主機(jī)拉撐特性對超大型集裝箱船全船振動性能的影響

主機(jī)拉撐特性對超大型集裝箱船全船振動性能的影響王佳穎;孫芳勝;萬忠【摘要】針對主機(jī)液壓拉撐2種工作模式和布置方式對船舶振動性能的影響問題,以某14500TEU集裝箱船實(shí)船設(shè)計(jì)為研究對象，采用有限元數(shù)值預(yù)報(bào)方法，進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)振動分析.對4種主機(jī)拉撐布置和工作模式工況下的振動響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，在不同裝載狀態(tài)下，合理切換主機(jī)拉撐的布置以及工作模式，可以有效減小主機(jī)機(jī)架本身和船體結(jié)構(gòu)的振動水平.％Inordertostudyontheeffectsoftopbracingontheglobalvibrationofultralargecontainership,theglobalstructuralvibrationanalysisof14500TEUcontainershipwascarriedoutbyfinite-elementmethod.Theforcedvibrationresultsoffourtopbracingarrangementsanddesignswerecalculated.Thevibrationlevelsofhullstructureandengineframecanbeeffectivelyreducedbyreasonablemodeswitchoftopbracingsindifferentloadingconditions.【期刊名稱】《船海工程》【年（卷），期】2017（046）004【總頁數(shù)】6頁（P55-60）【關(guān)鍵詞】振動分析;主機(jī)有限元模型;推力軸承力;主機(jī)拉撐;主機(jī)機(jī)架【作者】王佳穎;孫芳勝;萬忠【作者單位】滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129;滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129;滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129【正文語種】中文【中圖分類】U661.44隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，針對船體結(jié)構(gòu)振動新的規(guī)則規(guī)范陸續(xù)生效，2000年12月發(fā)布的ISO6954—2000(E)《機(jī)械振動一船、商船振動適居性的測量、報(bào)告和評價(jià)準(zhǔn)則》［1］是目前民用船舶的基本技術(shù)規(guī)格要求，而最新的ISO20283-5［2］也在討論制訂當(dāng)中。這些都對船舶結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求。隨著集裝箱船的主尺度和裝箱量越來越大，其采用的主機(jī)功率、缸數(shù)和機(jī)架尺度也隨之不斷加大。主機(jī)激勵是導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)振動的重要激勵因素之一，主機(jī)本身坐落于機(jī)艙雙層底，機(jī)架本身就存在H型、X型和L型3種振型［3］。主機(jī)機(jī)架的振動水平控制和主機(jī)激振力的準(zhǔn)確模擬等是超大型集裝箱船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。DNVGL船級社與MAN公司合作在此方面已經(jīng)開展了一些理論和實(shí)測研究。出于商業(yè)利益與技術(shù)保密的緣故，難以獲得其研究的關(guān)鍵技術(shù)資料。目前國內(nèi)對主機(jī)拉撐布置與特性對船體結(jié)構(gòu)振動影響的相關(guān)研究還比較匱乏，而這又在船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有相當(dāng)重要的工程實(shí)踐意義。全船有限元分析是常用的船舶結(jié)構(gòu)振動預(yù)報(bào)方法。有研究提出添加主機(jī)橫撐的設(shè)計(jì)方案，但并未對拉撐類型的力學(xué)特性進(jìn)行更多的探討，且其主機(jī)機(jī)架的模擬也采用近似假定方法模擬［4］?？