GL.LocVibs對于上建結構局部振動頻率的分析

摘 要：本文以船舶建造過程中，經常遇到的局部振動問題為例，介紹應用GL船級社的GL.LocVibs軟件，解決此類問題。

關鍵詞：局部振動; GL.LocVibs; 上建結構；頻率

Analysis on Local Vibration Frequency of Superstructure with GL.LocVibs

HUANG Tianxing1， KUANG Fuxing2

(1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250; 2.Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd. Guangzhou 510727)

Abstract: By taking local vibration of superstructure that often appears during ship construction as an example， this paper introduces how to solve the problem with the program GL.LocVibs developed by GL.

Key words: Local Vibration; GL.LocVibs; Superstructure; Frequency

1前言

GL.LocVibs是德國GL船級社的一款局部振動分析軟件，用于分析局部結構的固有頻率。之前本人遇到過的一艘1 700TEU船，試航中發現該集裝箱船上建駕駛室甲板存在振動超標的問題，我們采用GL.LocVibs軟件分析該處甲板，來解決振動問題。該船主要參數：

總長Loa 175.00 m

垂線間長Lbp165.00 m

型寬B27.40 m

型深D 14.30 m

設計吃水T 10.90 m

排水量 ▽~18 334 t

設計航速 20.5 kn

主機型號 MAN/BW， type 7S 60 MC- C

額定轉速 105 r/min

2振源分析

結構受外界激勵，作強迫振動，若外界激勵的頻率接近于結構固有頻率時，強迫振動的振幅將達到非常大的值，這就是共振。船體局部區域的震動，正是由于各類設備（主機、發電機、螺旋槳和各位輔機）運行時產生震動，激起結構的共振。如上建區域的振動主要是螺旋槳轉動時，槳葉帶動水流沖擊船舶尾部產生脈沖式的壓力，引起上建區域的共振；機艙區域的震動主要是主機點火時，氣缸內氣體的爆燃產生沖擊，引起機艙區域的共振。

大部分振動對于船舶的壽命和人們的居住環境是不利的，因此避免有害振動是船舶設計必須解決的一個問題。

3軟件原理

振源（主機和螺旋槳）的激振頻率固定時，當結構的固有頻率越接近振源的激振頻率時，共振的振幅越大，因此設計時，應盡量使得結構的固有頻率遠離激振頻率。結構的固有頻率和結構的剛度息息相關，如果結構的固有頻率小于振源的激振頻率，結構的剛度也會降低，且當激振頻率降低時（例如停機時螺旋槳轉速降低），還會引起結構的共振。因此設計時，一般考慮增加結構的剛度，加大結構的固有頻率，使其遠離振源的最大激振頻率。但無休止地增加結構剛度，增加結構固有頻率，會增加結構的重量，不利于船舶的經濟性。

GL.LocVibs以經驗公式為內核，快速計算船體局部結構的固有頻率。通過對話窗口，設計人員可以快速調整局部結構的構件尺寸，再馬上計算其固有頻率。GL.LocVibs正是用于計算局部結構的固有頻率，并與激振頻率相比較的一款軟件。

4計算確定激振頻率

主機的點火頻率計算：

ne- 主機轉速

nc- 主機氣缸數

kseroke-主機沖程系數={ 1-主機為2沖程時}

螺旋槳頻率計算：

n - 螺旋槳轉速

z - 螺旋槳葉數

本船螺旋槳轉速105 r/min，槳葉數為5，計算出螺旋槳頻率為8.75 Hz。因上建結構的振動主要是螺旋槳激振引起的，因此只需要用到螺旋槳的激振頻率。

5響應范圍的劃分

由于結構具有阻尼的存在，激振頻率響應到越遠區域的結構會逐漸降低，因此確定不同區域的實際激振頻率就很重要。圖1是GL船級社對于不同區域的激振頻率的劃分，表1是不同區域激振頻率的選取（其中，f_blade為螺旋槳的激振頻率）。

