某漁業(yè)運(yùn)輸船砰擊振動(dòng)的測(cè)試與分析

姜明慶，郭遠(yuǎn)志，張兆德

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

·研究簡(jiǎn)報(bào)·

某漁業(yè)運(yùn)輸船砰擊振動(dòng)的測(cè)試與分析

姜明慶，郭遠(yuǎn)志，張兆德

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

某漁業(yè)運(yùn)輸船在北太平洋海域作業(yè)時(shí)，經(jīng)常遇到風(fēng)浪較大的海況，會(huì)出現(xiàn)較大幅度的船體振動(dòng)，本研究對(duì)該船體進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析，并結(jié)合有限元計(jì)算，分析認(rèn)為該船振動(dòng)為砰擊振動(dòng)，并研究了振動(dòng)成因，比較了不同改造措施的減振效果，提出了有效降低船體振動(dòng)的方案。

船體振動(dòng)；砰擊；顫振；減振分析

近年來(lái)，隨著國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶性能要求地不斷提高。國(guó)內(nèi)對(duì)船舶的各項(xiàng)性能要求也逐漸提升。其中，船舶的整體振動(dòng)和局部振動(dòng)也逐漸受到重視。隨著檢驗(yàn)技術(shù)的提升，各種現(xiàn)役船舶的振動(dòng)性能已經(jīng)滿(mǎn)足不了安全要求和舒適度的要求。此時(shí)，許多船舶亟待進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，找到整船振動(dòng)或局部振動(dòng)過(guò)大的原因，進(jìn)而對(duì)船身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，找到良好的減振方式，進(jìn)而保證船體結(jié)構(gòu)的性能和安全，提高舒適度。

安小同和洪明[1]針對(duì)50 m冷海水貝類(lèi)運(yùn)輸船甲板出現(xiàn)的有害振動(dòng)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了降低有害振動(dòng)的修改方案。鄭翰獻(xiàn)等[2]對(duì)京杭運(yùn)河的運(yùn)河漕舫船體進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)用測(cè)試結(jié)果分析船體振動(dòng)過(guò)大的原因，并提出了減振降噪措施。李品敏[3]針對(duì)8 000 kW海洋救助船和小水線(xiàn)面雙體船的振動(dòng)情況，分析了振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，并采取有效的工藝措施，達(dá)到減振降噪的目的。林永水等[4]針對(duì)20 000 t近海散貨船的有害振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)一系列的測(cè)試試驗(yàn)和有限元計(jì)算，找到主要振源，并給出了一系列綜合減振措施。李凱等[5]針對(duì)30 000 t大湖型散貨船的有害振動(dòng)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)測(cè)和有限元計(jì)算，從船體結(jié)構(gòu)上采取合理的減振措施，取得了良好的效果。帥兵[6]采用兩種有限元方法對(duì)1 700 TEU淺吃水集裝箱船進(jìn)行全船振動(dòng)預(yù)報(bào)，找到有害振動(dòng)點(diǎn)并提出預(yù)防和改進(jìn)措施；并對(duì)該集裝箱船的機(jī)艙和上層建筑進(jìn)行局部振動(dòng)模擬，調(diào)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)布置后與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，保證了振動(dòng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。劉長(zhǎng)卿[7]結(jié)合數(shù)值計(jì)算與實(shí)船測(cè)試的方法，對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船舶尾部振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)例分析，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。張守俊[8]通過(guò)研究隨機(jī)振動(dòng)對(duì)船舶運(yùn)行狀態(tài)的影響，為減輕船體振動(dòng)提供了一定的理論支持。

本文針對(duì)某漁業(yè)運(yùn)輸船在北太海域作業(yè)時(shí)，船身以及桅桿振動(dòng)比較嚴(yán)重的情況，對(duì)船體及桅桿進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析以及數(shù)值計(jì)算，結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方案對(duì)比，分析了船舶振動(dòng)的主要成因，提出了合理的減振方案。

1 船體參數(shù)

該漁業(yè)運(yùn)輸船的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船體主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the ship

船舶總布置圖如圖1所示。

圖1 全船總布置圖Fig.1 The ship layout

2 實(shí)船測(cè)試

在船舶的機(jī)艙、上層建筑及甲板的不同位置布置橫向、縱向和垂向加速度傳感器，進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

參考商船垂向和水平振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，如圖3所示。

五級(jí)風(fēng)以下海況下，主機(jī)轉(zhuǎn)速在300～580 r/min，所有測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值均在穩(wěn)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

圖2 漁業(yè)運(yùn)輸船振動(dòng)測(cè)試Fig.2 Vibration test of the fisheries transport ship

圖3 商船垂向和水平振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)Fig.3 Evaluation criterion of merchant ship's vertical and horizontal vibration

當(dāng)遇6級(jí)風(fēng)、浪高2 m以上條件下，逆風(fēng)航行，且航速達(dá)到8 kn以上的情況下，每當(dāng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)較大波浪時(shí)，船體出現(xiàn)一次較大振動(dòng)，這種振動(dòng)衰減較慢，在駕駛臺(tái)還能感覺(jué)明顯的縱向振動(dòng)。甲板上的測(cè)試振動(dòng)信號(hào)如圖4所示。

圖4 甲板測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)Fig.4 Time-domain vibration signal of the tested point on deck

圖5 艏樓前壁測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)Fig.5 Time-domain vibration signal of the tested point at the front wall of the bow

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析結(jié)果表明，甲板上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值略高于上述標(biāo)準(zhǔn)，而艏樓前壁上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)明顯高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值。

