散貨船上層建筑振動(dòng)的初步分析

孫 倩，周 宏

（1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361021；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

散貨船上層建筑振動(dòng)的初步分析

孫 倩1，周 宏2

（1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361021；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

上層建筑是船舶的重要組成部分，它所產(chǎn)生的有害振動(dòng)會(huì)影響到船舶的安全，文章首先簡(jiǎn)要介紹了船體上層建筑振動(dòng)的計(jì)算方法，然后建立了29 800 DWT散貨船上層建筑的有限元模型，并采用不同網(wǎng)格密度進(jìn)行了該結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。計(jì)算結(jié)果和結(jié)論可為船舶上層建筑的可靠性設(shè)計(jì)方面提供參考。

散貨船；上層建筑；振動(dòng)；有限元

0 引言

在大多數(shù)情況下，船體振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生有害的影響，然而在船舶營(yíng)運(yùn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)上層建筑受外界激勵(lì)可能發(fā)生共振；或者是雖然不共振，但由于激勵(lì)過(guò)大和/或結(jié)構(gòu)剛度較弱而造成劇烈的上層建筑的局部振動(dòng)都會(huì)引起船員和旅客的不適，導(dǎo)致工作效率降低，船上的機(jī)械設(shè)備、儀器儀表等不能正常工作，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷加速等危害[1]。近年來(lái)船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越得到船舶科研、設(shè)計(jì)、建造和航運(yùn)部門(mén)的重視[2]，較正確地預(yù)報(bào)上層建筑結(jié)構(gòu)的頻率，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以有效的控制對(duì)于船舶的可靠性設(shè)計(jì)和重要設(shè)備的安裝具有重要意義[3]。

針對(duì)上層建筑的振動(dòng)問(wèn)題，目前有兩種計(jì)算方法。第一種方法是經(jīng)驗(yàn)公式法，國(guó)內(nèi)外以往在這一方面進(jìn)行過(guò)很多研究[4-6]，得到的是由上層建筑基本尺度描述的固有頻率的近似公式[7-9]，由于考慮因素有限，該方法是存在明顯局限的。第二種方法就是有限元法。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元計(jì)算程序獲得迅猛發(fā)展，可以建立復(fù)雜的更接近于實(shí)際情況的3D有限元計(jì)算模型[10-12]來(lái)研究上層建筑的振動(dòng)，能夠得出更加符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果。本文采用有限元軟件PATRAN/NASTRAN進(jìn)行某29 800 DWT散貨船上層建筑的振動(dòng)分析。

1 上層建筑有限元模型的建立

1.1 主要參數(shù)

1）船體主要參數(shù)

總長(zhǎng)：179.00 m；

型寬：25.0 m；

水線間長(zhǎng)：173.30 m；

型深：14.10 m；

垂線間長(zhǎng)：169.80 m；

設(shè)計(jì)吃水：10.20 m。

2）上層建筑主要參數(shù)

高度：27.1 m；

最大長(zhǎng)度：30.2 m；

最大寬度：25.2 m。

該船屬于艉機(jī)型船、單煙囪結(jié)構(gòu)型式，整個(gè)上層建筑有五層，自上而下分別為羅經(jīng)甲板、駕駛甲板、起居甲板、救生艇甲板和尾樓甲板。上層建筑的前端壁與下部機(jī)艙橫隔壁縱向位于同一垂直面，由于機(jī)艙內(nèi)無(wú)連續(xù)隔壁，因此為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度布置有若干支柱用于支撐主甲板和上層建筑。

3）參考圖紙資料

29 800 DWT散貨船的總布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖和典型橫剖面圖等。

1.2 有限元計(jì)算模型的建立

本文采用MSC/PATRAN有限元軟件建立29 800 DWT散貨船上層建筑結(jié)構(gòu)的有限元模型。

1）模型坐標(biāo)系

上層建筑模型坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系統(tǒng)，模型坐標(biāo)系原點(diǎn)位于FR.26、船體中線處，X軸指向船首，Y軸指向右舷，Z軸向下。

2）模型描述

該船上層建筑前端壁位于FR.37，有限元模型范圍取為FR.-5~FR.37，包括相應(yīng)部分的主甲板。按上層建筑實(shí)際結(jié)構(gòu)和計(jì)算需要來(lái)劃分網(wǎng)格，其中各層甲板、側(cè)壁板以及連續(xù)隔壁均采用板單元模擬，其上的縱骨、橫梁以及縱向加強(qiáng)筋均采用梁?jiǎn)卧M，橫向加強(qiáng)筋等小構(gòu)件以相當(dāng)厚度的方式加到其所加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上，小面積間斷隔壁以及連接肘板等局部構(gòu)件忽略不考慮[4]。由于需要得到的是上層建筑總振動(dòng)的計(jì)算數(shù)據(jù)而不是進(jìn)行強(qiáng)度分析，所以為了不改變總振動(dòng)模態(tài)，先將單元網(wǎng)格劃分得相對(duì)粗一些[13]。本模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為69 712，單元總數(shù)為61 279，如圖1所示。

圖1　上層建筑有限元模型

3）材料參數(shù)

彈性模量E：2.058×1011Pa；泊松比μ：0.3；密度ρ：7.85×103kg/m3。

4）邊界條件

局部結(jié)構(gòu)邊界條件的確定取決于兩個(gè)因素：一是計(jì)算構(gòu)件與相鄰構(gòu)件之間的相對(duì)剛度；二是變形特征。上層建筑與主船體是連接在一起的，如果只選取上層建筑部分單獨(dú)建模，則兩者的交界面上的邊界條件很難精確確定[14]，除此之外，上層建筑也會(huì)因?yàn)橹鞔w運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)。因此本文在上層建筑下方增加了部分主甲板，并且為了減少邊界條件的影響，對(duì)處于邊界處主甲板進(jìn)行剛性固定。

