某雙燃料動力PCTC船振動分析及控制

張亮,李國榮

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

在船舶設計階段開展詳細的振動評估及控制方案設計,有利于降低實船振動風險,減少船舶建造后階段振動修改成本,具有顯著的工程意義。以招商局金陵船舶(南京)有限公司批量建造的新一代雙燃料動力大型汽車運輸船(pure car/trunk carrier, PCTC)首制船為研究對象,采用有限元建模分析方法,開展船體結構固有頻率計算,識別振動關注區(qū)域共振或臨界振動風險,并針對PCTC船多層大跨度甲板板架固有頻率調節(jié)難的問題,通過進一步開展主要激振力作用下的船體強迫振動計算分析,明確振動響應值和分布,探討制定振動較大區(qū)域相關改進方案。

1 船型主要參數(shù)

1.1 船體特征

目標船典型橫剖面見圖1,該船設有12層汽車甲板,其中8層為固定式,4層為活動式,設計載車輛7 000標準車位。該船上層甲板設計為裝載小型汽車,軸載荷較小,因此甲板采用薄板設計,板厚為6 mm。為了最大化提高車輛裝卸能力和效率該船貨艙不設橫艙壁,僅在船長方向隔4或3個強框布置雙排支柱,甲板板架跨距達到15 m。大跨度薄板板架的設計容易產生振動問題,有必要在設計階段進行詳細評估。此外,本船采用LNG雙燃料主機,相關設備和系統(tǒng)具有一定的振動控制要求,需要在設計階段關注。

圖1 目標船典型橫剖面示意

1.2 振動關注區(qū)域及衡量準則

目標船船員房間和工作處所除需滿足《客船和商船適居性振動測量、報告和評價準則》[2](以下簡稱ISO 6954:2000(E))標準外,該船規(guī)格書還將振動指標更為嚴苛的ISO 20283-5標準[3]作為設計和建造控制目標。對于居住性衡準沒有包括的其他區(qū)域,仍然可能發(fā)生有害振動,如貨艙、機艙、LNG艙、桅桿等區(qū)域或構件,詳細設計需要綜合考慮較大振動對結構疲勞破壞、設備失效等的影響。

根據(jù)相關規(guī)范要求及船型特點,目標船設計階段振動重點關注區(qū)域見圖2,主要包括:A,LNG罐艙透氣桅;B1,船員房間;B2,駕駛室;C,船尾區(qū)域各層裝車甲板;D,LNG罐艙甲板;E,LNG供氣系統(tǒng)(FGSS)艙室;F,機械處所。

圖2 目標船振動控制重點區(qū)域

制定該船振動控制要求見表1。

居住性衡準值與ISO 6954—2000標準規(guī)定一致,設計目標值參考ISO 20283-5要求制定,振動參數(shù)采用頻率加權速度均方根值表征;結構振動參考中國船級社《船上振動控制指南》[4]制定,振動參數(shù)采用速度(峰值)表征,在5～100 Hz頻率范圍內建議值為30 mm/s。對于透氣桅及特殊設備區(qū)域,結合設計經驗制定。

1.3 振源分析

目標船引起船體振動的主要設備為主機和螺旋槳。其中,主機為7缸柴油&LNG雙燃料機,型號為WinGD 7X62DF-2.0 with iCER systems,服務轉速為93 r/min,根據(jù)廠商提供的資料,該型主機可引起船體較大振動的激勵為4階X型和7階H型傾覆力矩。螺旋槳為5葉單槳,根據(jù)船模實驗結果,服務轉速下,螺旋槳引起作用于船底板的葉頻脈動壓力峰值為3.1 kPa,倍葉頻較小,可忽略不計。表2為目標船激勵源。

2 自由頻率計算及共振風險控制

應用MSC.NASTRAN軟件計算目標船各振動關注區(qū)域局部結構固有頻率,按照與主要激勵頻率錯開10%～20%的原則進行共振篩查,相應地采取加密骨材或者增加梁結構進行加強,以提升局部結構固有頻率儲備。

