大型油船階梯式尾部型式振動特性研究

劉曉之，夏利娟，吳嘉蒙

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

大型油船階梯式尾部型式振動特性研究

劉曉之，夏利娟，吳嘉蒙

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

針對階梯式尾部設計的318 000 DWT大型油船振動問題，建立全船結構三維粗網格有限元模型，討論粗網格模型對船舶剛度的影響，并分析其在船舶振動分析過程中的適用性和可行性。基于船體動力特性分析研究了階梯式尾部設計方案對全船以及上層建筑振動特性的影響。相關研究結論對今后的船舶尾部結構優化設計具有指導性意義。

大型油船；階梯式尾部結構；粗網格模型；振動特性

0 引 言

近年來，大型油船通常將上層建筑布置在船尾,靠近螺旋槳和主機這2個主要激勵源，振動問題較突出。另一方面，在船舶結構輕量化設計研究的基礎上，國外已經提出將船舶尾部設計成階梯式布置型式的方案，而國內關于這方面的研究較少。

采用階梯式布置的尾部結構，將尾部區域的主甲板下移，能夠有效地節約空間，降低空船重量。然而，這種新型的尾部結構型式使船體尾部剛度發生變化，使原本振動問題本來就較為突出的尾部區域的固有特性發生了改變，影響尾部和上層建筑的振動。在螺旋槳激勵[1-4]和主機激勵[5-6]下，可能使船尾發生劇烈振動而處于危險的狀態。因此，基于階梯式尾部設計的大型油船的相關振動問題研究具有非常重要的實際工程意義。

1 VLCC階梯式尾部方案

本文以1艘318 000 t的VLCC船作為研究對象進行船體振動評估，其主要參數如表1所示。

表1 318 000 DWT VLCC主要參數Tab.1 Main parameter of 318 000 DWT VLCC

階梯式布置的尾部結構有以下2種方案：

方案1 將船尾至尾尖艙之間的主甲板下沉3.83 m，降低了舷側外板的高度，減小了尾部主甲板與舵機艙平臺之間的空間，此方案能夠節省約141.8 t鋼料。

方案2 將船尾至機艙棚前端壁之間的主甲板下沉3.83 m,降低了船尾至機艙棚前端壁的舷側外板高度，更多地減小了尾部主甲板與舵機艙平臺之間的空間，此方案能夠節省約224.9 t鋼料。

各方案示意圖如圖1所示。

圖1 VLCC各設計方案示意圖Fig.1 Different design proposal of VLCC

2 全船三維粗網格有限元模型

全船模型最全面考慮了主船體對上層建筑整體振動的影響，且能反映整船的剪切剛度、彎曲剛度和扭轉剛度。采用縱骨間距網格大小的全船三維有限元模型的計算精度最高，但計算工作量較大，而且局部模態多，難以獲得3階以上的船體總振動固有頻率，而采用粗網格模型進行振動分析，可以有效節省計算成本，同時也能準確模擬全船的振動特性。對于振動較為嚴重的區域，如上層建筑以及主機基座所在的雙層底區域，采用局部細化的處理方法，以縱骨間距作為網格尺寸進行建模。本文建立的全船結構三維有限元模型如圖2所示。

圖2 全船結構三維有限元模型Fig.2 3D FE model of the whole ship

空船重量按照以下程序調整：

上層建筑甲板的附加質量以非結構質量加在模型的殼單元上，以模擬舾裝件的質量，附加質量的大小為80 kg/m2，調整每層圍壁結構的材料密度使得有限元模型中上層建筑總質量與實際質量一致。

大型設備(如舵，槳等)采用質量點連接到相應接點上。

將主船體分為若干部分，調節各部分材料密度，使得其總質量與實際質量一致。

貨油、燃油和壓載水通過質量點施加到相應艙室邊界節點上。

采用強框間距劃分有限元網格，會導致骨材數目的減少，因此在每個強框上建立骨材，將強框間的骨材合并為1根，保證質量一致。

2.1 粗網格模型對局部板架剛度影響

在318 000 DWT大型油船的中間貨艙處取一強框之間的內底板板架為研究對象，討論粗網格模型對局部板架剛度的影響。粗網格模型保持板厚不變，將板架上骨材平分到粗網格上，在板架四周施加簡支約束?？梢圆捎帽容^靜剛度的方法分析骨材調整前后的板架剛度變化。在2種模型的板架都施加相同壓強，用有限元方法分析得到相應節點的位移，通過力與位移的關系得到節點的剛度。通過計算得到的靜剛度如表2所示。

