52 m金槍魚(yú)延繩釣船設(shè)計(jì)階段振動(dòng)控制

袁奎霖，徐占鵬，崔洪宇，洪明

1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116000；2.大連漁業(yè)公司，遼寧 大連 116000

0 引言

隨著遠(yuǎn)洋捕撈業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)漁船建造市場(chǎng)已由以往追求大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)優(yōu)良、綠色清潔、振動(dòng)噪聲低的新型漁船［1-7］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了船舶振動(dòng)預(yù)報(bào)和減振方法［8-15］。江水等［16］總結(jié)了漁船振動(dòng)的振源、振動(dòng)形式及減振措施等問(wèn)題。安小同等［17］采用數(shù)值預(yù)報(bào)與實(shí)船測(cè)試相結(jié)合的方法，分析冷海水貝運(yùn)輸船艉部主甲板的局部振動(dòng)問(wèn)題，并提出了有效的減振措施。劉媛等［18］針對(duì)秋刀魚(yú)/魷魚(yú)釣船設(shè)計(jì)階段的振動(dòng)控制問(wèn)題，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式和有限元法預(yù)報(bào)了船舶總體振動(dòng)固有頻率和局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。張媛等［19］以脈動(dòng)壓力、軸承力和主機(jī)激振力作為激勵(lì)，采用MSC.Patran/Nastran建立拖網(wǎng)漁船全船三維有限元模型，分析強(qiáng)迫振動(dòng)，在計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足振動(dòng)基準(zhǔn)后優(yōu)化結(jié)構(gòu)減振，提出最優(yōu)減振方案。

金槍魚(yú)延繩釣船是最近遠(yuǎn)洋漁船中發(fā)展較快的一種漁船，該船型不僅要有較高的航速來(lái)轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)，還應(yīng)有良好的低速性能配合起釣捕撈作業(yè)，對(duì)主機(jī)和螺旋槳的要求非常高，因此如何避免船舶振動(dòng)成為亟待解決的問(wèn)題［20］。本文以52 m金槍魚(yú)延繩釣船為研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)階段對(duì)船體振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析與控制，避免過(guò)大振動(dòng)的發(fā)生?；诮Y(jié)構(gòu)有限元振動(dòng)計(jì)算得到船體相關(guān)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，結(jié)合螺旋槳和主機(jī)主要激勵(lì)進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改方案，以期為同類(lèi)型漁船的設(shè)計(jì)提供參考。

1 船舶概述

52 m金槍魚(yú)延繩釣船為單機(jī)單槳艉機(jī)型船，船艏設(shè)艏樓，艏樓后部的主甲板是起繩、收魚(yú)的作業(yè)甲板，橋樓與艉樓相連形成長(zhǎng)艉樓，長(zhǎng)艉樓上部是長(zhǎng)甲板室，甲板室前端是駕駛室，總布置如圖1所示。船體首尾垂線(xiàn)間長(zhǎng)44.80 m，型寬8.50 m，型深3.75 m，設(shè)計(jì)吃水深度為3.30 m，排水量為877 t，服務(wù)航速為12.0 kn；主機(jī)為XCW8200ZC-10，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min；螺旋槳選用5葉定距槳，直徑為2.8 m，轉(zhuǎn)速為186 r/min。船作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的工況為起繩工況，航速為8.4～8.6 kn，相應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為600～650 r/min。

圖1 52 m金槍魚(yú)延繩釣船總布置圖

2 主要激勵(lì)

2.1 主要激勵(lì)頻率

船上激勵(lì)主要為主機(jī)和螺旋槳，漁船的主機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率也較高。多缸高速機(jī)的平衡特性一般優(yōu)于低速機(jī)。螺旋槳激勵(lì)主要考慮葉頻和倍葉頻成分，主要是作用在槳上方外板的表面脈動(dòng)激勵(lì)［21-22］。