紤]以滬東中華造船(集團(tuán))有限公司設(shè)計(jì)建造的14500TEU超大型集裝箱船為研究對象，采用全船有限元振動分析方法，研究主機(jī)拉撐工作模式對超大型集裝箱船全船振動性能的影響?；诘聡鴦谑洗壣绱敖Y(jié)構(gòu)振動分析指南(GLTechnologyShipVibration，2001)［5］和ISO6954—2000標(biāo)準(zhǔn)的要求，討論不同主機(jī)拉撐工作模式與布置方式對全船結(jié)構(gòu)振動帶來的影響。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。對于集裝箱船的振動分析，既考慮到較淺的吃水狀態(tài)，又兼顧集裝箱裝載的分析特點(diǎn)，結(jié)合技術(shù)規(guī)格書的要求，從裝載手冊中選擇2個(gè)最為典型的壓載出港和設(shè)計(jì)吃水裝載狀態(tài)。采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件建立有限元模型，為了盡可能地減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制計(jì)算規(guī)模并減少局部模態(tài)，全船基本采用桁材和強(qiáng)框間距網(wǎng)格尺寸建模。甲板、艙壁、圍壁、肋板和外板等主船體結(jié)構(gòu)均采用4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元模擬，開孔視情況按照板厚折減或刪除單元?？v骨和橫向加強(qiáng)筋等，通過面積與彎曲剛度疊加的方式，偏置于強(qiáng)框交界處并建立等效梁單元模擬。作為示例，本船設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的全船有限元模型見圖1。全船質(zhì)量可以分為空船質(zhì)量與裝載質(zhì)量2部分，其中空船質(zhì)量又包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量與非結(jié)構(gòu)質(zhì)量(設(shè)備、管系、舾裝件及地板敷料等)。有限元模型按圖紙建立完成后，結(jié)構(gòu)質(zhì)量不需要采用修改密度等方法配重。非結(jié)構(gòu)質(zhì)量中相對較為集中的質(zhì)量，例如,設(shè)備等，采用集中質(zhì)量單元的方式模擬。非結(jié)構(gòu)質(zhì)量中相對較為分散的質(zhì)量分布，例如，機(jī)艙管系或者地板敷料等，采用調(diào)整對應(yīng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料密度或者添加非結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布參數(shù)的方式模擬。裝載質(zhì)量包括：壓載水、油料以及集裝箱貨物等。采用水密邊界上均布集中質(zhì)量單元來模擬壓載水和油料等艙室重量。對于集裝箱貨物質(zhì)量，采用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬其大小和重心位置。通過REB3類型的多點(diǎn)約束(MPC)分配至箱腳坐落的節(jié)點(diǎn)位置，此MPC僅分配質(zhì)量不提供任何結(jié)構(gòu)剛度。質(zhì)量模擬的基本原則是盡可能真實(shí)地模擬質(zhì)量的空間分布，同時(shí)盡可能地避免大質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)集中分配，以避免計(jì)算中出現(xiàn)不合理的局部低頻模態(tài)。全船有限元模型的質(zhì)量與裝載手冊完全一致，重心位置誤差不超過1%?；诹鞴恬詈戏治龅脑磪R分布法模擬附連水質(zhì)量，參考NASTRAN中的MFLUID卡片設(shè)置［6］，定義濕表面單元組和吃水高度，考慮不同裝載狀態(tài)下的艏艉吃水縱傾，計(jì)算船體附連水質(zhì)量。為保證主機(jī)與雙層底之間耦合模態(tài)的計(jì)算準(zhǔn)確性，使得主機(jī)的激振載荷能夠準(zhǔn)確傳遞給船體結(jié)構(gòu)，計(jì)算主機(jī)機(jī)架的模擬和質(zhì)量分配完全參照主機(jī)廠家所提供的信息建立有限元模型。為了更好地模擬主機(jī)及其周圍結(jié)構(gòu)，機(jī)艙雙層底區(qū)域結(jié)構(gòu)采用縱骨間距的網(wǎng)格尺寸建立有限元模型。主機(jī)拉撐采用剛固MPC與梁單元的組合形式模擬。