波浪載荷對船舶柴油機振動的影響研究

陳志堅，葛冀歡，王　瑞（武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063）

波浪載荷對船舶柴油機振動的影響研究

陳志堅，葛冀歡，王瑞
（武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063）

為避免波浪載荷對柴油機運行造成安全性的影響，本文利用 AQWA 軟件計算波浪的動壓力，采用APDL 語言編寫加載程序實行波浪載荷對船體的自動施加，研究在不同波浪高的情況下，柴油機受波浪載荷的諧響應作用。研究結果表明，如果激勵頻率過小，柴油機的振幅和應力都較大，發生共振作用，柴油機動力特性就會減弱，導致柴油機運行不穩定；如果激勵頻率過大，柴油機的振幅和應力會在極小值附近來回擺動，這樣容易對柴油機整體造成簡諧力的作用，柴油機會發生疲勞破壞。

波浪載荷；柴油機振動；諧響應分析；振幅；應力

0　引 言

隨著時代背景的演變，船舶朝著大型化、高功率化的方向發展，船舶柴油機的剛性也在不斷加大［1-2］，但是船體的剛性卻相對變小，所以波浪對船舶柴油機的振動狀態有著不可忽視的影響，各個隔振器的位置也因為船體變形而改變，造成船舶柴油機的振動情況發生改變，危害到船舶航行的安全，所以研究波浪載荷對柴油機振動影響具有非常重要的意義。

本文研究主要基于 1 艘集裝箱船。利用 Ansys 有限元分析軟件［3-4］，首先對整個船舶進行網格劃分，然后利用 AQWA 計算波浪的動壓力，采用 APDL 語言編寫加載程序實行波浪載荷的自動施加，利用慣性釋放處理邊界條件計算得出柴油機振動情況的變化。研究結果顯示，波浪載荷對柴油機的振動狀態比較惡劣的影響主要集中在低階和高階激勵頻率，避免低階激勵頻率振動和高階激勵頻率簡諧應力作用的影響會對柴油機安全運行起到極大的幫助。

1　計算數學模型

1.1波浪載荷的計算方程

關于波浪載荷的計算有以下 3個前提：

1）將流體看作理想狀況，即忽略粘性和壓縮性；

2）將流體質點運動作為沒有旋轉的勢流運動處理；

3）設定在微幅波的情況下，即波高相對波長非常小。

波浪運動和計算參數模型如圖1所示。

圖1　波浪運動圖Fig.1　Wave motion graph

波流場中的壓力表達式如下：

選取一個隨船運動的坐標系，設定 X 軸正向為船首方向，Y 軸正向為船左側，Z 軸朝上。原點設定在船尾與船底中線相交處的豎線面、中剖面、縱剖面的交點。波浪的方向和 X 軸的夾角為 β，規定船舶迎浪時，β=180°。設定在任何時刻，該坐標系都處于船舶搖晃的瞬時平衡位置，在傅汝德-克雷洛夫假設的條件下，得到波動壓力的表達式為：

波浪動壓力在船體濕表面的積分，表示為在船體上作用的波浪擾動力和力矩：

式中：s為船體的濕表面積；n為 s的單位外法線矢量，方向指向船體外部；r為動壓力作用點相對于隨船坐標系的位置向量。

按照船舶和柴油機力傳遞的比例關系，將以上分析的力加載到柴油機的底部，對柴油機進行諧響應分析，求出柴油機在波浪載荷下的振動規律。

1.2柴油機諧響應方程

通常意義上的諧響應分析是指在某一指定的頻率范圍內，結構受到循環載荷作用而產生相應的隨頻率變化的結構響應，并且做出響應—頻率線型圖。整體結構的動力平衡方程：

式中：［M］為質量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛F（t）｝為結構外載荷矢量；為節點加速度矢量；為節點速度矢量；為節點位移矢量。

2　計算實例

2.1分析對象的基本參數

本文研究主要是基于 1 艘 8530TEU 集裝箱船，其主要結構參數為：垂線間長 320.00m，型寬 42.80m，型深 24.80m，設計吃水 14.65m，排水量 137 253 t。柴油機釆用單層 6個隔振器支撐，參數如下：

氣缸直徑：0.17m；

活塞行程：0.19m；

額定功率：1 500 kW

發動機定轉速：1 800 r/min；

最低穩定轉速：600 r/min；

外形尺寸：長 3.053m；寬 1.992m；高 1.770m。

2.2分析對象模型的繪制

根據以上參數對計算物理模型進行繪制，應用Ansys 有限元分析軟件建立 8530TEU 集裝箱船的有限元模型，主要采用 SHELL163 單元和 BEAM188 單元模擬船體板梁結構，模型包括 95 728個單元和 918 481個節點，模型如圖2所示。

圖2　船舶有限元模型Fig.2　Finite element model of ship

根據柴油機的結構尺寸，運用 PRO/E 對柴油機進行模型的繪制，模型如圖3所示。

圖3　船舶發動機模型Fig.3　Ship engine model

2.3波浪參數的確定

船舶柴油機受波浪載荷影響的時候，一般選擇波浪彎矩最大的狀態來進行研究［5-7］，在波長和船長相等的情況下，波浪彎矩達到最大，來保證船舶航行的安全，因此，取波長根據公式換算得到波浪頻率為 0.4。