螺旋槳和主機(jī)在工作過(guò)程中都存在軸頻激勵(lì)，相應(yīng)的頻率

式中：N為螺旋槳或主機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

螺旋槳產(chǎn)生的葉頻和倍葉頻激勵(lì)頻率

式中：fprop為螺旋槳激勵(lì)頻率，Hz；K為激勵(lì)階數(shù)，為葉頻時(shí)K=1，為倍葉頻時(shí)K=2；Z為螺旋槳葉數(shù)。

本文主要考慮主機(jī)及螺旋槳軸頻激勵(lì)和螺旋槳葉頻及倍葉頻激勵(lì)，結(jié)合船的工況，確定相應(yīng)的激勵(lì)頻率，為船體結(jié)構(gòu)有限元振動(dòng)分析提供依據(jù)，避免發(fā)生共振，減小可能出現(xiàn)的較大振動(dòng)。根據(jù)金槍魚(yú)延繩釣船的設(shè)計(jì)要求，分別計(jì)算繩工況（主機(jī)轉(zhuǎn)速為600～650 r/min）和航行工況（主機(jī)轉(zhuǎn)速為 850～1000 r/min）2種典型工況下的主要激勵(lì)頻率進(jìn)行，結(jié)果如表1所示。

表1 典型工況主機(jī)與螺旋槳主要激勵(lì)頻率 Hz

2.2 螺旋槳脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)與校核

從減小伴流影響來(lái)說(shuō)，螺旋槳離船體越遠(yuǎn)越好，葉梢與船體之間的間隙越大越好，如圖2所示，螺旋槳凈空尺寸［21］2-61為：a=0.12D，b=0.20D，c=0.14D，d=0.04D，其中 D為螺旋槳直徑，目標(biāo)船螺旋槳直徑為2.8 m。根據(jù)螺旋槳凈空尺寸校核目標(biāo)船螺旋槳與艉部特征間隙設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如表2所示，結(jié)果表明，目標(biāo)船滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求。

預(yù)報(bào)計(jì)算螺旋槳在船體表面引起的脈動(dòng)壓力。無(wú)空泡螺旋槳在船體表面引起的葉頻脈動(dòng)壓力［23］

式中：R為螺旋槳半徑，m；ds為當(dāng)葉片在頂部位置時(shí)，從螺旋槳0.9R處到浸入水中的計(jì)算表面的距離，m。

由螺旋槳空泡引起的葉頻脈動(dòng)壓力

式中：vs為船速，m/s；wTmax為最大伴流峰值；we為有效伴流；ha為螺旋槳軸浸深，m；K0和Kc為系數(shù)。

螺旋槳作用在船體外板上的等效總脈動(dòng)壓力

由式（6）得螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力為3.39 kPa，小于規(guī)定限值8.0 kPa，滿(mǎn)足脈動(dòng)壓力衡準(zhǔn)要求［23］27。

圖2 螺旋槳凈空尺寸示意圖

表2 螺旋槳凈空尺寸校核 m

3 船體總體固有頻率預(yù)報(bào)及共振分析

3.1 船體總體固有頻率的有限元分析模型

為判斷整個(gè)船體處于關(guān)心激勵(lì)頻率段的共振區(qū)域，采用MSC·Patran建立全船三維結(jié)構(gòu)有限元模型，分析其固有頻率。船體結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬板材，主要單元為550mm×500mm；橫梁、縱骨及縱桁用梁?jiǎn)卧Ｐ汀Ｕ麄€(gè)模型共有23 243個(gè)單元，12 021個(gè)節(jié)點(diǎn)，整船有限元模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖3所示。

計(jì)算分析振動(dòng)時(shí)，船上非結(jié)構(gòu)物體的質(zhì)量需要采用相應(yīng)單元考慮，主要是大型設(shè)備和動(dòng)力裝置。附連水質(zhì)量采用MSC.Nastran中的流固耦合分析，通過(guò)水線(xiàn)下剖分濕表面單元的源匯分布法進(jìn)行計(jì)算。

圖3 金槍魚(yú)延繩釣船結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 船體總體固有頻率的計(jì)算結(jié)果與分析

漁船作業(yè)包括出港捕魚(yú)、捕魚(yú)中、滿(mǎn)載返航、滿(mǎn)載到港和空載到港等載況。由于極端載況可反映船舶振動(dòng)性能的優(yōu)劣，因此選擇出港捕魚(yú)和空載到港2種載況。

采用ABS［24］推薦的Kumai經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算出港捕魚(yú)工況下的垂向振動(dòng)固有頻率，并與有限元模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。首階（2節(jié)點(diǎn)）垂向振動(dòng)固有頻率

式中：Iv為船體舯剖面慣性矩，m4；L為船體首尾垂線(xiàn)間長(zhǎng)，m；Δi為包含附連水質(zhì)量效益的有效排水量，t，Δi=（1.2+1/3×B/T），其中 B為型寬，m；T為平均吃水深度，m。