另請注意，以上是為螺旋槳激振范圍的劃分，機艙位置的激振頻率應為主機的激振頻率。

結合本船，上建駕駛室甲板在3D范圍中，因此駕駛甲板的激振頻率為1.2x2xf_blade，即21 Hz。

6確定板格、骨材和板架的固有頻率

板格的固有頻率與板的長、寬、厚度以及四周邊界的固定形式有關，并且和板格上附加的質量以及板格兩側的流體密度有關。

骨材的固有頻率和骨材的長、寬、型號、帶板的厚度以及骨材端部的邊界條件有關，當然，也與骨材上面附加的質量及兩側的流體密度有關。

同理，板架的固有頻率與板的長寬和厚度、加強材型號和布置、板架附加質量以及板架兩側的流體密度有關。

7駕駛甲板問題區域結構圖

圖2云線處為駕控臺部分，試航時實測該位置甲板振動超標。以下是構件尺寸：

PLATE：長×寬×厚度＝1 950×679×5.5

STIFFEREN：長×寬×厚＝1 950×679×5.5，骨材HP120×8

PANEL：長×寬×厚度＝6 500×7 464×5.5

縱桁＝1×T440×7×100×10

縱骨＝10×HP120×8

橫梁＝3×T440×7×100×10

駕控臺區域附加重量分布(Added mass，不包括結構重量)：駕控臺約2 t，加上駕駛椅、操作人員、圖紙存放柜以及其它設備，共約3 t。因此Added mass＝3 000 kg/6.5 m×7.464 m≈61.8 kg/m2，取60 kg/m2。

8應用軟件解決問題

1）Gl.LocVibs界面如圖3，左上角Navigator窗口包含有Units、Materials、Fluids和Criteria，以及Structure Components，右上角是這些選項的輸入界面，右下角則是結果輸出，左下角為幫助文檔。

2）其中Units選項用于定義單位制，可以根據右邊窗口選取定義任意一種單位制，但一定要保證單位制的統一。

3）Materials選項用于描述輸入結構材質的特性，包括密度、楊氏模量和泊松比，默認的有鋁和鐵材質，如需要不同的材質，可另外添加。

4）Fluids選項用于描述結構兩側的流體密度，輸入空氣、水、海水、重油、滑油等的密度。如圖4。

5）Criteria選項用于描述激振響應的范圍，如圖5：

6）Structure Components選項用于輸入項目數據，界面如圖6：

7）分析駕駛甲板。

PLATE:長=1 950 mm，寬=679 mm，板厚=5.5 mm，四周邊界自由，甲板板格兩側為空氣，板上按照60 kg/m2負重計算，輸入如圖7。

注意：圖中BC Length和BC Width兩欄是描述板格長度和寬度方向上的邊界條件（剛固、自由以及介于兩者之間的選項）。

得出結果如圖8。

結果顯示，A(Air)在負重60 kg/m2的情況下，板格固定頻率為21.25 Hz>21.0 Hz，合格。

Stiffener：長=1 950 mm，寬=679 mm，帶板板厚=5.5 mm，骨材型號HP120x8，端部邊界自由，骨材上按照60 kg/m2負重計算，輸入如圖9。

注意：圖中BC欄是描述骨材端部的邊界條件，邊界剛固條件下，骨材頻域大于邊界自由條件下的頻率，因此如果選取邊界自由并且合格，那么骨材的振動就不會有問題。

得出結果為52 Hz，大于21.0 Hz，合格。

Panel：長=6 500 mm，寬=7 464 mm，板厚=5.5 mm，縱骨型號10 x HP120×8，縱桁1 x T440×7×100×10，橫梁3 x T440×7×100×10，甲板板格兩側為空氣，按照60 kg/m2負重計算，輸入如圖10，輸出如圖11。

結果顯示，板格固有頻率為20.4 9 Hz<21 Hz，不合格。

解決方案：將兩根縱骨更改為縱桁T440×7×100

×10。

得出結果，固有頻率增加到28.30 Hz>21 Hz，合格。

本船在二次試航中，再次測量了駕駛室甲板振動，結果顯示振動合格。

9結束語

船舶結構中的各種振動，不僅影響船舶的使用性能，影響船員工作和生活的舒適性，嚴重的可能導致船體結構破壞。GL船級社的這款軟件，并非像大多數有限元計算軟件，進行實際結構的模擬分析，而是以經驗公式為內核，計算船體局部結構的頻率，使設計人員能有依據地優化船體結構，實用簡單。