表2 粗網格模型和細網格模型靜剛度比較Tab.2 Comparison of static stiffness in coarser model and fine mesh model

從計算結果可看出，粗網格模型的靜剛度低于細網格模型的靜剛度。采用粗網格模型模擬船體結構，對局部結構的剛度影響較大。

2.2 粗網格模型對整船剛度的影響

為了討論粗網格模型對整船剛度的影響，參照該油船主尺度以及中間貨艙裝載工況，設計粗網格模型和對應的細網格模型，如圖3所示。計算得到的整體固有頻率比較如表3所示。

圖3 粗網格模型和細網格模型Fig.3 Coarse mesh model and fine mesh model

表3 粗細網格模型固有頻率比較Tab.3 Comparison of natural frequency in coarse and fine mesh model(loading)

從計算結果可看出，粗網格模型計算的前2階垂向、水平和扭轉固有模態誤差都比較小，小于7%，能夠滿足工程精度的要求。因此，采用粗網格模型可以較好地模擬實船的整體振動特性。與細網格模型相比，粗網格模型的垂向和水平振動的前2階固有頻率較低，而扭轉振動固有頻率有所增大，說明粗網格模型的骨材合并處理在一定程度上使得扭轉剛度增大，而彎曲剛度變小。

3 整船振動模態分析

采用全船結構三維有限元粗網格模型來模擬實船，在考慮了剛度和質量調整后，還需計及舷外水的影響。本文利用目前國際通用的MSC/NASTRAN，用虛擬質量法[7]模擬附連水質量。在滿載出港工況下，3種設計方案的前3階垂向、水平和扭轉振動的固有頻率如圖4所示。

圖4 各設計方案前3階固有頻率計算結果Fig.4 Natural frequency of first 3-order vibration

從計算結果可看出，階梯式尾部結構設計對于全船總振動的影響很小。從頻率儲備的角度看，3種設計方案都能夠滿足頻率錯開設計的要求。

4 上層建筑強迫振動分析

4.1 船舶主要激勵和阻尼

船舶在航行過程中受到復雜多樣的激勵影響，在強迫振動分析中，主要考慮螺旋槳引起的葉頻干擾力和主機不平衡慣性力的影響。本文以主機CSR轉速為考核點，由于有限元模型誤差以及重量分布的不確定性，當船體結構固有頻率落在螺旋槳和主機名義激振頻率±10%范圍內時，均有可能發生共振。

采用Holden方法[8]計算螺旋槳葉頻脈動壓力，將計算所得的脈動壓力通過PCL程序將壓力場施加于船體尾封板向首部延伸3倍螺旋槳直徑的濕表面處。主機激勵考慮主機7階H型傾覆力矩。其中，螺旋槳激振力與轉速的關系為：

(1)

主機激振力與轉速的關系為：

(2)

本文采用ABS推薦的模態阻尼值1.5%[9]。

4.2 振動響應計算點

船體振動響應以典型評估點的速度頻響曲線給出，在主甲板和上層建筑等位置選取若干點，作為振動響應計算點。本文所選取響應計算點為：主甲板縱中剖面尾端處，主甲板和上層建筑各層甲板與縱中剖面及上建前端壁的交點處，翼橋端部以及煙囪頂板等。

4.3 上層建筑在螺旋槳葉頻激勵下的響應

在螺旋槳葉頻激勵下，計算出船體尾部及上層建筑的振動響應值，螺旋槳的葉頻激勵頻率為4.2 Hz，校核頻率范圍為激勵頻率上下10%以內，即3.7～4.7 Hz，由于螺旋槳激勵頻率低于5 Hz，以加速度響應值作為振動衡準的參考。不同設計方案在螺旋槳葉頻激勵下的加速度響應幅值比較如圖5所示。

圖5 螺旋槳葉頻激勵下的加速度響應峰值Fig.5 Acceleration response under blade frequency exciting force of propeller