二階及以上垂向振動(dòng)固有頻率

式中：n為振動(dòng)振型節(jié)點(diǎn)數(shù)；α為計(jì)算船型相關(guān)系數(shù)，漁船α一般取0.845。

采用Kumai經(jīng)驗(yàn)公式與有限元模型計(jì)算的垂向振動(dòng)前三階固有頻率如表3所示。結(jié)果表明兩者基本吻合，證明了全船有限元模型的有效性，可用于后續(xù)船體總體固有頻率的預(yù)報(bào)及共振分析。

表3 出港捕魚(yú)工況垂向振動(dòng)各階固有頻率 Hz

根據(jù)金槍魚(yú)延繩釣船的工作特點(diǎn)，主機(jī)轉(zhuǎn)速主要考慮全速航行與起繩作業(yè)（主機(jī)低速轉(zhuǎn)速下航行）2種典型工況。在主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分析船上主要激勵(lì)頻率與船體總體垂向振動(dòng)的固有頻率，主機(jī)轉(zhuǎn)速與結(jié)構(gòu)固有頻率的關(guān)系如圖4所示。

在全速航行工況即主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的85%～100%時(shí)，主機(jī)軸頻和螺旋槳葉頻激勵(lì)與船體垂向3階頻率相近；在起繩工況即主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的60%～65%時(shí)，主機(jī)軸頻和螺旋槳葉頻激勵(lì)與船體垂向2階頻率相近，表明設(shè)計(jì)方案中的船體總體振動(dòng)未能避開(kāi)激勵(lì)共振，可能引起過(guò)度振動(dòng)。一般在制造過(guò)程中將主機(jī)軸頻激勵(lì)控制在非常低的量級(jí)，可以適當(dāng)忽略影響。在設(shè)計(jì)額定工況下，螺旋槳脈動(dòng)壓力強(qiáng)度滿(mǎn)足衡準(zhǔn)限定值，引起總體過(guò)大振動(dòng)的可能性不大，但需要進(jìn)一步對(duì)重點(diǎn)局部區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)分析和頻率儲(chǔ)備計(jì)算。

圖4 主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)釣船的總體垂向振動(dòng)固有頻率和主要激勵(lì)頻率遭遇示意圖

4 船體局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與減振設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有限元振動(dòng)分析，并結(jié)合船上主要激勵(lì)頻率，對(duì)發(fā)生共振遭遇模態(tài)的局部結(jié)構(gòu)提出減振修改方案（盡可能選用已有型材加強(qiáng)結(jié)構(gòu)）。為了減少邊界條件簡(jiǎn)化的影響，駕駛室羅經(jīng)甲板局部結(jié)構(gòu)延伸至駕駛甲板處，邊界條件為對(duì)駕駛甲板連接的位置進(jìn)行簡(jiǎn)支固定。有限元模型如圖5所示。

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元分析。羅經(jīng)甲板振動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖6～9所示。

由圖6～9可知，羅經(jīng)甲板第2階模態(tài)頻率21.34 Hz與起繩工況下主機(jī)二階激勵(lì)頻率遭遇，在45#～46#附近區(qū)域產(chǎn)生局部振動(dòng)模態(tài)。因此，建議加強(qiáng)45#和46#橫梁，結(jié)構(gòu)由原來(lái)的L63mm×40mm×5mm改為L(zhǎng)100mm×63mm×7mm，如圖10所示（圖中單位為mm）。

圖5 羅經(jīng)甲板局部振動(dòng)有限元分析模型

圖6 羅經(jīng)甲板16.87 Hz一階振動(dòng)固有模態(tài)

圖7 羅經(jīng)甲板21.34 Hz二階振動(dòng)固有模態(tài)

圖8 羅經(jīng)甲板25.76 Hz三階振動(dòng)固有模態(tài)

圖9 原始設(shè)計(jì)駕駛室羅經(jīng)甲板局部振動(dòng)固有頻率與激勵(lì)遭遇示意圖

圖10 羅經(jīng)甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)修改示意圖

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的羅經(jīng)甲板模態(tài)振型與相應(yīng)頻率結(jié)果如圖11～13所示。羅經(jīng)甲板的前二階模態(tài)頻率均避開(kāi)了螺旋槳和主機(jī)的危險(xiǎn)頻率范圍，表明改進(jìn)后的羅經(jīng)甲板結(jié)構(gòu)合理。

圖11 羅經(jīng)甲板17.23 Hz一階振動(dòng)模態(tài)

圖12 羅經(jīng)甲板26.44 Hz二階振動(dòng)模態(tài)

