薄膜型LNG船圍護系統抗振動性能試驗研究

摘 要：破冰型LNG運輸船航行時，將不可避免地與水面的漂浮冰層或者大面積的完整冰層碰撞，碰撞產生的冰載荷將成為影響LNG運輸船航行安全的一個重要因素。針對薄膜型LNG船圍護系統展開試驗，并對試驗結果進行分析。在此基礎上，進一步計算薄膜型LNG船圍護系統的振動響應，結果表明：沿著圍護系統短邊上表面傳遞阻抗級比下底板最多高2.2 dB，沿著圍護系統長邊傳遞阻抗級最多高6.0 dB；分析圍護系統振級落差，發現外圍箱體平均振級落差在7.5 dB左右。考慮到中心箱體底板處有加強肋板的緣故，其測點的振級落差比外圍箱體高1～2 dB，說明薄膜型圍護系統具有良好的隔振性能。

關鍵詞：LNG船；圍護系統；抗振性能；振級落差；試驗分析

中圖分類號：U661.44" 文獻標志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0068-05

Experimental Study on Vibration Resistance of Thin-film LNG Ship Enclosure System

Abstract：In ice-breaking LNG carrier sailing， the inevitable collision with floating ice on the water surface or a large area of intact ice will generate ice load， an important factor affecting the safety of LNG carrier， as to which， tests are conducted on the vibration response of the enclosure system of thin-film LNG ship and their results are further calculated. The results show that the impedance level of transmission along the short side of the enclosure system is at most 2.2 dB higher than that of the lower bottom plate， and the impedance level of transmission along the long side of the enclosure system is at most 6.0 dB higher. With the analysis on the vibration level drop of the enclosure system， the average vibration level drop is found to be around 7.5 dB. Considering the availability of reinforced ribs at the bottom of the central box， the vibration level drop of the measurement point is 1～2 dB higher than that of the peripheral box， which demonstrates that the film type enclosure system has good vibration isolation performance.

Keywords：LNG ship；enclosure system；vibration resistance；vibration level difference；experimental analysis

0 引言

伴隨著北極航道的開通，不僅減少了時間與成本，更是降低了航行的風險。因此船舶在航行過程中發生碰撞的可能性更低，但是北極航道存在大量的浮冰，因此破冰型LNG船就發揮了重要的作用。在破冰過程中LNG船的圍護系統的抗沖擊性能非常重要，保障了貨物運輸過程中的安全。

近年來，有關LNG船圍護系統的抗振動沖擊特性引起了眾多的研究。BUNNIK等［1］和LEE等［2］使用實驗和數值模擬方法研究了碰撞沖擊載荷。RYU等［3］研究了兩排LNG貨物晃動沖擊載荷的設計、沖擊載荷的設計、沖擊模型測試。同時，KIM［4］研究了LNG貨艙的快速響應計算，使用小波變換，研究了LNG貨物安全殼系統對沖擊載荷的快速響應計算。KIM等［5］對GTT MARK III型貨物密封系統進行了各種實驗和數值研究。ARSWENDY等［6］進行了實驗和數值研究，以確定作為薄膜型LNG船圍護系統一部分的T形膠合板試樣的屈曲和壓碎強度。LNG船圍護系統的主要設計荷載情況應來自動態沖擊，如晃動等。因此，對系統動態屈曲強度的研究非常關鍵。FAN等［7］使用鋼焊接結構的非線性有限元方法對加筋板進行了動態和靜態屈曲分析。同時，RAVI等［8］進行了實驗和數值研究，以發現多個孔對鋁材料動態屈曲能力的影響。THANG等［9］通過分析和數值方法研究了S形功能梯度材料環形殼體節段的非線性屈曲。此外，RAMEZANNEJAD等［10］和KUBIAK［11］使用分析方法研究了邊界條件對動態屈曲行為的影響。BISAGNI［12］通過數值方法研究了圓柱形結構薄壁碳纖維材料的動態屈曲。雷曉燕等［13］通過試驗，對嵌入式軌道實尺模型進行錘擊試驗，探究該軌道形式中鋼軌的振動特性。熊聰等［14］基于兩自由度系統的振動傳遞規律，分析得到軌道車輛車體和構架的幅頻特性及基礎與車體和構架的振動傳遞率，分析了一系、二系的阻尼比及剛度等懸掛參數對車體和構架的振動影響規律。

目前關于薄膜型LNG船圍護系統整體振動特性的實驗較少，而且破冰型LNG運輸船航行時，將不可避免地與水面的漂浮冰層或者大面積的完整冰層碰撞，碰撞產生的冰載荷將成為影響LNG運輸船航行安全的一個重要因素。因此，研究破冰型LNG運輸船抗振圍護系統的振動傳遞特性具有重要意義。

1 圍護系統振動試驗

1.1 振動試驗原理

機械阻抗定義為簡諧激振力與簡諧運動響應的復數式之比。根據所選取的運動量，機械阻抗可分為位移阻抗、速度阻抗和加速度阻抗3種。本次試驗選用的運動響應為加速度，在單點激勵下，激勵力向量與加速度響應向量的比值即為模擬樣機的加速度阻抗。加速度阻抗分為原點阻抗（加速度響應點與激勵點在同一位置）和傳遞阻抗（加速度響應點與激勵點位置不同）兩類。