當(dāng)主機(jī)拉撐處于主動式工作模式時(shí)，根據(jù)拉壓剛度的大小計(jì)算梁單元的材料屬性與截面面積，用以精確模擬其提供的剛度值；當(dāng)主機(jī)拉撐處于被動式工作模式時(shí)，主機(jī)拉撐起到提供阻尼的作用，不提供剛度，采用一維阻尼單元進(jìn)行模擬。主機(jī)和艉部有限元模型見圖2。4.1激振力1）螺旋槳表面力。采用一種簡化的工程實(shí)用方法加載螺旋槳表面力，只考慮螺旋槳上方面積約為螺旋槳直徑平方的范圍內(nèi)的螺旋槳脈動水壓力。壓強(qiáng)大小參照船?？张菰囼?yàn)的結(jié)果并且結(jié)合公司多年的數(shù)據(jù)積累經(jīng)驗(yàn)，將船體外板的脈動水壓力合力集中作用于這一范圍。不同轉(zhuǎn)速下的螺旋槳表面力按轉(zhuǎn)速立方關(guān)系換算。2）主機(jī)激振力。本船采用的主機(jī)為MAN公司10S90ME-C10.2的機(jī)型，該機(jī)型主機(jī)7階的X型和H型彎矩都相對較大。計(jì)算考慮了1~10階激振力及每階力之間的相位關(guān)系。不同轉(zhuǎn)速的主機(jī)激振力按照轉(zhuǎn)速平方關(guān)系換算。3）推力軸承。即便是安裝阻尼器，推力軸承在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生較大的縱向振動作用力。這里采用軸系軸向振動計(jì)算報(bào)告中的推力軸承作用力曲線，加載至推力軸承節(jié)點(diǎn)上。其中，7階推力軸承作用力相對較大。4.2阻尼系數(shù)選取船體振動的總阻尼由外阻尼和內(nèi)阻尼2部分構(gòu)成。船舶的外阻尼包括空氣動力阻尼和水動力阻尼，內(nèi)阻尼由裝載貨物阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼2部分構(gòu)成。船體振動的阻尼系數(shù)極為復(fù)雜，難以準(zhǔn)確得到，目前一般采用經(jīng)驗(yàn)的臨界阻尼值來設(shè)置。真實(shí)的臨界阻尼值隨著頻率的升高而增大，不同船級社有不同的阻尼推薦值。本船計(jì)算采用GL船級社推薦的臨界阻尼值，見表2。從表2可見，設(shè)計(jì)吃水的阻尼比壓載吃水的稍大。5.1振動模態(tài)計(jì)算結(jié)果采用Lanzos法進(jìn)行大模型的模態(tài)分析，得到壓載和設(shè)計(jì)吃水下的各階模態(tài)和對應(yīng)頻率。主機(jī)拉撐的布置和工作模式對船體總振動模態(tài)及其頻率并無影響。表3給出了14500TEU集裝箱船的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)和對應(yīng)頻率值。由表3可見，由于集裝箱船的全船大開口設(shè)計(jì)，其扭轉(zhuǎn)剛度較弱，因此其第一階為扭轉(zhuǎn)模態(tài)。5.2受迫振動計(jì)算結(jié)果以下分析基于主機(jī)拉撐單側(cè)布置6根且處于主動式工作模式下工作的受迫振動計(jì)算結(jié)果。受迫振動的分析預(yù)報(bào)選點(diǎn)和衡準(zhǔn)是振動預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，需要全面評估全船各個(gè)敏感位置，例如，上層建筑各層的船員房艙、工作處所、機(jī)艙集控室、上層建筑頂部、上層建筑兩翼、機(jī)艙棚頂部、艉部中心點(diǎn)和舷側(cè)、集控室，以及主機(jī)機(jī)架等位置。在實(shí)船設(shè)計(jì)中，必須校核以上所有位置。限于篇幅，重點(diǎn)以上層建筑右翼橋（1號點(diǎn)）、主機(jī)機(jī)架頂部前端（2號點(diǎn)）及煙囪頂部（3號點(diǎn)）說明計(jì)算受迫振動水平。上層建筑右翼^在ISO6954—2000（E）標(biāo)準(zhǔn)中并無明確定義，故保守采用工作處所的C類區(qū)域要求作為1號點(diǎn)的振動參考衡準(zhǔn)。圖3給出了壓載出港和設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的上層建筑右翼橋（點(diǎn)1）ISO6954—2000的頻譜加權(quán)值隨轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算結(jié)果。由圖3可見，上層建筑右翼橋能夠滿足ISO6954—2000的工作處所的適居性要求，其在壓載出港狀態(tài)的振動水平比設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)的高，但在各個(gè)軸系轉(zhuǎn)速下仍能夠滿足8mm/s的上限要求。