G型主機機艙振動分析及加強措施

于杰

摘要：近來市場上流行的G型主機，以其節能高效吸引了大量船東的眼球，然而在實際使用中，由于G型主機比傳統的S型主機轉速低，尺寸更大，重量更重，對機艙的振動加強提出了更高的要求，本文通過有限元分析的方法，對G型主機整個機艙包括上建進行了分析，并提出加強方案。

關鍵詞：船舶;G型主機;振動;有限元;加強

0? 引言

主機為船舶推進提供動力，是船舶動力系統的核心設備，主機安全高效穩定的運行對船舶的營運起著至關重要的作用，人們一直在摸索如何將主機設計的更加節能環保。傳統的主機在改進時往往采取降低航速的方法以達到節能的目的，但降低航速對航運公司而言大大延長了航行時間，一些雇主對此很不滿意。市場上的主機廠商經過研究推出了一種新的機型，即在保證航速的情況下，燃油消耗比傳統機型還要低，這吸引了大批船東開始關注這種機型。2012年，我廠與澳大利亞船東簽訂了64000噸散貨船建造合同，按照合同，船東選擇了市場新出的G型主機，主機廠家宣稱這種機型比傳統的S型機更節能環保，而且還能保證航速。但廠家資料顯示這種機型比S型機重量更重，尺寸更大，傳統的64000噸散貨船機艙已無法滿足這種機型的布置，必須進行重新設計。經過進一步的消化廠家資料，我廠認識到機艙的結構對于主機的振動相應存在隱患，為此運用有限元分析的方法，模擬整個機艙包括上建對主機振動的相應，就能準確的顯示出哪些結構所承受的應力大，進而針對這些部位做出加強方案。

1? 概述

本次振動分析包括強迫振動分析，結果參照ISO6954-2000標準，考慮到此標準對一些潛在的高危險區域不能完全識別，我們同時參照了ISO6954-1954標準，但此標準僅作參考，最終的結果仍以ISO6954-2000標準作為考核依據。

2? 有限元建模

2.1 船體結構建模

在軟件中建立3D模型以用于分析，所有主要結構包括甲板，縱向和橫向艙壁，縱桁，強框架和外板作為主要受力單元，甲板橫梁以及支柱挺筋作為附屬構件。上層建筑僅以外板和橫梁反映。為了真實反映主機的形狀和剛度，我們建立了一個全面反映主機狀態的有限元模型，此模型能輸出主機發出的力，我們以外殼和橫梁對模型進行簡化。主機橫撐我們以同等強度的結構進行簡化。

需要注意的是，此次模型建立的網格單元包括橫向和縱向，這就不僅能反映全船振動水平，也能準確的反饋局部結構振動水平，如桅，甲板板和橋翼等。

2.2 質量模型

根據全船質量數據和初步裝載手冊鋼板質量通過理想化的模型進行分布，大的設備如鍋爐，發電機，舵葉，艙蓋，尾軸，螺旋槳等根據重量重心設置成節點模型。主機的質量通過有限元模型定義。

3? 選取載荷工況和檢測部位

3.1 載荷工況的選擇

理論上，一份完整的振動分析報告需最少包含兩種工況：滿載和壓載。考慮到此次振動分析僅是為了分析在極端情況下主機的振動響應水平，所以我們這次選取一種具有代表性的極端工況進行分析。

根據以往S型主機64000噸散貨船的經驗，全船的共振頻率在壓載工況下大概在6.3Hz，這對于5缸G型主機的船極有可能產生共振，因為這種主機的轉速僅為77轉，H型彎矩為6.4Hz。因此此次分析主要針對H型彎矩。

3.2 檢測部位的選擇

經過初步核算，我們選取了九個具有代表性的位置進行考核，她們是fore end of ME top （y）， aft end of ME top （y）， lower platform （PS） （z）， Lower platform （SB） （z）， center of engine control room（z）， compass deck（y）， radar mast platform（y）， radar mast top（y）， room with sun window glass（y）。這些位置的顯示見fig11-fig16，主要反映了在0速度時這些位置和周圍結構的情況。主機頂部參照標準根據廠家MAN的數據是25～50mm/s，其它位置根據ISO6954-1984是4～9mm/s。

