新規(guī)范下常規(guī)散貨船居住區(qū)的振動(dòng)響應(yīng)分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

21萬t好望角型散貨船作為新一代開發(fā)設(shè)計(jì)船型，滿足HCSR和TierIII要求，在船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的基礎(chǔ)上，振動(dòng)水平有較大提升。為評(píng)估其居住區(qū)振動(dòng)水平是否達(dá)到新規(guī)范ISO 20283-5要求，在有限元軟件中建立全船模型，分別計(jì)算滿載離港和壓載到港2種工況下的振動(dòng)響應(yīng)。選取部分居住區(qū)域的房間作為預(yù)報(bào)點(diǎn)?？紤]到新規(guī)范是以頻率加權(quán)值作為評(píng)價(jià)對(duì)象，與有限元計(jì)算結(jié)果不一致，需要對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再與新規(guī)范限值相比較。

1 振動(dòng)模型建立

1.1 整船模型

考慮到居住區(qū)域的邊界條件，船體板外側(cè)附連水以及貨艙貨物重量的影響，建立全船模型以便較為準(zhǔn)確地模擬分析居住區(qū)域的振動(dòng)特性。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)，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)件以面單元(shell)模擬；橫梁、縱骨和肋骨等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用梁單元(beam)模擬；用點(diǎn)單元(mass)模擬船上設(shè)備、壓載水以及貨油等重量，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保持基本一致。船體艉部、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 整船有限元模型

1.2 居住區(qū)模型

居住區(qū)的艙室物品重量采用點(diǎn)單元模擬，甲板敷料及艙室內(nèi)裝修材料等，通過修改材料密度方式添加質(zhì)量，模型見圖2。

圖2 居住區(qū)有限元模型

關(guān)于舷外附連水對(duì)于全船振動(dòng)的影響，參考文獻(xiàn)[1]總結(jié)出的估算附連水質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)公式，與船舶實(shí)際情況存在一定的誤差，可根據(jù)水池模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、CFD計(jì)算結(jié)果，較為準(zhǔn)確地計(jì)算附連水質(zhì)量。應(yīng)用計(jì)算軟件中定義有限元濕面單元和吃水高度，施加滿載出港與壓載到港下的附連水質(zhì)量。

2 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

2.1 激勵(lì)源加載

船上機(jī)器造成的不均勻慣性力、螺旋槳引起的脈動(dòng)壓力及波動(dòng)壓力是造成船體強(qiáng)迫振動(dòng)的主要因素。主機(jī)激勵(lì)主要為1、2階不平衡力矩和H、X、L型激勵(lì)，根據(jù)主機(jī)與螺旋槳資料，確定激振源為主機(jī)2階不平衡力矩激勵(lì)，H、X型力矩及螺旋槳的葉頻脈動(dòng)壓力，其他激勵(lì)與之相比甚小，可忽略不計(jì)[2]。

本船主機(jī)型號(hào)為MAN B&W 的二沖程6缸6G60ME-C9.5 Tier II，較有可能引起船體振動(dòng)的激勵(lì)有2階不平衡力矩，6階H型外力力矩，具體參數(shù)見表1。

表1 6G60ME-C9.5 Tier II型主機(jī)各階激振力矩 kN·m

通過施加主機(jī)的不平衡力矩、螺旋槳的脈動(dòng)壓力，計(jì)算發(fā)現(xiàn)主機(jī)H型缸頻下的居住區(qū)的響應(yīng)值最大。因此，只須主機(jī)缸頻為激勵(lì)源的振動(dòng)響應(yīng)滿足新規(guī)范即可。

2.2 響應(yīng)值轉(zhuǎn)換

新規(guī)范ISO 20283-5在ISO 6954—2000(E)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了振動(dòng)要求，兩者皆是以考慮頻率加權(quán)后的有效值(RMS值)作為評(píng)價(jià)對(duì)象。應(yīng)用有限元法預(yù)報(bào)船體振動(dòng)結(jié)果為最大峰值，與規(guī)范評(píng)估對(duì)象不一致，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化后，再與新規(guī)范限值對(duì)比。

ISO 20283-5考慮了人體對(duì)不同頻率振動(dòng)的反應(yīng)，以RMS值作為評(píng)價(jià)對(duì)象[3]。

(1)

式中：wi為針對(duì)第i個(gè) 1/3倍頻帶的權(quán)重系數(shù)，包括以加速度wa為輸入量 和以速度wv為輸入量的權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)值見圖3[4]。

圖3 1/3倍頻帶加權(quán)系數(shù)

船體振動(dòng)最大重復(fù)值，為振動(dòng)測量時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)頻譜上的最大峰值，其計(jì)算式為

(2)

(3)

