內(nèi)外舾裝重量重心一般較為集中，且不參與結(jié)構(gòu)的整體剛度。而結(jié)構(gòu)重量一般較為分散，同時結(jié)構(gòu)重量越大，結(jié)構(gòu)的剛度越好。因此有必要將這兩個因素分開進行研究。設備及內(nèi)外舾裝重量重心主要包括位于生活樓區(qū)域內(nèi)的一些較大設備、內(nèi)外舾裝的重量和對應的重心位置，結(jié)構(gòu)重量重心主要包括生活樓鋼結(jié)構(gòu)的重量和重心。

2 振動模型的建立

由于生活樓本質(zhì)是一個筒形的鋼結(jié)構(gòu)，因此將生活樓簡化成筒形進行分析，經(jīng)簡化后得到的有限元模型內(nèi)部(不包括外板)見圖1。

由于不考慮主船體支撐對生活樓整體支撐剛度造成的影響，因此在簡化計算過程中可以將約束條件為在生活樓A甲板底端，即與主甲板連接處簡支約束。雖然會局部增大主甲板與A甲板之間的剛度，但是不影響不同條件下的生活樓的振動變化趨勢。約束的邊界條件見圖2。

3 振動計算及分析

3.1 原始狀態(tài)下生活樓振動計算結(jié)果

在不考慮設備及內(nèi)外舾裝重量的條件下，對該簡化生活樓進行振動初步的評估得到的結(jié)果見表1。簡化生活樓整體的一階振動結(jié)果見圖3。

生活樓包括有多層甲板。為了保證船員生活的舒適性，往往對每層甲板的振動均有要求，每層甲板下均為不相同的支撐結(jié)構(gòu)，因此每層甲板的同向剛度及重心均有所區(qū)別。由于對A甲板下端進行約束，所以該邊界條件對每層甲板的影響不一樣，距離A甲板約束邊界越近的結(jié)構(gòu)，剛度偏離越大。因此針對其他各層甲板進行模態(tài)分析，得到的各種振動模式的模態(tài)分析結(jié)果云圖見圖4。

圖1 有限元模型內(nèi)部(不包括外板)

圖2 有限元模型邊界條件

表1 簡化生活樓的一階振動計算結(jié)果

從圖4可以看出：生活樓整體一階模態(tài)振型較為明顯。一階振型中，橫向振動固有頻率最低，縱向及垂向的固有頻率相當，因此生活樓的橫向剛度最弱，縱向及垂向剛度較強；生活樓各層甲板(A甲板由于靠近邊界條件，不作比較)的局部模態(tài)具有相同的頻率，且振動均處于同一個位置。對照圖3可以看出，生活樓在該區(qū)域的剛度均有明顯削弱，即在模態(tài)出現(xiàn)的區(qū)域，是大范圍的無艙壁區(qū)域。

3.2 設備及內(nèi)外舾裝重量重心影響研究

設備一般安裝在甲板上，并在設備所在區(qū)域，建立MPC單元模擬設備的重量重心。內(nèi)舾裝重量則分布在整個生活樓區(qū)域，包括甲板和圍壁。因此，一般利用質(zhì)量點進行模擬，并調(diào)整重心位置。

圖3 簡化生活樓整體的一階振動結(jié)果

圖4 各種振動模式的模態(tài)分析結(jié)果云圖

由模型統(tǒng)計出的信息可知，整個簡化生活樓的模型重量為181.8 t。在該模型的基礎上，在除A甲板以外的每層甲板增加一定重量的設備和舾裝材料重量，并與振型分析結(jié)果作比較，得到設備及內(nèi)外舾裝重量重心對振動計算結(jié)果的影響。其中，加設備之前與加設備之后的模型重量重心見表2。

表2 模型重量重心比較

由表2看出，設備重量對模型垂向重心的影響是最大的(通過變化率計算所得)。因此,在分析過程中將垂向模態(tài)作為主要比較對象，研究設備及舾裝重量重心對振動計算結(jié)果的影響。

為了使振型圖較為容易辨認，在模型中盡量將每層甲板上的設備及舾裝的重量分布在加強結(jié)構(gòu)處。所有加設備的甲板重量分布見圖5。

經(jīng)過計算，得到的整個生活樓的模態(tài)分析結(jié)果見圖6。

圖5 生活樓某甲板舾裝重量分布

圖6 生活樓的模態(tài)分析結(jié)果

從圖6看出，生活樓的橫向一階模態(tài)基本沒有變化，縱向一階模態(tài)變大，垂向一階模態(tài)變小。設備及舾裝重量對模態(tài)分析結(jié)果的詳細比較見表3。

