VLCC翼橋振動(dòng)分析及相關(guān)技術(shù)研究

潘溜溜，張 偉，徐智言，鄭君鎬

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

對(duì)于常規(guī)船體的振動(dòng)分析與控制，目前主要分為兩個(gè)階段：一是建造前的全船振動(dòng)固有頻率和響應(yīng)預(yù)報(bào)以及板格、筋、板架、雷達(dá)桅等構(gòu)件的局部振動(dòng)固有頻率分析；二是實(shí)船振動(dòng)測(cè)量，并對(duì)超標(biāo)的地方進(jìn)行相關(guān)的再計(jì)算、再測(cè)量。每條船都是此兩階段的全部或局部組合，因船而異[1]。如，新船型的主機(jī)參數(shù)（缸數(shù)、NCR轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等）、螺旋槳參數(shù)（葉數(shù)、螺旋槳直徑等）和艉部型線等的修改，一般均需按兩個(gè)階段的全部流程進(jìn)行，工作量較大；而對(duì)局部構(gòu)件共振，則可按第二階段流程進(jìn)行。當(dāng)然在實(shí)際操作過(guò)程中，為了找出原因（如共振頻率等）和解決問(wèn)題（如降低響應(yīng)等），分析流程可按不同分析任務(wù)而靈活調(diào)整。

前一階段主要采用：全船F(xiàn)EM固有頻率分析、全船F(xiàn)EM頻率響應(yīng)分析[2]和局部構(gòu)件FEM固有頻率分析和局部構(gòu)件（規(guī)則布置）經(jīng)驗(yàn)公式固有頻率分析等；后一階段主要采用：撞擊或臨時(shí)激振力激起結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)從而測(cè)出其固有頻率，以及試航時(shí)測(cè)出振動(dòng)頻率和響應(yīng)幅值。

本文以VLCC翼橋振動(dòng)的實(shí)際為例，闡述了解決船體振動(dòng)的整個(gè)思路以及所采用的相關(guān)技術(shù)。

1 全船振動(dòng)模態(tài)分析及頻率響應(yīng)預(yù)報(bào)

建模和計(jì)算軟件為MSC.Patran/Nastran。有限元模型如圖1所示。對(duì)于貨艙液體質(zhì)量的加載，采用MPC（多點(diǎn)約束）方法，即MSC.Nastran中RBE3單元；對(duì)于舷外附連水質(zhì)量，采用Nastran流固耦合Mfluid卡片進(jìn)行加載。對(duì)于阻尼的輸入，采用BV（法國(guó)船級(jí)社）提供的參數(shù)：5Hz以下，阻尼為0.01；在8.5Hz時(shí)，阻尼為0.02；17Hz以上時(shí)，阻尼為0.04。見(jiàn)圖2。

全船振動(dòng)模態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖3~7。圖3為便于在有限元軟件后處理時(shí)甄別出關(guān)鍵振型以及對(duì)應(yīng)的固有頻率；圖4為關(guān)鍵振型之一；圖5、6和7為3個(gè)典型位置在滿(mǎn)載工況下的振動(dòng)響應(yīng)。

圖1 VLCC全船振動(dòng)分析有限元模型

圖2 阻尼系數(shù)/頻率

圖 3 翼橋上某硬點(diǎn)處（左右舷各一點(diǎn)，并對(duì)稱(chēng)）振型幅值/頻率分布

圖4 7.47Hz對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)振型

圖 5 翼橋右舷上某硬點(diǎn)在主機(jī)7階H型水平導(dǎo)向力矩作用下的振動(dòng)響應(yīng)

圖 6 駕駛室某硬點(diǎn)在主機(jī)7階H型水平導(dǎo)向力矩作用下的振動(dòng)響應(yīng)

圖 7 機(jī)控室某硬點(diǎn)在主機(jī)7階H型水平導(dǎo)向力矩作用下的振動(dòng)響應(yīng)

由全船振動(dòng)模態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，主機(jī)在 68.5r/min附近翼橋端部縱向振動(dòng)幅值較高，而機(jī)艙、甲板室各考查點(diǎn)振動(dòng)幅值都在ISO 6954-1984（客船與商船機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)）[3]要求范圍以?xún)?nèi)。雖然翼橋端部不在ISO 6954考核區(qū)域內(nèi)，但是船東對(duì)主機(jī)在60r/min以上時(shí)翼橋端部振動(dòng)幅值大小有一定的要求，因此必須采取措施降低主機(jī)在60r/min以上時(shí)翼橋端部縱向振動(dòng)幅值。

2 翼橋減振方案

由全船振動(dòng)模態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，主機(jī)在68.5r/min附近時(shí)翼橋端部縱向振動(dòng)幅值較高，主要是由于甲板室（含翼橋）主要扭轉(zhuǎn)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率與主機(jī)7階H型水平導(dǎo)向力矩激振頻率發(fā)生共振造成的。而船東關(guān)注的是60~76r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)水平，因此需要把翼橋固有頻率提高到9Hz以上或者降低到7Hz以下。