5）荷重處理

為恰當(dāng)體現(xiàn)荷重對(duì)振動(dòng)的影響，上層建筑中數(shù)值較小的非集中荷重直接通過(guò)改變其所作用的甲板或隔壁板的密度來(lái)解決；對(duì)于如人員和儀器設(shè)備等對(duì)總振動(dòng)的頻率影響較大的荷重以及其它集中荷重，轉(zhuǎn)化為其所在區(qū)域單元的節(jié)點(diǎn)力來(lái)解決。

2 上層建筑的振動(dòng)分析

2.1 普通密度網(wǎng)格的振動(dòng)分析

采用MSC/NASTRAN進(jìn)行了上述29 800 DWT散貨船上層建筑的振動(dòng)分析，一到十階振型如圖2~圖11所示。

從振型圖中可以看出，前幾階大多是整體模態(tài)，后幾階多為局部模態(tài)。上層建筑的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，存在大量固有頻率比總體縱向和垂直模態(tài)的固有頻率低得多的局部模態(tài)。由于本算例中上層建筑為輕型上層建筑，不參與總縱彎曲，所以其板材設(shè)計(jì)得相對(duì)較薄，骨材也多為小骨材，再加上有限元建模過(guò)程中存在一定程度的簡(jiǎn)化，局部振動(dòng)最早出現(xiàn)在上層建筑位置是正常的。

圖2　一階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖3　二階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖4　三階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖5　四階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖6　五階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖7　六階振型（普通密度網(wǎng)格）

2.2加密網(wǎng)格的振動(dòng)分析

為了了解不同密度網(wǎng)格對(duì)振動(dòng)結(jié)果的影響，本文對(duì)圖1的網(wǎng)格進(jìn)行了加密再次進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析，在此只選取一到十階單數(shù)振型圖進(jìn)行展示，如圖12~圖16所示。

圖8　七階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖9　八階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖10　九階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖11　十階振型（普通密度網(wǎng)格）

圖12　一階振型（加密網(wǎng)格）

圖13　三階振型（加密網(wǎng)格）

圖14　五階振型（加密網(wǎng)格）

圖15　七階振型（加密網(wǎng)格）

圖16　九階振型（加密網(wǎng)格）

對(duì)比圖12~圖16計(jì)算結(jié)果表明，加密網(wǎng)格后不改變其它條件所得振型存在大量局部振動(dòng)，頻率過(guò)密并出現(xiàn)了較多重頻，這樣很難得到合理的總振動(dòng)頻率，這對(duì)結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)分析是不利的。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)網(wǎng)格細(xì)分前后模型的振動(dòng)計(jì)算結(jié)果比較，可以得出如下結(jié)論：

1）網(wǎng)格細(xì)分后的模態(tài)計(jì)算出現(xiàn)了較多的局部振動(dòng)結(jié)果。以常用的第一階振型圖為例，對(duì)比可以看出普通密度網(wǎng)格模型的第一階振型最大值為5.56×10-3，位于68 233節(jié)點(diǎn)，在煙囪頂部區(qū)域，處于總振動(dòng)模態(tài)；而網(wǎng)格細(xì)分后的第一階固有振型最大值為7.59×10-15，位于78 596節(jié)點(diǎn)，在尾樓甲板區(qū)域，局部模態(tài)明顯，結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分的細(xì)密程度明顯影響到振動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

2）應(yīng)根據(jù)具體的振動(dòng)求解需求建立相應(yīng)的有限元分析模型。如果需要獲得上層建筑總體振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)，則不應(yīng)把結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分得太密；反之，如果需要得到的是某些具體位置的準(zhǔn)確振動(dòng)數(shù)據(jù)，如要在該位置處安裝貴重機(jī)械設(shè)備或精密儀器等，則應(yīng)該對(duì)這些位置的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格加密，便于通過(guò)專用軟件計(jì)算該位置處的相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3）目前常用的經(jīng)驗(yàn)公式法如CCS方法和DNV方法涉及參數(shù)較少[4]，計(jì)算簡(jiǎn)便，可在初步設(shè)計(jì)階段用于振動(dòng)的估算。今后可以根據(jù)船型、主要尺度和航速等參數(shù)進(jìn)行大量的有限元計(jì)算和收集足夠的實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)這些資料進(jìn)行充分分析以提高經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的精度，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

4）進(jìn)行上層建筑自由振動(dòng)分析是要確定它的固有頻率是否在主機(jī)和螺旋槳振動(dòng)頻率附近，是否存在共振的風(fēng)險(xiǎn)。下一步可以進(jìn)行主機(jī)和螺旋槳激振力作用下的上層建筑的受迫響應(yīng)計(jì)算以確定響應(yīng)值是否滿足船體振動(dòng)的基準(zhǔn)要求。

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Preliminary Vibration Analysis for Superstructure of Bulk Carrier

Sun Qian1,Zhou Hong2

(1.Jimei University,Marine Engineering College,Fujian Xiamen 361021,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Ship and Offshore Engineering College,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

Superstructure is an important part of the whole ship and its harmful vibration affects the safety of the ship.In this paper,the vibration calculation methods of the superstructure are introduced briefly.Then the finite element model of 29 800 DWT bulk carrier’s superstructure is established and the mode analyses with different mesh density are made.The results and conclusions can be the reference in reliability design of the superstructure.

bulk carrier; super structure; vibration; finite element

U663.6

A DOI：10.14141/j.31-1981.2016.05.003

孫倩（1974—），女，副教授，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。