2 750 TEU集裝箱船局部振動評估

劉在良

(揚帆集團股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

2 750 TEU集裝箱船局部振動評估

劉在良

(揚帆集團股份有限公司， 浙江 舟山 316100)

針對2 750 TEU集裝箱船，在船體總振動評估的基礎上，采用經驗公式及有限元法，對液艙及上層建筑的局部振動進行詳細評估，并根據不同區域的計算結果采取相應的改進措施。

集裝箱船 局部振動 評估

1 引言

2 750 TEU集裝箱船屬于非常規集裝箱船，其船體結構型式與其他同級別的集裝箱船體結構型式有如下較大不同點：甲板室外形為變截面；內部艙壁上下連續性較差；邊艙寬度相當小；邊艙內縱向抗扭箱高度與型深差距很大；機艙內所有油柜有雙殼保護，以致機艙布置緊張；靠近螺旋槳區域布置了部分液艙等。以上這些特點導致其橫向剛度偏弱，橫向變形偏大，抗扭剛度偏弱。由于船體振動響應的最大值一般位于上層建筑或甲板室頂部[1]，因此，有必要在船體總振動評估的基礎上，采用經驗公式及有限元法，對關鍵部位如液艙以及上層建筑的板格、加強筋及板架進行較準確的振動特性預報[2]。

2 主要激振頻率及附加質量的選取

本船的主要設計參數如表1所示。該船采用了五葉螺旋槳，主機為七缸機，額定轉速為108 r/min。

表1 2 750 TEU集裝箱船主要設計參數

2.1 主要激振頻率

2.1.1 螺旋槳激勵

主要通過空泡試驗或GL軟件計算。為安全起見，可均取較大值。該集裝箱船采用5葉槳，最大轉速(MCR)為108 r/min，因此，其葉頻激振頻率為9.0 Hz，倍葉頻激振頻率為18.0 Hz。

2.1.2 主機激勵

該集裝箱船采用MAN B&W 2沖程的7L70MC-C MK VIII主機。根據GL船級社的要求[3]，除了要考慮主機1階和2階不平衡力矩，還要考慮3階、4階、7階等由氣缸內壓交變力引起的激振力矩。激勵頻率如表2所示。

2.1.3 激振頻率衡準的確定

螺旋槳的振動影響范圍與槳直徑D及直徑倍數2D、3D為半徑形成的球形區域有關。圖1所示為2 750 TEU集裝箱船艉部激振力影響范圍示意圖。

表2 主機激振頻率

圖1 艉部局部振動示意圖

由圖1可知，激振力最高的1倍槳距內，船上有一些液艙，而大部分液艙分布在2D～3D及3D以外。對于3D以外范圍的液艙，更多受主機激振力影響。而上層建筑都在3D以外的范圍。

局部振動評估結構應盡量偏于安全，因此當液艙同時落在兩個等級時，校核衡準應選取偏于危險的一個。比如圖1所示的第二燃油沉淀柜，同時屬于1D～2D和2D～3D兩個范圍內，此艙的激振頻率設計衡準應滿足1D～2D。

另外，在圖1中FR56肋位以前的部分，槳和主機的激振影響都較小，結構本身的頻率很容易滿足要求，故在本文的局部振動校核中不作考慮。

2.2 附加質量的選取

船體的振動阻尼很難確定，尤其在設計階段，艙室內的設備、舾裝、管線等結構設備都不能確切給出。對于上層建筑甲板，只能用經驗公式估算，盡量使其偏于保守。對于液艙，則假定液體裝載100%，并根據經驗公式估算選取，同時還應根據裝載液體的密度、裝載率、單面還是雙面接觸液體來進行估算。2 750 TEU集裝箱船局部振動所用的阻尼如表3所示。

表3 附加質量屬性

3 液艙局部振動計算

液艙距離槳葉近，液艙圍壁因共振產生的裂縫發生概率較高，且船體艉部連接船員主要活動區的甲板室，液艙產生的破壞將直接影響上層建筑。

3.1 液艙局部振動的計算方法

艉部液艙數目眾多，所裝載的液體種類多，所滿足的激振頻率衡準也有較大差別。但對單獨一個液艙來講，由六個面組成，即艙底、艙頂、前壁、后壁、內壁和外壁。為保證計算的全面性，應對每個艙都給出一個結果，結果中包含該艙用途、六個面的定位以及需滿足的頻率衡準。另外還應有每個面上最危險的板格、加強筋描述等。如幾個液艙在縱向或橫向相連，兩個艙之間有一個公用艙壁，則可將這些艙的結果放在一組，便于查看。如本文液艙計算共分了六組，每組4～8個艙不等。