全球各大海域頻繁出現的海情為 2～6 級浪，6 級以上的波浪發生頻率較低［8］。取較為常見的波高 2m，4m和極限海況下波高 H=6m 作為波浪波高，最終需要的波浪參數如表1所示，

表1　波浪參數表Tab.1 Wave parameter list

波浪來流方向為船首，入射角設為 -180°，根據以上參數即可計算波浪載荷對柴油機振動的影響。

2.4波浪載荷對柴油機振幅的影響

在 2m，4m和 6m 波高時，柴油機受到波浪載荷的作用產生振幅，如圖4～圖6所示。

圖4　2m 波高的柴油機振幅Fig.4　Diesel engine amplitude of 2m high wave

圖5　4m 波高的柴油機振幅Fig.5　Diesel engine amplitude of 4m high wave

圖6　6m 波高的柴油機振幅Fig.6　Diesel engine amplitude of 6m high wave

由圖可知，波浪載荷對柴油機的低階振動影響比較明顯，共振振幅較大，高階響應振幅降低，振動的過度區域較陡；隨著激勵頻率的升高，諧響應振動迅速降低；激勵頻率在 50～100 Hz 區間時，共振也會發生，但是振幅不是很大，和低階共振的振幅相差 3個等量級；在 100～120 Hz的激勵頻率區間內，柴油機的振幅逐漸上升，但是上升的幅度不是很大。因此盡量避免低階頻率的對柴油機的激勵作用，降低柴油機的諧響應振幅。

2.5波浪載荷對柴油機受力的影響

諧響應的應力作用會對柴油機產生疲勞破壞作用，因此柴油機受到波浪載荷的應力作用不可忽視，不同波高情況下柴油機受到的應力作用如圖7～圖9所示。

圖7　2m 波高的柴油機應力Fig.7　Diesel engine stress of 2m high wave

圖8　4m 波高的柴油機應力Fig.8　Diesel engine stress of 4m high wave

圖9　6m 波高的柴油機應力Fig.9　Diesel engine stress of 6m high wave

由圖可知，波浪載荷對柴油機的低階振動的應力影響比較大，共振應力較大，高階響應下的應力降低，振動應力的過度區域較陡；隨著激勵頻率的升高，諧響應振動應力迅速降低，低階振動的應力相差3個等量級；如圖所示在 90 Hz 附近時，會有無應力的情況發生，這樣就會對柴油機產生很大的疲勞破壞作用，因此應該加裝合適的隔振器，避免高階和低階頻率對柴油機的激勵作用。

綜合以上分析，振動應力的激勵頻率和振幅的頻率相對應，都有極大值和極小值，諧響應數值相差較大，諧響應作用比較明顯，對柴油機有相當大的疲勞破壞作用

如果激勵頻率過小，柴油機的振幅和應力都較大，發生共振作用，柴油機動力特性就會減弱，導致柴油機運行不穩定；如果激勵頻率過大，柴油機的振幅和應力都會減到極低值，這樣容易導致簡諧力的作用，柴油機會發生疲勞破壞。因此對于同一柴油機，激勵頻率要適當，安裝適當的隔振器對柴油機能夠起到保護作用，及時對隔振器檢查和檢測，避免柴油機運行不穩定。

3　結 語

經過上述分析可得出以下結論：

1）激勵頻率過小，柴油機的振幅和應力都較大，發生共振作用，柴油機動力特性就會減弱，導致柴油機運行不穩定；如果激勵頻率過大，柴油機的振幅和應力都會減到極小值，在此附近的激勵會對柴油機造成疲勞破壞作用。

2）對于同一柴油機，安裝適當的隔振器對柴油機能夠起到保護作用，波浪載荷對柴油機和隔振器有疲勞破壞作用，因此及時對隔振器檢查和檢測，避免柴油機運行不穩定。

3）該研究分析對在海上航行的船舶安全提供了很大的幫助，為船舶柴油機的建造提供了理論技術支持，結論具有普遍使用性。

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Research on the influence of wave load on the vibration of marine diesel engine

CHEN Zhi-jian，GE Ji-huan，WANG Rui
（Wuhan University of Technology，School of Energy and Power Engineering，Wuhan 430063，China）

In order to avoid the influence of wave load on the operation of diesel engine.In this paper，AQWA software is used to calculate the dynamic pressure of waves，Using the APDL language to write the loading program to carry out the automatic application of wave load on the hull.Studying the harmonic response of diesel engine by different wave load.The results show that：if the excitation frequency is too small，the amplitude and stress of the diesel engine larger，diesel engine dynamic characteristics will be weakened，resulting in unstable operation of the diesel engine； if the excitation frequency is too large，the amplitude and stress of the diesel engine swinging back and forth near minima value，so easy to put the harmonic force on the whole body of diesel engine.Diesel opportunity to has fatigue failure behavior.

wave loading；diesel engine vibration；harmonic response analysis；amplitude；stress

U661.31+

A

1672-7619（2016）07-0035-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.008

2016-02-26；

2016-04-07

國家自然科學基金資助項目（51139005）

陳志堅（1990-），男，碩士研究生，研究方向為船舶動力關鍵技術。