分析其他局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)出現(xiàn)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)。

1）駕駛甲板艉部。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，駕駛甲板-5#～5#區(qū)域存在較多危險(xiǎn)模態(tài)，建議加強(qiáng)-4#和 0#橫梁，將原角鋼L75 mm×50 mm×5 mm改為T(mén)型材T150 mm×6 mm/70 mm×7 mm；分別在距船中左3000 mm和距船中右3000 mm處從尾部至7#+350 mm處各加一縱桁，構(gòu)件尺寸均為T(mén)150mm×6 mm/70 mm×7 mm，如圖14所示（圖中單位為mm）。

2）艉部船體板架結(jié)構(gòu)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在艉部淡水艙舷側(cè)存在危險(xiǎn)振動(dòng)模態(tài)，因此建議將該艙舷側(cè)肋骨由原角鋼L90 mm×56 mm×6 mm改為T(mén)型材T150 mm×6 mm/70 mm×7 mm，如圖15所示（圖中單位為mm）。

最終計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的固有頻率可有效地避開(kāi)主要激勵(lì)頻率。

圖13 修改后駕駛室羅經(jīng)甲板局部振動(dòng)固有頻率與激勵(lì)遭遇示意圖

圖14 駕駛甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖

圖15 艉部淡水艙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖

5 試航實(shí)船振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段振動(dòng)控制的效果，在試航過(guò)程中對(duì)船體進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量。測(cè)點(diǎn)包括主機(jī)基座（①號(hào)測(cè)點(diǎn)）、駕駛甲板艉部（②號(hào)測(cè)點(diǎn)）、艉樓甲板（③號(hào)測(cè)點(diǎn)）以及羅經(jīng)甲板（④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)），具體測(cè)量位置如圖1所示，所有測(cè)點(diǎn)均為垂向布置。分別在600～650 r/min（起繩工況）和850～1000 r/min（航行工況）主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)共10個(gè)不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖16～18所示。

由圖16可知，螺旋槳葉頻和倍葉頻激勵(lì)峰值比較明顯。

由圖17可知，螺旋槳葉頻非常明顯，倍葉頻響可忽略。由圖18可知，1000 r/min轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)明顯，低轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)很小，沒(méi)有超過(guò)文獻(xiàn)［25］的限定。

圖16 主機(jī)1000 r/min駕駛甲板艉部垂向振動(dòng)頻譜

圖17 主機(jī)1000 r/min羅經(jīng)甲板（④號(hào)測(cè)點(diǎn)）垂向振動(dòng)頻譜

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)設(shè)計(jì)建造中52 m金槍魚(yú)延繩釣船實(shí)施振動(dòng)控制，重點(diǎn)是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少共振。實(shí)船航行振動(dòng)測(cè)量結(jié)果反映原振動(dòng)劇烈區(qū)域經(jīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后沒(méi)有出現(xiàn)較大的有害振動(dòng)，設(shè)計(jì)過(guò)程振動(dòng)控制需要注意以下問(wèn)題：1）選擇主機(jī)時(shí)可考慮選擇振動(dòng)特性?xún)?yōu)良的機(jī)型，在推進(jìn)、排放和振動(dòng)等約束中優(yōu)化選擇。2）方案設(shè)計(jì)階段，需考慮螺旋槳的葉數(shù)和轉(zhuǎn)速、綜合推進(jìn)效率和振動(dòng)性能。3）艉部線(xiàn)型設(shè)計(jì)需考慮螺旋槳的激振力，包括船體去流段水線(xiàn)夾角和螺旋槳與艉部輪廓間隙滿(mǎn)足相應(yīng)設(shè)計(jì)建造規(guī)范要求，必要時(shí)校核螺旋槳脈動(dòng)壓力。對(duì)艉部、駕駛室及重要艙室處結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)校核，避免出現(xiàn)與主要激勵(lì)共振，必要時(shí)則需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率。4）在試航過(guò)程中，有條件對(duì)重要部位，尤其是修改部位進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，研究采取振動(dòng)控制措施后的效果，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。5）設(shè)計(jì)過(guò)程中的振動(dòng)控制需要同時(shí)考慮其他設(shè)計(jì)因素，滿(mǎn)足使用要求，保證建造工藝的可行性及可接受的經(jīng)濟(jì)成本等。

圖18 主機(jī)不同轉(zhuǎn)速羅經(jīng)甲板（④號(hào)測(cè)點(diǎn)）垂向振動(dòng)頻譜