主機(jī)機(jī)架的振動水平需要控制在一定的范圍內(nèi)，以確保主機(jī)本身長期運(yùn)作下的結(jié)構(gòu)安全。按照公司與主機(jī)廠家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主機(jī)機(jī)架受迫振動的速度響應(yīng)極值需控制在25-50mm/s以下。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，造成主機(jī)本身振動響應(yīng)最大的激振力成分為主機(jī)7階與推力軸承7階。圖4給出了壓載狀態(tài)下的主機(jī)機(jī)架頂部前端（2號點(diǎn)）在主機(jī)7階和推力軸承7階作用下的受迫振動頻響隨轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖4可見，主機(jī)機(jī)架的振動響應(yīng)速度水平（9.05mm/s，船長方向）能夠滿足主機(jī)廠商的要求。本船為典型的雙島式大型集裝箱船設(shè)計(jì)，煙囪結(jié)構(gòu)較高、剛度弱且靠近艉部和機(jī)艙激振源。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本船的最大結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)即發(fā)生在煙囪頂部（3號點(diǎn)）。煙囪最大振動響應(yīng)由壓載狀態(tài)下的推力軸承4階（14.22mm/s，船長方向）及設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的主機(jī)7階（10.82mm/s，船寬方向）激振力引起，見圖5。參考美國船級社船舶結(jié)構(gòu)振動計(jì)算指南［7］，煙囪不屬于工作處所且無人員長期滯留，最大振動響應(yīng)峰值控制在30mm/s內(nèi)可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。本船煙囪頂部可以滿足以上要求。在實(shí)船設(shè)計(jì)中，由于需要兼顧主機(jī)維修平臺的設(shè)置，因此10缸主機(jī)的拉撐通常統(tǒng)一布置在單側(cè)。針對主機(jī)拉撐的布置優(yōu)化和工作模式變化對船體結(jié)構(gòu)振動影響水平的影響，對4種主機(jī)拉撐的布置和工作模式工況進(jìn)行計(jì)算分析，見表4。第5節(jié)的計(jì)算結(jié)果即為表4中的拉撐布置狀態(tài)1。其余3種拉撐布置狀態(tài)也按相同方法開展計(jì)算。主機(jī)拉撐的布置與工作模式會改變主機(jī)與雙層底之間的耦合頻率，也會改變主機(jī)激振力載荷對船體結(jié)構(gòu)的傳遞路徑，繼而影響船體振動響應(yīng)。4種拉撐設(shè)計(jì)狀態(tài)的主機(jī)振動模態(tài)計(jì)算結(jié)果對比見表5。由表5可見：①當(dāng)主機(jī)橫向拉撐為主動式工作模式時(shí)，能夠?qū)χ鳈C(jī)機(jī)架提供橫向剛度，提升主機(jī)機(jī)架與雙層底H型耦合振動模態(tài)的頻率；②當(dāng)主機(jī)橫向拉撐為被動式工作模式時(shí)，僅對主機(jī)機(jī)架提供阻尼作用，其設(shè)置根數(shù)對主機(jī)機(jī)架與雙層底H型耦合振動模態(tài)的頻率無影響；③主機(jī)橫向拉撐的設(shè)置不會改變主機(jī)L型振動模態(tài)頻率。上層建筑右翼橋（1號點(diǎn)）在4種拉撐布置狀態(tài)下的受迫振動計(jì)算結(jié)果對比見表6。對于上層建筑右翼橋（1號點(diǎn)），其壓載狀態(tài)下的頻響最大峰值均由推力軸承3階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船長方向，主機(jī)處于59r/min;裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的頻響最大峰值均由主機(jī)7階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船長方向，主機(jī)處于56r/min。