3 船體數(shù)值模擬分析

3.1 整船的模態(tài)分析

利用MSC.PATRAN建立全船三維有限元模型，用板單元模擬外板、甲板、艙壁等，常用的板單元有四邊形和三角形兩種，這種單元可以承受彎曲應(yīng)力、正應(yīng)力和剪應(yīng)力等，本文所用模型板單元規(guī)格為650 mm×550 mm和650 mm×600 mm；用梁?jiǎn)卧M橫骨架、縱骨等，梁?jiǎn)卧梢猿惺芾瓑汉蛷澢氖芰?。模型總的?jié)點(diǎn)數(shù)量為30 467，單元數(shù)量為72 719。建模時(shí)坐標(biāo)軸的定義：X軸向船首為，Y軸正向左舷為正，Z軸向上為正，如圖6所示。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

對(duì)現(xiàn)有100 t油料載況進(jìn)行模態(tài)分析，得出前桅桿的一階固有頻率為2.505 Hz，后桅桿的一階固有頻率為3.179 Hz，船體垂面內(nèi)總縱彎曲的一階固有頻率為2.127 Hz、第二階頻率為3.205 Hz。

圖7 船舶的模態(tài)分析Fig.7 The modal analysis of the ship

3.2振動(dòng)原因分析

通過(guò)對(duì)本船的測(cè)試與有限元模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)的條件與特征，綜合分析認(rèn)為，本船在風(fēng)浪較大環(huán)境下因波浪砰擊時(shí)而出現(xiàn)較大幅度振動(dòng)現(xiàn)象為顫振。

在船艏無(wú)壓載，艏吃水較小的情況下，波浪砰擊更容易引起船體彎曲；由于桅桿高而粗重，而桅屋結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，船體受波浪砰擊發(fā)生船體彎曲的同時(shí)桅桿發(fā)生擺動(dòng)，而桅桿的一階固有頻率與船體的二階固有頻率比較接近，會(huì)發(fā)生更大幅度的振動(dòng)；同時(shí)甲板板架與上層建筑之間結(jié)構(gòu)不夠強(qiáng)，進(jìn)而會(huì)引發(fā)上層建筑長(zhǎng)周期的縱向振動(dòng)。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施分析

對(duì)桅桿和桅屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與改造研究，表2為不同改造方案下桅桿的固有頻率分析。

表2 不同改造方案下桅桿的固有頻率Tab.2 The natural frequency of the mast under different transformation schemes

通過(guò)上述不同方案的分析，可以選擇方案2或方案5，可以更好地提高桅桿結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免出現(xiàn)與船體固有頻率接近，以減小振動(dòng)幅度。

5 總結(jié)

基于測(cè)試與分析，研究現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)的條件，分析認(rèn)為：

（1）本船在風(fēng)浪較大環(huán)境下因波浪砰擊時(shí)而出現(xiàn)的較大幅度振動(dòng)現(xiàn)象為顫振。

（2）本船桅桿的一階固有頻率與船體二階固有頻率比較接近，更易誘發(fā)振動(dòng)現(xiàn)象。在船艏無(wú)壓載，艏吃水較小的情況下，波浪砰擊顫振現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

（3）縮短桅桿并加強(qiáng)桅屋，以增加桅屋的剛度，提高桅桿結(jié)構(gòu)的固有頻率?？梢悦黠@減小現(xiàn)有波浪砰擊振動(dòng)的幅度；

（4）對(duì)甲板與上層建筑局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)的剛度，也可以有效抑制上層建筑的縱向振動(dòng)。

[1]安小同,洪 明.50 m冷海水運(yùn)輸船振動(dòng)及減振分析[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2011,19(4):46-50.

[2]鄭翰獻(xiàn),張兆德,譚永朝,等.運(yùn)河漕舫的振動(dòng)測(cè)試與減振降噪分析[J].船海工程,2009,38(4):77-80.

[3]李品敏.船舶振動(dòng)及減振技術(shù)的應(yīng)用分析[J].廣東造船,2008(4):40-42.

[4]林永水,吳衛(wèi)國(guó),翁長(zhǎng)儉.20 000 t近海散貨船有害振動(dòng)診斷及治理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2015(2):292-296.

[5]李 凱,劉 松,李東鵬,等.30 000 t大湖型散貨船有害振動(dòng)的診斷及治理[J].船舶工程,2009,31(4):33-37.

[6]帥 兵.某集裝箱船機(jī)艙和上層建筑的局部振動(dòng)分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[7]劉長(zhǎng)卿.全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船舶尾部振動(dòng)特性的研究[D].上海:上海交通大學(xué),2014.

[8]張守俊.隨機(jī)振動(dòng)影響下的船舶減振模擬計(jì)算[D].大連:大連海事大學(xué),2012.

Vibration Test and Analysis of Refrigerated Carrier

JIANG Ming-qing,GUO Yuan-zhi,ZHANG Zhao-de
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China)

The vibration of hull and mast of a refrigerated transport ship in the relative rough sea area is serious.The measurement results of the hull and mast’vibration is analyzed.And some reconstruction measures are put forward according to the finite element calculation and measurement vibration under slamming.The improvement measures are analyzed,and an optimized scheme for reducing the vibration of the refrigerated transport ship is obtained.

ship vibration;slamming;flutter;vibration reduction analysis

U661.44

：A

2016-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51379189；51409232）

姜明慶（1984-），男，福建順昌人，研究方向：漁船裝備與技術(shù).

張兆德.E-mail:zhangzhaode@163.com

1008－830X(2017)01－0072－05