表3 生活樓整體模態(tài)分析結(jié)果比較

從表3可以看出：對于縱向模態(tài)，加了設備及舾裝重量之后，整個生活樓的重心更加靠近幾何中心，因此縱向模態(tài)與單純鋼料的計算結(jié)果相比，縱向固有頻率增大；對于橫向模態(tài)，重心位置的橫向改變很小，可以忽略不計，因此得到的橫向固有頻率不變；對于垂向模態(tài)，重心位置變高，即重心距離約束位置的距離增加，且重心上升了1%，垂向固有頻率降低了1.9%，垂向固有頻率顯著變小。

因此，在設計過程中若需要改善生活樓的整體垂向固有頻率，調(diào)整生活樓內(nèi)部相關設備和舾裝的垂向重心是一個非常有效的解決辦法。

3.3 結(jié)構(gòu)重心影響研究

在原有模型的基礎上，研究改變結(jié)構(gòu)重心對振動計算結(jié)果的影響時應當避開改變了原有結(jié)構(gòu)的剛度。因此，不能通過調(diào)整板厚來改變結(jié)構(gòu)重心，應該通過調(diào)整材料密度來實現(xiàn)。同時，為了避免由于材料密度突變引起的局部模態(tài)，導致振動結(jié)果失真，在調(diào)整模型相關區(qū)域的材料密度過程中，將密度的突變控制在5%以內(nèi)。為了研究生活樓的橫向重心、縱向重心和垂向重心對橫向模態(tài)、縱向模態(tài)和垂向模態(tài)振動計算結(jié)果的影響，盡量保證除變量重心之外的其他重心保持一致，從而能夠保證其他方向的模態(tài)對計算模態(tài)的結(jié)果產(chǎn)生影響。

生活樓有限元模型的重心調(diào)整結(jié)果和模態(tài)計算結(jié)果見表4。從表中可以看出：橫向一階固有頻率并沒有隨著生活樓結(jié)構(gòu)重心的橫向位置變化而改變；縱向一階固有頻率在生活樓的縱向重心越靠近生活樓幾何中心的位置，其縱向固有頻率越高；垂向一階固有頻率在生活樓的垂向重心越接近邊界條件的位置，其垂向固有頻率越高。

表4 生活樓一階模態(tài)計算結(jié)果

模態(tài)分析振型云圖見圖7。對比1工況以及由于設備及舾裝重量引起的生活樓重心的調(diào)整發(fā)現(xiàn)，2種工況的生活樓重心縱向位置相同，橫向位置相差不大，垂向位置具有一定的差別，然而得到的模態(tài)結(jié)果卻不同，其中：由于設備及舾裝重量引起的生活樓振動縱向模態(tài)頻率為20.956 Hz，而1工況生活樓振動縱向模態(tài)頻率為20.586 Hz。1工況得到的模態(tài)分析結(jié)果略小，證明由于設備及舾裝重量引起重心調(diào)整之后的模態(tài)分析結(jié)果明顯比1工況模態(tài)分析結(jié)果改變得更加顯著，說明生活樓垂向重心的改變，對生活樓的縱向模態(tài)分析結(jié)果具有一定程度的耦合影響。

圖7 模態(tài)分析振型云圖

4 結(jié)論

(1)設備及舾裝重量重心對結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的頻率改變具有較為明顯的影響。在實際生活樓設計過程中，為了能夠?qū)⑸顦堑墓逃心B(tài)頻率儲備較大，盡量減少生活樓較高甲板設置較重設備和較重的舾裝件，盡量降低生活樓的整體重心位置。

(2)結(jié)構(gòu)重量重心對結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的頻率改變具有更加明顯的影響。實際設計過程中，在生活樓重量滿足設計要求的前提下盡量增加生活樓靠下部分的甲板室的重量，并減輕生活樓靠上部分的甲板室的重量，可以顯著改善生活樓的整體固有頻率。

(3)本文分析了振動頻率受到重量重心的影響，后續(xù)可深入討論重量重心對生活樓振動響應的影響。