此原則對于目標船上層甲板大跨度板架結構并不適用。如圖3計算結果所示,典型上層甲板板架第1階固有頻率僅有4.9 Hz左右,第2階固有頻率為8.2 Hz,與螺旋槳葉頻激勵頻率接近,存在共振風險。但對于上層甲板區(qū)域,由于PCTC船穩(wěn)性及重量控制要求,大量級的增加梁結構或改變現(xiàn)結構尺寸、厚度提升大跨度板架的固有頻率不現(xiàn)實,采用增加支柱的方案也勢必影響車輛裝載。因此,PCTC船型上層甲板結構共振將難以避免,有必要通過開展詳細的強迫振動計算評估,定量獲得振動響應值,明確較大振動區(qū)域分布,制定在共振環(huán)境下將振動傳遞路徑和能量盡量均勻分布的措施,避免出現(xiàn)振動超標。

圖3 上層甲板典型板架固有頻率

目標船采用LNG和柴油雙燃料動力系統(tǒng),在機艙相鄰區(qū)域設置獨立的LNG燃料罐艙。根據(jù)SOLAS公約及相關規(guī)范要求,需要配備透氣桅以保證結構安全和防火安全。本船透氣桅布置于動力系統(tǒng)上方頂層甲板,容易產生振動問題。根據(jù)計算分析,如圖4及表3所示,透氣桅前3階固有頻率與該船主要激勵頻率錯開15%以上,可以認為共振風險較低,無需在設計階段采取加強措施。

表3 透氣桅固有頻率儲備

圖4 透氣桅固有頻率

3 振動響應分析

3.1 計算模型

采用MSC.PATRAN軟件建立整船有限元模型,對該船進行強迫振動計算。由于目標船尺度大,桁材、骨材布置密集,分析模型完全反應實船細節(jié)特征不利于開展動力學分析。根據(jù)本船船型及振動控制特點,采用等效建模的方法,將離振動激勵源較近、振動控制重點區(qū)域采用細網格劃分,盡可能反應所有結構細節(jié),即LNG艙前端壁往尾部分及上層建筑居住區(qū)域模型網格采用縱骨間距×肋骨間距劃分;其他區(qū)域采用尺寸為縱骨間距×強肋骨間距較粗網格劃分。該方法能反應振動關注區(qū)域板架及板格級振動,保證振動分析精度,且可縮短建模和計算時間[5]。

整船有限元分析模型及坐標系見圖5。

圖5 目標船振動有限元分析模型

3.2 分析過程

對船體施加1.3所分析的本船主要激振力,采用MSC.NASTRAN軟件進行全船強迫振動計算及后處理。

3.3 計算結果

經計算,上層甲板船員艙室和工作處所、FGSS房間、LNG艙結構振動水平較低,滿足設計目標。振動較大區(qū)域集中在尾部甲板,主要與螺旋槳葉頻激勵相關。

圖6給出了目標船上層10甲板在主機服務轉速93 r/min對應的螺旋槳葉頻激勵下的振動響應速度云圖。其中,位于船中部的P1點及周邊小范圍區(qū)域呈現(xiàn)較大的振動響應,速度(峰值)達到37.2 mm/s,超出了規(guī)范推薦衡準值30 mm/s,考慮進行結構改進。

圖6 上層10甲板螺旋槳葉頻激勵下振動響應結果

提取計算結果,繪制P1點在該船主要激振力(主機4、7階,螺旋槳葉頻)作用下隨轉速變化振動速度響應曲線,如圖7所示,測點在各激勵下的振動響應主要表現(xiàn)為Z向(垂向)振動,沿船長和船寬方向的振動小;主機7階引起的振動響應速度小于4 mm/s,主機4階引起的振動響應速度峰值為15 mm/s,滿足規(guī)范推薦衡準.由圖7c)可推斷,振動響應曲線在主機93 r/min呈現(xiàn)單峰值,表明產生了共振。