有限元分析表明：若把翼橋固有頻率提高到9Hz以上，則翼橋結(jié)構(gòu)布置需大幅修改，權(quán)衡利弊后，決定采用翼橋端部附加質(zhì)量來(lái)降低甲板室（含翼橋）的扭轉(zhuǎn)振型固有頻率。同時(shí)在60r/min轉(zhuǎn)速以下，主機(jī)激振力相對(duì) 68.5r/min轉(zhuǎn)速時(shí)低，雖然降低甲板室扭轉(zhuǎn)振型固有頻率有可能造成與主機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)形成共振，但低轉(zhuǎn)速下主機(jī)激振力也會(huì)相應(yīng)減小，因此共振下的響應(yīng)幅值會(huì)有所下降。

3 附加質(zhì)量

為了確定翼橋端部附加質(zhì)量的大小，分別通過(guò)增加1t、3t、5t、7t質(zhì)量進(jìn)行了全船模態(tài)分析，結(jié)果顯示：增加5t以上即可把甲板室（含翼橋）最大扭轉(zhuǎn)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率降低到7Hz以下，即共振轉(zhuǎn)速降低到60r/min以下。圖8為增加5t質(zhì)量后，甲板室（含翼橋）扭轉(zhuǎn)振型。

為了驗(yàn)證FEM分析的準(zhǔn)確性，對(duì)翼橋進(jìn)行了撞擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)量其固有頻率。結(jié)果顯示：圖9實(shí)測(cè)結(jié)果為7.06Hz，圖8 FEM結(jié)果為6.90Hz，因此驗(yàn)證了FEM分析結(jié)果可靠，同時(shí)確定了在翼橋上增加5t質(zhì)量后，其固有頻率可降低到7.06Hz（共振轉(zhuǎn)速為60.5r/min）。圖9和圖10為增加5t質(zhì)量后實(shí)測(cè)的時(shí)域響應(yīng)和頻率響應(yīng)。

圖8 6.90Hz對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)振型

圖9 翼橋撞擊后振動(dòng)時(shí)域響應(yīng)

圖10 翼橋撞擊后振動(dòng)頻域響應(yīng)

根據(jù)全船模態(tài)分析以及翼橋撞擊試驗(yàn)的結(jié)果，綜合考慮決定在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內(nèi)）各增加7t質(zhì)量，并通過(guò)有限元分析確定翼橋及其甲板室支撐結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 試航振動(dòng)實(shí)測(cè)

在試航過(guò)程中，按照ISO 6954-2000[4]的要求測(cè)量機(jī)艙以及甲板室內(nèi)典型位置的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果全部滿(mǎn)足ISO 6954-2000的要求。

另外，對(duì)于船東特別關(guān)注的翼橋位置，分別在壓載和滿(mǎn)載，不附加質(zhì)量和附加質(zhì)量4種工況下測(cè)量翼橋端部振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果顯示：在壓載和滿(mǎn)載工況下，在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內(nèi)）各增加7t質(zhì)量后，共振轉(zhuǎn)速由66r/min降低到57r/min，各轉(zhuǎn)速（包含共振轉(zhuǎn)速）下翼橋端部振動(dòng)響應(yīng)，尤其是縱向振動(dòng)響應(yīng)大幅下降。圖11和圖12為壓載工況下翼橋端部縱向振動(dòng)響應(yīng)/轉(zhuǎn)速。圖12中由于57r/min附近測(cè)量轉(zhuǎn)速為2r/min/每檔，檔位太大，峰值沒(méi)有完全測(cè)出，加上此轉(zhuǎn)速激振力下降，因此57r/min處峰值不明顯。

圖11 壓載工況下翼橋端部振動(dòng)響應(yīng)/轉(zhuǎn)速（翼橋上增加7t質(zhì)量前）

圖12 壓載工況下翼橋端部振動(dòng)響應(yīng)/轉(zhuǎn)速（翼橋上增加7t質(zhì)量后）

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)全船振動(dòng)模態(tài)分析和頻域響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)翼橋外端處縱向振動(dòng)響應(yīng)較大；在綜合考慮其激振力頻率及大小、船體振動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果以及船舶建造所處階段等諸多因素后，提出翼橋端部附加質(zhì)量從而避開(kāi)共振區(qū)域、降低翼橋振動(dòng)響應(yīng)的方案，并再次進(jìn)行模態(tài)分析等理論計(jì)算來(lái)驗(yàn)證此方案的可行性，同時(shí)利用FEM對(duì)翼橋及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。為了驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過(guò)實(shí)船撞擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)量翼橋固有頻率，并對(duì)比、修正理論計(jì)算結(jié)果，從而確定附加質(zhì)量方案；試航實(shí)測(cè)證明此減振方案效果顯著，船東較滿(mǎn)意。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 船上振動(dòng)控制指南2000[S]. 2000.

[2] 胡永利，林 一，譚 美. 半潛式平臺(tái)遭遇碰撞的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 46-53.

[3] ISO 6954 (1984). Mechanical vibration and shock - Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships[S].

[4] ISO 6954 (2000). Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships[S].