漁船全船振動的數值模擬

張 媛， 雒 強， 謝永和

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院， 浙江 舟山 316022)

漁船全船振動的數值模擬

張 媛， 雒 強， 謝永和

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院， 浙江 舟山 316022)

利用MSC.PATRAN有限元軟件建立42m拖網漁船全船三維有限元模型。以脈動壓力、軸承力和主機激振力三種激振力為激勵，利用MSC.NASTRAN對全船進行強迫振動分析，計算船舶結構的瞬態響應。通過結構的加速度、速度及位移計算結果與振動基準進行比較，然后得出全船結構的振動情況。最后對船舶進行局部減振分析，并比較減振措施的減振效果。

漁船 全船振動 瞬態響應分析

1 引言

為了提高船體結構強度而采用高強度鋼，使得船體強度增加的同時，船體的剛度卻有所降低。為了獲得更高的航速，動力及推進裝置的功率越來越大，同時隨著新規范對船舶振動與噪聲的要求，這使得船舶振動問題更加突出。本文以一艘42 m拖網漁船為例，選取船舶航行狀態下排水量最大和最小的兩個工況(即豐收返航和空載到港)對其進行瞬態分析計算，分析了船體的振動情況。該方法可以應用于其他類型船舶的振動預報，為考慮振動問題的船舶結構優化提供必要的參考。

2 模型及參數

2.1 結構模型

本船總長為47.6 m，設計水線長為42.97 m，型寬7 m，型深3.7 m，設計吃水2.9 m，主機轉速1 000 r/min，螺旋槳轉速109.65 r/min，螺旋槳葉數4葉，螺旋槳直徑3 m，平均推力78.81 kN，航速11 kn，螺旋槳軸浸深2.46 m。

用PATRAN前處理軟件建立全船有限元模型，采用殼單元模擬板材，單元規格500×500 mm；橫骨和縱骨用梁單元模擬。模型總的節點數量為10 864，單元數量為21 914。全船有限元模型如圖1所示。

圖1 漁船全船有限元模型

2.2 質量分布

與船體結構強度計算不同，振動分析計算時需要考慮整船的質量。船體的總質量包括船體自身結構質量和船上貨物、設備的質量以及附連水的質量。船體自身結構質量利用模型自身模擬；船上貨物、設備的質量及附連水質量根據船舶不同的工況計算得出，然后采用質量點的方式施加到模型上。附連水質量計算時采用F M Lewis、F H Todd等人提出的計算公式[5]。本文所計算的激振力是垂直方向，因此只考慮垂直方向的附連水質量；激振力都只計算了一階激振力，因此垂向附連水質量也只計算一階，其他階數暫沒有考慮。

3 激振力

船舶振動激振力可以分為主機激振力、螺旋槳激振力和波浪激振力。其中波浪激振力頻率較低，對本文所研究的42 m拖網漁船的振動并沒有太大影響，因此本文只考慮主機激振力和螺旋槳激振力。

3.1 主機激振力

本文所用的漁船采用CW6200ZC-21型6缸柴油機，根據《船舶振動基礎與實用計算》，柴油機水平激振力為0，垂向激振力可由下列公式得出：

式中：ω為主機轉速，rad/s；Q=rM″，其中r為曲柄半徑,m；M″為活塞組件重量與連桿分配在活塞處的重量之和,kg；Q′=sM+rM′， 其中s為曲柄重心至曲軸中心距離,m；M為曲柄臂、曲柄梢和曲柄總重,kg；M′為連桿分配在曲柄梢處的重量,kg；θ為曲柄旋轉角。

3.2 螺旋槳激振力

螺旋槳激振力分為脈動壓力和軸承力。

3.2.1 脈動壓力

根據《船上振動控制指南》可由下列公式計算得出：

無空泡時

有空泡時

總的脈動壓力為

式中：r為螺旋槳轉速,r/min；D為螺旋槳直徑,m；Z為螺旋槳葉片數目；R為螺旋槳半徑,m；Vs為船速,m/s；ha為螺旋槳軸浸深,m；ds為當葉片在頂部位置時，從r/R=0.9處到浸入水中的計算表面的距離；對于ds/R≤2，K0=1.8+0.4(ds/R)；Kc=1.7-0.7(ds/R)，當ds/R≥1時，Kc=1；Wamax為最大伴流峰值；We為有效伴流。

