30000t散货船上层建筑有害振动的分析及评估

渤海

SHANGHAI SHIPBUILDING 上海造船2010年第4期（总第84期）

30000t散货船上层建筑有害振动的分析及评估

李卫华，许 晶

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

摘要：针对30000t散货船在试航时发生的上层建筑振动问题，通过一系列有限元计算和分析，结合实船考察以及对振动测试结果的分析，找出了以螺旋桨为主要的激振源，最终通过结构加强的措施使振动问题得以解决，并顺利交船。同时，对螺旋桨脉动压力较大的原因进行分析。并对今后船舶设计过程中如何避免由螺旋桨激振力引起的振动提出了解决方法和措施。

关键词：上层建筑振动；有限元；倍叶频；螺旋桨脉动压力 中图分类号：U661.44

文献标识码：A

文章编号：1005-9962(2010) 04-0011-06

Abstract: Harmful superstructure vibration was found during the trial of a 30000dwt bulk carrier and it is recognized that the propeller-induced pressure is the primary exciting source by a series of finite element calculations and analyses of real ship investigation and vibration testing. The harmful vibration was reduced remarkably by reinforcement of deck structure and finally the ship was delivered to the owner successfully. Furthermore, the reason of causing great propeller-induced fluctuating pressure is analyzed and some conclusions and suggestions are proposed for avoiding propeller-induced vibration in ship design.

Key words: superstructure vibration; finite element; double blade frequency; propeller fluctuating pressure

0 引 言

有害振动对船舶的危害极大,严重时将会影响航行安全和降低船员的工作效率以及旅客居住的舒适性。由于上层建筑是船员工作和休息的地方，同时也是精密仪器安装较多的场所，因此该区域应尽量避免发生有害振动。

近年国内外建造的船舶，多采用艉机型船和艉部作为居住区，使得上层建筑更加接近两个主要振源：螺旋桨和主机；同时，为了改善驾驶视线的需要以及减少船员人数，往往将上层建筑设计得更高、更短；此外，为了减小噪声，采用上层建筑和机舱棚、烟囱结构分离型式，进一步降低了上层建筑本身的整体刚度；再加上螺旋桨设计不当都将使上层建筑的振动更加敏感。当激振力过大时，上层建筑区域将很有可能产生有害振动。

30000t散货船为单机单桨艉机型船，图1为艉部示意图，主要参数如表1所示。该船型的首制船

第一作者简介：李卫华，男，工程师。1977年生，2002年

研究生毕业于武汉理工大学结构工程专业，现从事船舶结构设计和有限元计算工作。

收稿日期：2010-06-22

在首航过程中，上层建筑发生较为明显的振动，影响了船员的生活以及仪器设备的正常使用。

罗经甲板 桥楼甲板 甲板D 甲板C 甲板B 甲板A 主甲板

0 10 20 30

图1 30000t散货船尾部

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表1 主要参数

载重量 30000t 总长

190.0m 主尺度

型深 14.6m 型宽 23.6m 设计吃水 10.1m RT-flex50-B 型号

(WARTSILA) 主机

最大转速/功率 2冲程，6缸 额定转速 (CSR)

118r/min/7800kW

112r/min

螺旋桨 叶数 4叶 直径 5.8m 上层 层数 6层 建筑

总高度

16.75m

1 有限元计算和分析

由表1可知，在额定转速下，螺旋桨叶频和倍叶频激励的频率分别为7.46Hz和14.93Hz。根据主机的发火顺序1-5-3-4-2-6-1，1阶不平衡力和力矩以及2阶不平衡力均为零，仅存在2阶不平衡力矩849kN·m。故主机的2阶不平衡力矩激励频率为3.73Hz。主机的缸频激励频率为11.2Hz。

为了判断上层建筑结构是否有足够的频率储备来避免共振，通过对艉部船体结构计算，得出上层建筑的整体振动和局部振动的固有频率。上层建筑整体振动中影响较大的主要是沿船长方向的纵向振动。局部振动则包括上层建筑内各层甲板和围壁上的板、板架（大梁）和板格（小梁）的振动。船体结构的振动计算一般可采用经验公式和有限元2种方法。经验公式简单易用；有限元计算方法较为复杂，但能得到较为准确的计算结果。因此采用挪威船级社（DNV）的 SESAM 软件用有限元计算方法来计算上层建筑的整体纵向振动固有频率以及各层甲板的板架和板格的局部振动固有频率。有限元计算方法的频率储备取10%。对于局部振动中的板的振动固有频率，则采用挪威船级社（DNV）的经验公式进行计算。经验公式计算方法的频率储备取20%。

1.1 上层建筑整体纵向振动计算和分析

为能较真实地反映上层建筑纵向振动特性以及主船体对上层建筑弹性支撑的影响，建立了艉

部采用三维板梁模型，前部采用二维船体梁模型，两者通过刚性约束相连的一种混合有限元模型。该模型在计算上层建筑整体纵向振动固有频率的同时，还能估算出船体梁的总振动固有频率。整个有限元模型共有单元3611个，节点5744个，如图2所示。

图2 上层建筑总振动的有限元计算粗网格模型

艉部三维模型包括整个上层建筑以及主船体的机舱和艉部结构，并向首延伸一个货舱段。三维模型采用板梁组合单元。为了简化有限元模型，避免出现过多的局部振型，艉部三维有限元模型的单元网格较粗，基本按照主要构件的间距进行划分。主要构件如强横梁、纵桁等模拟为带偏心的梁单元。对于强构件之间的板和次要构件，采用一种复合板单元来模拟。这种复合板单元的第1层为甲板板, 第2层为单向的次要构件腹板, 第3层为次要构件面板。采用该复合单元能有效地计入次要构件的质量和刚度，不影响结构振动计算的精度，同时又能减少工作量。

振动模型的质量和刚度必须与实际情况保持一致。船体结构的质量可通过设定密度并由程序自动计入。船体结构上的设备和敷料等的质量作为集中质量均布在相应的节点上。由于主要是计算上层建筑的固有振动频率，因此在建模过程中对上层建筑结构应全面考虑，而船体艉部结构只起支撑作用，建模时可只考虑主要的支撑舱壁，一些局部的舱壁结构可以忽略，保证主船体的质量和刚度与实际相符。

舷外水的惯性影响采用刘易斯方法计算，在得到各剖面处单位长度的附加水质量后，可计算出每一站的总的附加水质量，然后将这些质量分布到该站内船体外板上。

由于只考虑上层建筑的纵向振动和船体梁的垂向振动，计算时所有节点的横向位移和转角自由度均被约束。有限元计算结果见表2，船体梁垂向振动的前4阶振型以及上层建筑整体纵向振动的首阶振型分别如图3、4所示。

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计算结果表明，上层建筑的整体纵向振动首阶频率在压载和满载工况下分别超出螺旋桨叶频激励频率的55%和33%，从而可以判断该船上层建筑

1阶振型

不会发生整体的纵向振动。

通常情况下，引起船体梁垂向振动的主要激励为螺旋桨叶频和主机的2阶不平衡力和力矩。主机的缸频主要引起船体梁的横向振动和扭转振动，可不予考虑。计算结果表明，在满载和压载工况下，

2阶振型

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