因該方法計算時要求為標準矩形，而艉部液艙線形變化大，非矩形板格很多，為了計算的快速和安全，將較長的一邊作為板格計算長度，按照矩形板格計算。液艙加強筋兩端均有肘板，肘板的大小影響取局部振動計算的邊界條件。若剛度系數取0～1，0為自由支持，1為剛性固定，則剛度系數的取值如圖2所示。

圖2 剛度系數的選取和骨材連接形式的關系

3.2 結構型式改進措施

當板格的頻率不滿足要求時，可在板格的適當位置加防屈曲加強筋。屈曲加強筋的尺寸不大，對船體重量貢獻很小，卻能有效分割板格，將原來的大板格分成2～3個小板格。

當加強筋的振動頻率不滿足要求時，有兩種有效的改進方法：①加大肘板尺寸，從而增加邊界剛性，提高振動頻率；②對于和設計頻率相差較遠的骨材，考慮更換剖面模數更大的型材。

另外，也可以通過加大肘板尺寸，提高剛度系數，達到提高振動頻率的目的。

4 上層建筑局部振動計算

上層建筑是船員的主要活動區，其振動問題直接關系到船舶的舒適性。2 750 TEU集裝箱船的上層建筑主要集中布置在艉部，該區域受主機和螺旋槳兩大船體主要振源的影響，其振動尤其值得關注。上層建筑的激振頻率衡準基本在3倍槳距以外，但是附加質量的選取比較復雜，因此本文的計算選擇較大的附加質量，以增加安全性。

4.1 分類計算方法

對上層建筑來說，板格和加強筋的振動容易達到要求。人居住在上層建筑里，能直接感覺到板架的振動。可通過甲板分類對板架進行計算，取每層甲板最危險的區域進行校核，板架局部振動計算的范圍以艙壁或支柱劃分。

4.2 估算的局限性

2 750 TEU集裝箱船局部振動計算包括整個甲板室結構以及機艙、艉部的板格、筋、板架。板架局部振動計算的范圍以艙壁或支柱劃分。對于形狀特殊的板架，由于不滿足解析法要求的假定條件，且交叉梁系較為復雜，只能建立局部有限元模型來分析其振動特性。

圖3和圖4分別為甲板板架和舷側板架的局部有限元模型及其計算結果，用梁單元模擬板架，用質量單元模擬附加質量，邊界在艙壁和支柱位置為剛性固定，其他邊界為自由支持。其中，對于羅經甲板板架，除結構自重以外，還須考慮附加質量的影響；對于舷側板架，還須考慮附連水質量的影響。

4.3 結構改進措施

當上層建筑的頻率不滿足要求時，我們采用了以下幾種方法來改善其振動性能：① 增加支柱，通過減小板架范圍達到增加振動頻率的目的；② 適當布置主要構件(強梁、縱桁)，縮小重要構件間距；③ 在重量允許的情況下，適當增加板厚。上層建筑的加強筋和液艙內加強筋不同，上層建筑里的骨材邊界較軟，肘板和骨材振形相同，加大肘板尺寸并不能改善邊界條件，改進加強筋的振動只能從增加骨材剖面模數和減少骨材跨距入手。

5 結論

針對2 750 TEU集裝箱船較為獨特的結構型式，本文通過有限元和經驗公式法對該船的船體艉部液艙和上層建筑的局部振動進行分析，針對不同區域未滿足要求的結構采取相應的改進措施。

本文的計算涵蓋了艉部所有液艙和上層建筑的

[][]

全部甲板，從而充分保證了該集裝箱船的舒適性和良好的振動性能。同時希望本文采用的計算方法和加強措施可供其他船舶設計參考借鑒。

圖3 2 750 TEU集裝箱船羅經甲板板架局部振動計算

圖4 2 750 TEU集裝箱船舷側板架局部振動計算

[1] 顧永寧，鮑瑩斌.船體振動響應預報[J].船舶工程,1998，5：8-10.

[2] MARIC. Local Vibration Analysis of 2 750 TEU Container Vessel[M]. 2006.

Local Vibration Research on 2 750 TEU Container Ship

LIU Zai-liang

(Yangfan Group Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316100, China)

Based on global vibration evaluation of 2 750 TEU container ship,the empirical formula and finite element method were used to evaluate the local vibration of liquid tank and superstructure detailedly,and the corresponding improvement measures were carried out according the result of different region.

Container ship Local vibration Evaluation

劉在良(1976-)，男，高級工程師。

U662

A