3.2.2 軸承力

縱向軸承力根據《船上振動控制指南》脈動率等于脈動值除以平均推力得出。水平和垂向軸承力根據《船體振動》公式計算得出。

3.3 船舶激振力計算結果匯總

具體施加到模型上的激振力大小和頻率如表1所示，不同的激振力在模型上的施加方式及位置如圖2、圖3所示。

圖2為螺旋槳激振力施加方式及位置，本船螺旋槳上方為平底，將脈動壓力施加到沿螺旋槳軸線方向螺旋槳盤面前0.1D(D為螺旋槳直徑)處，作用面積為D×D。軸承力施加到船艉螺旋槳軸處和主機機座尾部。兩種激振力以余弦波的方式變化，在施加時已經考慮到兩者的相位不同。圖3為主機激振力，施加于主機機座上，方向是垂直方向，以正弦波方式變化。

表1 三種不同的激振力數值及頻率

圖2 螺旋槳激振力施加方式及位置 圖3 主機激振力施加方式及位置

4 船體總振動響應計算結果

利用MSC.NASTRAN對模型進行瞬態響應計算。計算時采用模態法，模態阻尼系數取0.03。模型中采用彈簧來模擬水對船舶振動的阻尼作用。最后計算得出振動的加速度、速度和位移結果。計算時間設置為120 s，取穩態下5 s時段進行分析。本文選取5個點進行分析，選取位置如圖4所示。計算結果如表2所示。表2中基頻是將選取的5 s內的結果進行傅里葉變換后響應最大時對應的頻率。

圖4 模型上取點位置

表2 三種計算結果

加速度速度位移均方根(mm/s2)基頻(Hz)均方根(mm/s)基頻(Hz)均方根(mm)基頻(Hz)空載到港豐收返航空載到港豐收返航空載到港豐收返航空載到港豐收返航空載到港豐收返航空載到港豐收返航船艏18312114.6714.643.962.4614.6414.640.08470.05177.337.33上層建筑8311314.6933.391.751.3714.679.390.01810.00967.337.33船艉2281849.4433.363.552.2114.649.360.07020.03657.367.33機艙1953131933.3633.419.1512.6133.3433.390.07380.098816.7516.72機艙231553733.3633.413.095.1433.3933.390.02440.03597.3316.72

由表2可以看出船艏、上層建筑和船艉的加速度、速度和位移的振動效果都是空載到港比豐收返航大，這主要是由于在這部分區域內空載到港的質量要比豐收返航的質量大；而機艙內的兩個分析點卻是在豐收返航的工況下三種結果比較大，這主要是由于機艙的質量在兩種工況下基本不變，而甲板和與機艙相鄰的船艙的質量變大，導致機艙的振動效果在豐收返航時變得更為明顯。

圖5～圖14所示為豐收返航和空載到港兩種工況下5個分析點穩定狀態下5 s的加速度時程曲線。從圖中可以得出在船艏和船艉處空載到港的分析點的加速度最大值比豐收返航大，而其他三個位置處豐收返航的加速度最大值較大，與表2所列分析點的均方根數值變化趨勢一致。

圖5 豐收返航工況船艏振動加速度時程曲線 圖6 空載到港工況船艏振動加速度時程曲線

圖7 豐收返航工況上層建筑振動加速度時程曲線 圖8 空載到港工況上層建筑振動加速度時程曲線

圖9 豐收返航工況船艉振動加速度時程曲線 圖10 空載到港工況船艉振動加速度時程曲線

圖15所示的是三種計算結果的最大值在振動評價基準中的位置。本文所用模型垂線間長為39.8 m，符合30 m≤垂線間長<60 m 的振動評價基準。圖中①表示5個分析點中加速度峰值的最大值，出現在豐收返航工況下機艙1位置處；②表示5個分析點中速度峰值的最大值，出現在豐收返航工況下機艙1位置處；③表示5個分析點中位移峰值的最大值，出現在豐收返航工況下機艙1位置處。從圖中可以得出三種結果的最大值均出現在機艙處，可見振動計算結果滿足要求，但計算結果基本處于振動要求的臨界狀態。

圖11 豐收返航工況機艙1振動加速度時程曲線 圖12 空載到港工況機艙1振動加速度時程曲線

圖13 豐收返航工況機艙2振動加速度時程曲線 圖14 空載到港工況機艙2振動加速度時程曲線

5 局部減振分析

減振的基本原理可以分為：避開共振、減小激振力、減小振動的傳遞和減小船體結構響應。減振的方法有很多種，綜合考慮技術和經濟因素后可以選擇較為合適的措施對船體修改，從而改善船體的振動。鑒于本文所使用軟件和模型的限制，本文采取的減振措施可以分為兩類：修改船體局部結構和修改機座結構。