3 居住區(qū)域振動(dòng)預(yù)報(bào)

分析整船在壓載到港(LC1)和滿載離港(LC2)工況下的振動(dòng)響應(yīng)。選取居住區(qū)域若干房間作為預(yù)報(bào)點(diǎn)，以速度響應(yīng)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，便于與后續(xù)的實(shí)測數(shù)據(jù)比較。將預(yù)報(bào)結(jié)果轉(zhuǎn)換RMS值，與新規(guī)范限值比較分析，以驗(yàn)證居住區(qū)域振動(dòng)響應(yīng)是否滿足新規(guī)范要求，新規(guī)范中船員區(qū)域的衡準(zhǔn)見表2。

表2 新規(guī)范ISO 20283-5可接受振動(dòng)限值

3.1 預(yù)報(bào)點(diǎn)設(shè)置

以居住區(qū)域內(nèi)的駕駛甲板、E甲板、D甲板以及C甲板為研究對(duì)象，依據(jù)艙室分布情況、實(shí)船測量經(jīng)驗(yàn)，選取各層甲板典型房間內(nèi)的2～3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為預(yù)報(bào)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)預(yù)報(bào)點(diǎn)，分布見圖4。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

分別模擬計(jì)算2種工況下全船振動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式，對(duì)居住區(qū)域內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，然后與新規(guī)范的振動(dòng)響應(yīng)限值比較分析，以評(píng)估新開發(fā)的常規(guī)散貨船上層建筑振動(dòng)水平，驗(yàn)證是否達(dá)到新規(guī)范ISO 20283-5要求，居住區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)RMS值見表3。

圖4 居住區(qū)振動(dòng)預(yù)報(bào)點(diǎn)分布

在壓載到港(LC1)工況下，E甲板引水員房間x、y方向的速度響應(yīng)值與規(guī)范限值3.5 mm/s比較，分別超出0.4、0.3 mm/s，船長辦公室x、y方向的響應(yīng)值超出衡準(zhǔn)0.1 mm/s；D甲板高級(jí)船員房間y、z方向超出標(biāo)準(zhǔn)要求0.2 mm/s。其他房間的預(yù)報(bào)結(jié)果滿足新規(guī)范要求。滿載離港工況(LC2)下，各預(yù)報(bào)點(diǎn)響應(yīng)值均小于壓載工況，符合新規(guī)范要求。居住區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)滿足新規(guī)范要求。

3.3 不同規(guī)范限值

將轉(zhuǎn)換完成的振動(dòng)響應(yīng)RMS值與舊規(guī)范限值對(duì)比，評(píng)估預(yù)報(bào)結(jié)果是否符合舊規(guī)范要求，舊規(guī)范ISO 6954—2000(E)限值見表4。

表4 ISO 6954-2000(E)規(guī)范限值

由表2、4中規(guī)范限值可知：新標(biāo)準(zhǔn)將船舶區(qū)域分類船員區(qū)域和乘客區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)將船員區(qū)域細(xì)化為6類，而舊規(guī)范中船舶區(qū)域只分為乘客居住艙、船員居住區(qū)以及船員工作區(qū)三類；船員工作區(qū)速度限值由8.0 mm/s提升到6.0 mm/s或4.5 mm/s，船員居住區(qū)的限值由6.0 mm/s上升為3.5 mm/s，限值要求相對(duì)于舊標(biāo)準(zhǔn)，限值提升幅度較大，兩種工況下的預(yù)報(bào)值都滿足舊規(guī)范要求。因此，認(rèn)為新振動(dòng)規(guī)范為更嚴(yán)格，要達(dá)到新規(guī)范振動(dòng)水平，需要做大量的振動(dòng)分析與預(yù)報(bào)工作。

4 結(jié)論

1)居住區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)滿足ISO 20283-5要求，上建振動(dòng)響應(yīng)值從高往低依次趨于減小，與上層建筑類似“懸臂梁”結(jié)構(gòu)形式的振動(dòng)規(guī)律一致。

2)振動(dòng)響應(yīng)的最大峰值、RMS值轉(zhuǎn)換方法仍需進(jìn)一步優(yōu)化，下一階段的目標(biāo)是將預(yù)報(bào)值與實(shí)測數(shù)據(jù)比較分析，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)換方法，使其更為嚴(yán)格、科學(xué)，接近工程實(shí)際。

3)與舊規(guī)范相比，新振動(dòng)規(guī)范要求更為嚴(yán)格，但新規(guī)范中區(qū)域類型定義更加詳細(xì)、明確，并提供對(duì)應(yīng)區(qū)域限值，避免了考核區(qū)域選擇錯(cuò)誤或衡準(zhǔn)值界定不明等情況的發(fā)生。