某自卸沙船總振動預報與分析

歐禮堅　霍浩杰　徐海汐

摘 要：基于通用有限元分析軟件ANSYS，采用有限元法對某自卸沙船總振動進行了仿真計算和分析預報；將有限元法計算結果與經驗公式計算結果進行比較。此外，將船體總振動固有頻率與主機及螺旋槳的固有頻率對比分析，其結果證實目標船總振動固有頻率儲備滿足《船上振動控制指南（2012）》要求。

關鍵詞：自卸沙船；總振動；有限元法

中圖分類號： U661.31； U661.313； 文獻標識碼 A

Abstract：By using the finite element analysis software ANSYS， the overall vibration of a self-unloading sand ship is simulated and analyzed and the calculation results are compared with the values calculated by empirical formula. After compared with the frequencies of the ship engine and propeller， the natural frequency of the self-unloading sand ship is proved to meet the requirements of the Guidelines for Shipboard Vibration Control （2012）.

Key words：Self-unloading sand ship； Overall vibration； Finite element method （FEM）

1 引言

船舶的舒適性日益受到關注，為了減少船舶振動對船員、機械設備及強度等造成影響，船舶振動越來越受到船東、船級社以及設計者的重視。船體屬于復雜的彈性結構，其振動問題非常復雜。船體振動會引起結構構件的交變應力，加速結構的疲勞損傷；也會令船員或旅客舒適度下降；甚至會導致船上精密儀器失靈。中國船級社《國內航行海船建造規范》（2012）[2]定義的自卸沙船，其結構特點與其它船型有較大的區別，屬于較新穎的結構布置。為了分析自卸沙船的固有振動特性，采用ANSYS分析軟件，利用有限元方法進行模態分析，對船體總振動頻率作出預報，避免與主要設備發生共振。

2 船體總振動有限元法模型的建立

2.1 有限元基本理論

有限元法將結構離散成很多單元（如桿元、梁元、膜元及板元等），通過節點處連接而構成計算模型；計算單元剛度矩陣，組裝成整個船體結構的剛度矩陣；采用集中質量法或一致質量法計算質量矩陣。在計算船體結構固有振動頻率時，可不計阻尼影響，將船體梁振動問題離散化為多自由度系統的自由振動方程：

2.2 目標船主要參數及結構特點

某自卸沙船總長96.40 m、 設計水線長88.673 m、 兩柱間長87.93 m、型寬18.20 m、型深5.60 m、設計吃水4.50 m、 肋距0.55 m。貨艙區采用雙舷、兩道縱艙壁、砂斗載貨甲板；內舷與縱壁間設雙層底；機艙及首尾艙為單層底、單甲板；貨艙區為縱骨架式；首尾為橫骨架式。自卸沙船的典型橫剖面結構如圖1所示。

螺旋槳為MAU4-50型、直徑2.38 m、螺距比0.748、盤面比0.5、葉數4、后傾角12°、旋向為外旋、設計轉速為194.4 r/min；主機型號為KT38-M、額定功率為374 kW、額度轉速為1 600 r/min、缸徑×行程為159 mm×159 mm；齒輪箱型號為HCT600A/1、減速比為8.23：1。

2.3 結構有限元模型的建立

有限元幾何模型及有限元模型如圖2所示[3]。船體的外板、甲板、艙壁、尾封板等板材使用shell 181來模擬；肋骨、龍骨、桁材、橫梁等骨材使用beam 188來模擬；質量使用質量單元mass 21來模擬；網格劃分中設置梁單元、殼單元的單元長度為一個肋距，即550 mm。計算模型包括beam 188單元共43 909個，shell 181單元共54 062個，mass 21單元共59個。

2.4 附連水質量的計算與加載

2.5 邊界條件

計算自由振動時不施加任何邊界條件，即進行自由模態計算。

3 船體梁總振動計算結果及評價

目標船在滿載、壓載工況下，垂向振動前3階、水平振動前2階總體振動固有頻率與主要設備激勵頻率（主機轉速為1 600 r/min，螺旋槳轉速為194.4 r/min）的儲備情況見表1；目標船在滿載、壓載工況下的垂向1階彎曲振動的振型圖分別見圖3、圖4。根據《船上振動控制指南（2012）》[1]經驗公式的估算結果見表2。

4 結論

基于通用有限元分析軟件ANSYS，采用有限元法對某自卸沙船總振動進行了仿真計算和分析預報，結果表明，目標船總振動固有頻率儲備滿足《船上振動控制指南（2012）》要求。

有限元法計算結果與經驗公式估算結果進行比較；兩者的結果比較接近。自卸沙船作為新船型，雖然其結構特點與其它船型不同，但是經驗公式估算方法也依然適用。

參考文獻

[1] 中國船級社.船上振動控制指南[S].人民交通出版社，2012.

[2] 中國船級社.國內航行海船建造規范[S].人民交通出版社，2012.

[3] 熊志鑫.船體結構有限元建模與分析[S].上海交通大學出版社，2014.endprint