圖7 測點P1在各主要激勵下的振動響應值

3.4 減振措施

1)根據(jù)前文固有頻率分析和振動響應計算結果,判斷尾部甲板振動較大主因為螺旋槳葉頻激勵。改進方案從提高局部區(qū)域結構剛度,改善振動能量分布考慮。

制定尾部甲板典型加強方案見圖8,對振動較大區(qū)域約1.5倍范圍內沿船寬方向增加1道與該層甲板橫梁同規(guī)格尺寸的T型梁,沿船長方向將1～2道甲板縱骨改為與該層甲板縱梁同規(guī)格尺寸的T型梁。

圖8 典型板架加強設計

2)該船主機頂撐原設計方案為在單側布置4根液壓式頂撐,計算結果顯示,部分區(qū)域結構對主機4、7階激勵敏感,由于ISO 6954 2000(E)振動速度參數(shù)統(tǒng)計的是1～80 Hz頻率加權均方根值,降低主機激勵響應會改善振動總值,此外,對于機艙及相鄰區(qū)域的各型設備、管路等振動,在設計階段難以全面核查。改善主機4、7階激勵下的船體振動響應可通過采取調整主機橫向頂撐布置等措施[6]。

為進一步控制振動風險,制定方案見圖9,①依據(jù)機艙平臺及鄰近區(qū)域振動評估,優(yōu)化設計主機頂撐在船體側支撐結構剛度大于頂撐剛度2倍以上;②在B,C位置提前做好結構加強,并預留相應的安裝空間,若實船出現(xiàn)主機激勵振動問題,可減少建造后的修改成本;③基于整船響應計算,在A,D位置增加兩根頂撐,可降低主機激勵敏感區(qū)域振動響應。

圖9 主機頂撐區(qū)域優(yōu)化設計

經設計優(yōu)化,本船尾部甲板振動得到改善,如表4所示,振動速度峰值滿足設計目標。

表4 減振設計優(yōu)化前后振動響應對比

4 航行振動測量結果

依據(jù)目標船航行振動試驗大綱,海上航行振動測試在主機持續(xù)服務功率(85%主機標定負荷)進行,主機轉速為93 r/min左右。選取上層建筑、尾部甲板、設備間等區(qū)域測點,測量縱向、水平方向和垂直方向振動,測試結果為ISO-6954 2000(E)1～80 Hz頻率加權速度均方根值。測試結果表明,該船振動考察區(qū)未出現(xiàn)振動超標現(xiàn)象,設計階段振動控制設計達到了預期的目標。各測點振動速度及相應的主要激振力統(tǒng)計見圖10。大多數(shù)測點振動主要與螺旋槳葉頻激勵相關,其次是主機4階激勵。該船居住甲板整體振動較小,基本小于3.5 mm/s,振動水平已達到ISO 20283-5標準,具有良好的居住舒適度;FGSS房間、LNG艙等設備或系統(tǒng)艙室振動處于較低水平。

圖10 目標船振動測試結果

5 結論

1)PCTC船上層甲板典型結構特征為由支柱支撐的大跨度薄板板架結構,基礎頻率較低,在設計階段識別出共振風險時,依據(jù)與主要激勵頻率錯開10%～20%的原則進行大面積的結構改進會導致出現(xiàn)重量和穩(wěn)性控制問題,需要采用強迫振動分析方法,定量獲得振動響應值,明確較大振動區(qū)域分布,制定在共振環(huán)境下將振動傳遞路徑和能量盡量均勻分布的措施,避免出現(xiàn)振動超標。

2)基于目標船主要激振力作用下的船體強迫振動響應分析,可明確該船較大振動區(qū)域在尾部甲板,主要由螺旋槳葉頻激勵引起,所采取的結構加強方式,使得結構振動速度值降至20 mm/s以內,達到了設計目標。

3)主機4階X型和7階H型激勵引起的振動可通過優(yōu)化主機橫向頂撐布置及支撐剛度控制;進一步的,在設計階段可預留額外的主機頂撐安裝空間,提前做好頂撐結構加強。對于航行測試暴露出的相關振動問題,可快速進行安裝測試,減少修改成本。