所有設計方案的加速度響應峰值都在285 mm/s2以下，滿足振動衡準要求，并且大部分響應計算點的加速度響應峰值在126 mm/s2以下，振動特性良好，只有設計方案1和設計方案2的尾封板處以及設計方案2的煙囪頂部響應較大，但仍處于可以接受的范圍內。說明在螺旋槳葉頻激勵下，尾部階梯式設計方案都能滿足振動衡準要求。另一方面，從主甲板依次往上至羅經甲板，振動響應越來越大，說明隨著上層建筑的高度增加，振動也會越來越劇烈。

設計方案1的上層建筑振動較原方案有所增大，尤其是尾封板附近振動響應增大許多，這是因為階梯式方案的設計直接改變了尾封板處的結構型式。煙囪處的響應值變小，并不表示階梯式方案1的煙囪振動特性變得更好，而是階梯式結構改變了煙囪根部的結構型式，改變了煙囪的固有頻率，煙囪最大振動響應不在螺旋槳葉頻附近。設計方案2的加速度響應峰值較原方案更大，尤其是尾封板煙囪頂部。

總的來說，3種方案都能滿足振動衡準要求，所以階梯式設計方案在大型油船設計中可行。

4.4 上層建筑在主機7階H型激勵下的響應

將主機7階H型傾覆力矩平均施加在主機有限元模型相應節點上[10]，分析的頻率變化范圍為6.6～8.2 Hz，大于5 Hz，采用速度響應值作為振動衡準的參考響應值。計算得到船體在7階H型傾覆力矩作用下的3個設計方案速度頻響曲線如圖6所示。

圖6 主機7階H型激勵下的速度響應峰值Fig.6 Velocity response peak under 7th H type exciting force of main engine

3個設計方案大部分計算點的速度響應峰值都在9 mm/s以下，滿足振動衡準要求，只有設計方案一翼橋端部速度響應略微超過9 mm/s。在主機7階H型激勵下，尾部階梯式設計方案基本都能滿足振動衡準要求。

設計方案1大部分計算點速度響應峰值比原設計方案大，設計方案2則更大。說明在主機7階H型激勵下，2種階梯式尾部的振動變化趨勢與在螺旋槳葉頻激勵下基本一致。但是在尾封板附近，設計方案1和設計方案2的速度響應峰值更小，也就是說階梯式尾部的方案改善了尾封板在主機7階H型激勵下的振動特性。而在翼橋端部，2種階梯式尾部的方案速度響應峰值都接近振動衡準的上限值，需要對翼橋進行結構改進。

5 結 語

粗網格模型對局部結構剛度影響較大，但對整船總振動剛度影響較小，同時能夠大大減少局部模態，易于獲得結構的高階模態。建議采用粗網格模型模擬實船進行整船振動評估，僅需對振動問題較為突出的局部區域如上層建筑，進行網格細化。

對大型油船的原設計方案和兩個階梯式尾部結構設計方案分別進行船體總振動模態分析和動力響應分析，計算結果表明階梯式尾部結構設計方案對船舶總振動的影響很小，在螺旋槳激勵和主機激勵下，階梯式尾部設計的大型油船上層建筑響應亦能夠滿足振動衡準的要求，證實了階梯式尾部設計的合理性和可行性。值得注意的是，階梯式尾部結構設計方案在艉封板，翼橋端部和煙囪頂部等局部區域，其振動響應較原方案有所增大，建議針對局部結構進行適當改進。

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[6] 虞銑輝,蔡承德.柴油機及螺旋槳引起的船體穩態振動[J].中國造船,1979(4):004.

[7] 陳火紅.新編MDNastran有限元實例教程[M].DynoMediaInc.,2008.

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[9]ABS.Guidancenotesonshipvibration[S].

[10] 金咸定,夏利娟.船體振動學[M].上海：上海交通大學出版社,2011.

Strength analysis and experimental investigation of wearing parts in ship structure

LIU Xiao-zhi, XIA Li-juan, WU Jia-meng

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

For the vibration problem of a 318 000 DWT stepped stern VLCC, whole ship coarse mesh model was established to determine the feasibility of the coarse mesh in ship structure vibration analysis.The influence of stepped stern design for the whole ship and the superstructure has been discussed through dynamic analysis.Some meaning results may do some help to the optimization design of ship stern structure.

VLCC; stepped stern; coarse mesh model; vibration characteristics

2015-01-16；

2015-03-11

劉曉之(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向為船體結構強度和動力學。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0026-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.006