3.3 主機橫撐的檢測

主機橫撐的作用是通過連接主機和尾部結構使之形成一個整體結構，從而增加這種整體結構的剛度，降低自然頻率和振動響應。如果我們將船體結構、主機橫撐和主機的剛度分別定義為K1、K2和K3，那么整體結構的剛度就為1（1/K1+1/K2+1/K3）。通過公式我們可以得出結論：整體結構的剛度取決于剛度最小的單個結構。

根據圖紙原始設計有四根橫撐安裝在主機排氣管一側，我們設定橫撐剛度為500MN/m，船體結構為1000MN/m。

為了進行對比，我們設置了三種情況Variant 1，2，3：

Variant 1：將4根橫撐取消，有些情況下取消橫撐可以帶來積極的效果，通常這樣會降低主機和結構的整體自然頻率，但會增加低頻時的振動響應。為了降低這種響應，我們增加了電動補償器的測試。

Variant 2：將橫撐增加到8根，兩根液壓式設置在主機泵一側，6根機械式設置在排氣管一側。根據廠家資料，泵一側的橫撐剛度設成390MN/m，排氣管一側設成709MN/m。和Variant 1一樣，補償器的測試曲線分別為Variant 2a和2b。

Variant 3：將橫撐設成6根，兩根液壓式設置在主機泵一側，4根機械式設置在排氣管一側。剛度和Variant 2一樣，補償器的測試曲線分別為Variant 3a和3b。

3.4 結果顯示

根據設置的三種情況，對選好的九個點的測試結果用曲線輸出，并進行對比，結果顯示：

Variant 1：取消所有橫撐后，結果顯示自然頻率降到了62rpm，振動相應增加了1到24倍不等，平均7倍，這種現象是船體和主機整體剛度下降的結果導致的。這種振動響應的劇烈程度以至于正常的補償器根本無法有效的工作，所以取消橫撐的方案不能接受。

Variant 2：船體和主機的聯合體剛度最大，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，但振動響應下降了25%～50%，平均40%。很多點與它們自身的振動標準都保持了一致，當然補償器可以提供更好的效果，但已經沒有必要了。

Variant 3：船體和主機的聯合體剛度比Variant 2稍微有所下降，全船自然頻率在1rpm到72rpm之間，振動響應下降了20%～45%，平均35%，僅僅比Variant 2少了5%。很多點仍然與它們自身的振動標準都保持了一致，當然補償器可以提供更好的效果，也沒有必要了。

通過這九個點的結果顯示，全船的beam H moment振動響應發生在71rpm，增加了主機橫撐后，任何的加強都會增加全船的自然頻率，一般在1～72rpm，考慮到主機的CSR是70.8rpm，可以想象情況非常嚴重。主機橫撐的增加將導致船體很多部位的振動加強響應非常大。

因此必須增加額外的加強作為補償。

3.5 加強方案

經過討論，我們采用Variant 3方案，主機設置6根橫撐，并增加相應的船體結構加強。

①在平臺板橫撐部位增加板厚。

②在平臺反面增加箱體結構和實肋板以及強橫梁，見圖2藍色和粉色區域。

3.6 結果論證

試航時對主機周圍進行了全方位檢測，試航報告顯示，主機周圍振動遠低于標準，達到了預期目標。（圖3）

4? 結束語

通過這次有限元分析，成功的對主機振動響應做出了預警，采取的方案經過實船驗證也達到了預期的效果，這大大減少了試航交船存在的隱患，為其它船頭提供了有益的參考。

參考文獻：

[1]曼恩動力設備公司MDT從雪佛龍公司獲得G型主機訂單[J].機電設備，2012，29（06）：25-26.

[2]申亮，顧立舟，李永坡，張宇.低速船用主機臺架試驗結構振動避振方法[J].柴油機，2016，38（03）：40-43.

[3]錢俊輝，李小彪，譚丁.G型連桿齒形裂紋焊修工藝開發[J].內燃機與配件，2019（03）：150-151.