修改船體局部結構包括：(1) 機艙內增加4根立柱(如圖16所示)， 立柱直徑100 mm、 壁厚10 mm；

圖15 三種計算結果的最大值在振動基準中的位置

(2) 增加船艉的質量，將舵機艙的質量增加1.2 t、艉尖艙的質量增加2 t、甲板質量增加2 t；(3)將(1)、(2)兩種修改方式組合到一起進行分析。

修改機座結構，本文借鑒Lin Tian Ran等人的文章《A study of vibration and vibration control of ship structure》中使用的改變機座結構的方式(如圖17所示)。圖17(a)為機座原始形狀，(b)～(f)為五種不同的修改措施。d～f修改方式中撐板的板厚為10 mm。

圖16 機艙內立柱的位置

圖17 機座修改方式

對修改后的船體再次進行瞬態響應分析，得到振動加速度、速度和位移計算結果。 本文以上層建筑分析點的振動加速度為例，觀察不同修改措施的減振效果，振動加速度數值比較如表3、表4所示，圖形比較如圖18、圖19所示。

表3 修改船體局部結構后上層建筑振動加速度結果 單位：mm/s2

表4 修改機座結構后上層建筑振動加速度結果 單位：mm/s2

圖18 修改船體局部結構后兩種工況下上層建筑振動加速度結果比較

圖19 修改機座結構后兩種工況下上層建筑振動加速度結果比較

6 結論

(1) 將計算結果與以前其他相類似船舶實測振動數據相比較，本文振動分析計算的數值大小和數值變化趨勢符合實際情況，這說明了本文用瞬態響應分析來計算船體振動以及采用彈簧來模擬水對船體的阻尼作用的方法具有可行性。當對其他類型船舶進行振動的預報時，本文也具有一定的參考價值。

(2) 根據瞬態分析得到的結果，機艙位置處振動響應最大。通過比較振動基準，最大振動響應也基本處于臨界狀態，計算結果符合實際情況。螺旋槳激振力頻率為7.32 Hz、主機激振力頻率為16.7 Hz，通過計算結果的基頻可以看出響應基本發生在倍頻，二倍頻和四倍頻處。

(3) 空載到港工況下兩類減振措施的減振效果不明顯，加速度數值基本沒有變化。豐收返航工況下修改船體局部結構類別中機艙內增加立柱的措施效果最明顯，可以減振9.7%左右；修改機座結構類別中修改方式(d)效果最明顯，這也與參考文獻中的結論一致。

[1] 鄭翰獻,張兆德,譚永朝等.運河漕舫的振動測試與減振降噪分析[J].船海工程,2009,38(4):77-79.

[2] 鄒勇,鄭莎莎,徐銘麒.28 000 t多用途貨船船體振動分析[J].船舶設計通訊,1999, 1-2:18-23.

[3] 張新偉,吳小康,陸利平.40萬t礦砂船全船和局部振動研究[J].中國造船,2011,52(1):26-38.

[4] Lin Tian Ran,Pan Jie,O’Shea Peter, et al. A study of vibration and vibration control of ship structure[J]. Marine Structures,2009, 22:730-743.

[5] 姚熊亮.船體振動[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2008.

[6] CCS.船上振動控制指南2000[M].北京：人民交通出版社，2000.

[7] 馬廣宗,蔡承德,虞銑輝.船舶振動基礎與實用計算[M].北京:人民交通出版社,1981.

NumericalSimulationofShipGeneralVibrationforFishingBoat

ZHANGYuan,LUOQiang,XIEYong-he

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University,Zhoushan Zhejiang 316022, China)

A finite element model of 42 meters trawler is built by using software of MSC.PATRAN. The fluctuating pressure, bearing force and host incentive force are considered in the vibration calculation of the ship by using MSC.NASTRAN software. The transient response of acceleration, velocity and displacement are calculated and compared with the vibration criterion. And then, the vibrations of the vessel structures are analyzed. Finally, the partial damping measures of ship are analyzed, the effects of damping measures are compared.

Fishing boat Ship general vibration Transient response analysis

張 媛(1990-)，女，碩士研究生。

U

A