VLCC翼橋振動分析及相關技術研究

潘溜溜，張 偉，徐智言，鄭君鎬

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

對于常規船體的振動分析與控制，目前主要分為兩個階段：一是建造前的全船振動固有頻率和響應預報以及板格、筋、板架、雷達桅等構件的局部振動固有頻率分析；二是實船振動測量，并對超標的地方進行相關的再計算、再測量。每條船都是此兩階段的全部或局部組合，因船而異[1]。如，新船型的主機參數（缸數、NCR轉速、主機功率等）、螺旋槳參數（葉數、螺旋槳直徑等）和艉部型線等的修改，一般均需按兩個階段的全部流程進行，工作量較大；而對局部構件共振，則可按第二階段流程進行。當然在實際操作過程中，為了找出原因（如共振頻率等）和解決問題（如降低響應等），分析流程可按不同分析任務而靈活調整。

前一階段主要采用：全船FEM固有頻率分析、全船FEM頻率響應分析[2]和局部構件FEM固有頻率分析和局部構件（規則布置）經驗公式固有頻率分析等；后一階段主要采用：撞擊或臨時激振力激起結構自由振動從而測出其固有頻率，以及試航時測出振動頻率和響應幅值。

本文以VLCC翼橋振動的實際為例，闡述了解決船體振動的整個思路以及所采用的相關技術。

1 全船振動模態分析及頻率響應預報

建模和計算軟件為MSC.Patran/Nastran。有限元模型如圖1所示。對于貨艙液體質量的加載，采用MPC（多點約束）方法，即MSC.Nastran中RBE3單元；對于舷外附連水質量，采用Nastran流固耦合Mfluid卡片進行加載。對于阻尼的輸入，采用BV（法國船級社）提供的參數：5Hz以下，阻尼為0.01；在8.5Hz時，阻尼為0.02；17Hz以上時，阻尼為0.04。見圖2。

全船振動模態分析及響應預報結果見圖3~7。圖3為便于在有限元軟件后處理時甄別出關鍵振型以及對應的固有頻率；圖4為關鍵振型之一；圖5、6和7為3個典型位置在滿載工況下的振動響應。

圖1 VLCC全船振動分析有限元模型

圖2 阻尼系數/頻率

圖 3 翼橋上某硬點處（左右舷各一點，并對稱）振型幅值/頻率分布

圖4 7.47Hz對應的扭轉振型

圖 5 翼橋右舷上某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

圖 6 駕駛室某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

圖 7 機控室某硬點在主機7階H型水平導向力矩作用下的振動響應

由全船振動模態分析及響應預報結果可以看出，主機在 68.5r/min附近翼橋端部縱向振動幅值較高，而機艙、甲板室各考查點振動幅值都在ISO 6954-1984（客船與商船機械振動標準）[3]要求范圍以內。雖然翼橋端部不在ISO 6954考核區域內，但是船東對主機在60r/min以上時翼橋端部振動幅值大小有一定的要求，因此必須采取措施降低主機在60r/min以上時翼橋端部縱向振動幅值。

2 翼橋減振方案

由全船振動模態分析及響應預報結果可以看出，主機在68.5r/min附近時翼橋端部縱向振動幅值較高，主要是由于甲板室（含翼橋）主要扭轉振型對應的固有頻率與主機7階H型水平導向力矩激振頻率發生共振造成的。而船東關注的是60~76r/min轉速范圍內的振動水平，因此需要把翼橋固有頻率提高到9Hz以上或者降低到7Hz以下。

有限元分析表明：若把翼橋固有頻率提高到9Hz以上，則翼橋結構布置需大幅修改，權衡利弊后，決定采用翼橋端部附加質量來降低甲板室（含翼橋）的扭轉振型固有頻率。同時在60r/min轉速以下，主機激振力相對 68.5r/min轉速時低，雖然降低甲板室扭轉振型固有頻率有可能造成與主機在低轉速時形成共振，但低轉速下主機激振力也會相應減小，因此共振下的響應幅值會有所下降。

3 附加質量

為了確定翼橋端部附加質量的大小，分別通過增加1t、3t、5t、7t質量進行了全船模態分析，結果顯示：增加5t以上即可把甲板室（含翼橋）最大扭轉振型對應的固有頻率降低到7Hz以下，即共振轉速降低到60r/min以下。圖8為增加5t質量后，甲板室（含翼橋）扭轉振型。

為了驗證FEM分析的準確性，對翼橋進行了撞擊試驗來測量其固有頻率。結果顯示：圖9實測結果為7.06Hz，圖8 FEM結果為6.90Hz，因此驗證了FEM分析結果可靠，同時確定了在翼橋上增加5t質量后，其固有頻率可降低到7.06Hz（共振轉速為60.5r/min）。圖9和圖10為增加5t質量后實測的時域響應和頻率響應。

圖8 6.90Hz對應的扭轉振型

圖9 翼橋撞擊后振動時域響應

圖10 翼橋撞擊后振動頻域響應

根據全船模態分析以及翼橋撞擊試驗的結果，綜合考慮決定在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內）各增加7t質量，并通過有限元分析確定翼橋及其甲板室支撐結構來滿足強度要求。

4 試航振動實測

在試航過程中，按照ISO 6954-2000[4]的要求測量機艙以及甲板室內典型位置的振動響應，結果全部滿足ISO 6954-2000的要求。

另外，對于船東特別關注的翼橋位置，分別在壓載和滿載，不附加質量和附加質量4種工況下測量翼橋端部振動響應。結果顯示：在壓載和滿載工況下，在翼橋左右舷（翼橋斜撐頂部箱體內）各增加7t質量后，共振轉速由66r/min降低到57r/min，各轉速（包含共振轉速）下翼橋端部振動響應，尤其是縱向振動響應大幅下降。圖11和圖12為壓載工況下翼橋端部縱向振動響應/轉速。圖12中由于57r/min附近測量轉速為2r/min/每檔，檔位太大，峰值沒有完全測出，加上此轉速激振力下降，因此57r/min處峰值不明顯。

圖11 壓載工況下翼橋端部振動響應/轉速（翼橋上增加7t質量前）

圖12 壓載工況下翼橋端部振動響應/轉速（翼橋上增加7t質量后）

5 結 語

通過全船振動模態分析和頻域響應分析，發現翼橋外端處縱向振動響應較大；在綜合考慮其激振力頻率及大小、船體振動預報結果以及船舶建造所處階段等諸多因素后，提出翼橋端部附加質量從而避開共振區域、降低翼橋振動響應的方案，并再次進行模態分析等理論計算來驗證此方案的可行性，同時利用FEM對翼橋及其支撐結構進行了強度校核。為了驗證理論計算的準確性，通過實船撞擊試驗來測量翼橋固有頻率，并對比、修正理論計算結果，從而確定附加質量方案；試航實測證明此減振方案效果顯著，船東較滿意。

[1] 中國船級社. 船上振動控制指南2000[S]. 2000.

[2] 胡永利，林 一，譚 美. 半潛式平臺遭遇碰撞的結構響應分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 46-53.

[3] ISO 6954 (1984). Mechanical vibration and shock - Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships[S].

[4] ISO 6954 (2000). Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships[S].