對于主機(jī)機(jī)架頂部前端（2號點(diǎn)），其在壓載狀態(tài)下的頻響最大峰值均由推力軸承7階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船長方向；在裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的頻響最大峰值均由主機(jī)7階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船寬方向。2號點(diǎn)在4種拉撐布置設(shè)計(jì)狀態(tài)下的頻響計(jì)算結(jié)果對比見圖6。對于煙囪頂部（3號點(diǎn)），其在壓載狀態(tài)下的頻響最大峰值均由推力軸承4階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船長方向；在裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的頻響最大峰值均由主機(jī)7階激振導(dǎo)致，發(fā)生在船寬方向。3號點(diǎn)在4種拉撐布置設(shè)計(jì)狀態(tài)下的頻響結(jié)果對比見圖7。從表6、圖6和圖7可以看到：1）橫向拉撐的設(shè)置可以改變由主機(jī)H型和X型彎矩激振導(dǎo)致的振動水平，當(dāng)主機(jī)橫向拉撐處于被動式工作模式時(shí)，可以明顯減小壓載狀態(tài)下1號點(diǎn)的振動水平。2）主機(jī)拉撐的工作模式并不會改變遠(yuǎn)離主機(jī)的上層建筑右翼橋（1號點(diǎn)）的頻響最大峰值發(fā)生的頻率以及對應(yīng)激振源。3）裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的主要頻響由推力軸承3階激振力引起，橫向拉撐并不能改變主機(jī)縱向振動模態(tài)以及垂向彎矩載荷傳遞路徑，主機(jī)垂向彎矩和推力軸承縱向載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如點(diǎn)1在裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)的加權(quán)值和峰值，點(diǎn)2和點(diǎn)3在壓載狀態(tài)下的船長方向振動頻響），都較為接近。4）主機(jī)拉撐的設(shè)置和工作模式可以很大地改變主機(jī)機(jī)架本身的振動響應(yīng)水平，從圖6b）中發(fā)現(xiàn)，主機(jī)轉(zhuǎn)速73r/min是一個(gè)臨界點(diǎn)。在裝載設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下，當(dāng)小于此臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，主機(jī)拉撐處于被動式時(shí)主機(jī)機(jī)架的振動響應(yīng)較小，反之則主動式更為有利。針對不同裝載狀態(tài)，通過主機(jī)拉撐工作模式在不同轉(zhuǎn)速下的合理切換，可以最大程度地減小主機(jī)機(jī)架本身和船體結(jié)構(gòu)的振動水平。1）主機(jī)橫向拉撐的設(shè)置和工作模式可以很大地改變主機(jī)機(jī)架本身的振動響應(yīng)水平，并且影響船體結(jié)構(gòu)的振動水平。在不同裝載狀態(tài)下，通過主機(jī)拉撐的布置設(shè)計(jì)以及工作模式的合理切換，可以有效減小主機(jī)機(jī)架本身和船體結(jié)構(gòu)的振動水平，這或許是一種可行的控制結(jié)構(gòu)振動水平工程實(shí)踐思路。本船在主機(jī)拉撐布置實(shí)際設(shè)計(jì)中，經(jīng)主機(jī)廠家的推薦采用了右側(cè)6根拉撐的方案。相關(guān)實(shí)船目前處于建造階段，后續(xù)在試航過程中的拉撐根數(shù)選擇、相關(guān)工作模式設(shè)置切換以及結(jié)構(gòu)振動水平的測試情況，應(yīng)做進(jìn)一步跟蹤，以驗(yàn)證文中振動計(jì)算的準(zhǔn)確性。隨著未來ISO/DIS20283-5可能的生效實(shí)施，船舶結(jié)構(gòu)振動水平的控制顯得越來越重要且難度加大，關(guān)系到船舶產(chǎn)品的順利交付。在船舶建造試航階段，通過主機(jī)拉撐使用方法的優(yōu)化以減少船舶振動水平，具有良好的工程實(shí)踐性、經(jīng)濟(jì)性和可行性。面對日益提高的振動水平設(shè)計(jì)要求，為增強(qiáng)我國船舶產(chǎn)品的抗振設(shè)計(jì)水平以及技術(shù)競爭力，建議國內(nèi)主機(jī)制造廠商與