加速度阻抗定義為

式中：k為激勵力作用點的位置；l為響應測試點的位置；j為激勵力作用的方向 （x，y，z ）；i為響應測試的方向 （x，y，z）。

模擬樣機的原點阻抗為

圍護系統結構的原點阻抗為圍護系統激勵點的力和加速度之比：

圍護系統的傳遞阻抗為圍護系統激勵點的力與響應端的加速度之比：

振級落差La是由輸入端和響應端的振動加速度ain和aout計算得到的。

1.2 薄膜型LNG船圍護系統的結構特點

薄膜型圍護系統是LNG船圍護系統結構的一種主要類型［15］，其結構如圖1所示。整個薄膜型LNG船圍護系統是一個八邊形的液貨艙。每個液貨艙由10個面構成。每個面由主次兩層屏蔽層構成，每個屏蔽層都由殷瓦薄膜及剛性絕緣的絕緣箱組成。液貨艙兩個面交界處由殷瓦管或復合梁連接，3個面的交界處由三面體連接。沿艙室內邊界向艙室內方向排列的結構依次為次絕緣箱、次絕緣屏、主絕緣箱、主絕緣屏。主絕緣箱和次絕緣箱由木質層合板通過訂裝方式組合為箱型，箱內安裝相同材料的橫、縱向隔板起到承載和傳遞力的作用，隔板與隔板之間用玻璃棉填充起到保溫效果。緊固螺栓安裝在絕緣箱四角起到固定位置作用，樹脂繩鋪設在次絕緣箱與船體內板之間維持主絕緣層面板平整。

1.3 振動試驗流程

試驗系統主要由力錘（附帶力傳感器）、加速度傳感器和數據采集分析系統組成。通過采集的力和加速度響應得到圍護系統結構的機械阻抗，測試系統示意圖如圖2所示。

激勵系統采用INV9314型力錘（包含力傳感器），試驗需要力錘提供覆蓋0～3 000Hz頻率范圍的激振力，同時要保證激勵和響應都有足夠的信噪比。如圖3—圖4所示，加速度傳感器為Bamp;K 4506B型號三向傳感器。數據采集分析系統為32通道的LMS信號采集系統，采樣頻率范圍為0～3 000Hz，間隔為1Hz。

試驗條件采用自由邊界，由行車自由懸掛模型實現。阻抗及振級落差試驗的步驟如下：1）安裝傳感器，將加速度傳感器依次安裝在各測點處；2）檢查激勵和響應信號的信噪比，通常在兩端自由的工況下測試頻段內的信噪比，應大于5dB；3）進行激勵，使用力錘對激勵點施加激勵；4）數據采集，振動采集分析系統連接計算機，進行力與振動加速度信號的采集；5）數據處理，提取激勵的時域加速度信號和力信號分析結構的抗沖擊特性，根據頻域加速度信號和力信號計算結構測點傳遞阻抗，分析結構振動特性。

測點和激勵點布置如圖5所示，共布置了32個測點，分布在圍護系統典型結構9個箱體的節點處。激勵點設置在圍護系統典型結構中心位置。測試前用酒精擦拭測試部位，這個步驟是用來去除圍護系統表面的臟污，確保試驗結果的準確性。在激勵點使用力錘進行激勵，激勵方向為圍護系統結構底板的法向（圍護系統模型的z方向）。

2 振動試驗結果分析

2.1 圍護系統阻抗結果分析

考慮到對稱效應，只選取薄膜型LNG船圍護系統單側的測點結果進行展示。分別選取圍護系統的單側長邊和短邊作為研究對象，選取測點1和1′、測點4和4′。將阻抗數據取傳遞阻抗級，為了使數據顯得更加直觀以及船舶振動頻率分析主要在200Hz以下的低頻，取阻抗級數據在10～200Hz的1/3倍頻程，圍護系統短邊傳遞阻抗級結果如圖6所示。從圖中可以看出在10～16Hz，各點傳遞阻抗級隨頻率增大呈現整體增大的趨勢，在上表面點1′處，達到最大值50dB，相比較下底板點1處的43dB高了7dB， 在上表面點4′處，達到最大值48dB，相比較下底板點4處的36dB高了12dB。可以發現圍護系統在16Hz處的隔振性能最好。4個點在10Hz處的傳遞阻抗級最小，說明圍護系統在10Hz處的隔振性能最差。1′點平均傳遞阻抗級為37.8dB，1點平均傳遞阻抗級為38.2dB，提高了0.4dB。4′點平均傳遞阻抗級為40dB，4點平均傳遞阻抗級為37.8dB，提高了2.2dB。這證明圍護系統能夠降低振動的傳遞，并且振動沿著圍護系統的短邊，有著明顯的衰減過程。故可以看出，沿著圍護系統的短邊方向，圍護系統對振動的抑制能力強。

圍護系統長邊傳遞阻抗級結果如圖7所示。從圖中可以看出在10～100Hz范圍內，各點傳遞阻抗級幅值隨頻率增大而增大，在12.5Hz、31Hz、64Hz出現峰值，說明在這幾個峰值圍護系統對振動的抑制較明顯；在20Hz、50Hz出現了低谷，說明圍護系統在這兩個頻率對振動的抑制較弱。5′點處的平均傳遞阻抗級為41dB，5點處的平均傳遞阻抗級為36.8dB。在5′點和5點處，上表面相對于下表面提升了4.2dB。13′點處平均傳遞阻抗級為44.6dB。13點處平均傳遞阻抗級36.6dB。在13′點和13點處，上表面相對于下表面提升了8dB。總體來說，圍護系統具有一定的隔振效果，并且長邊的隔振效果明顯要優于短邊。原因在于圍護系統的內部，沿長邊分布的肋板數量明顯要多于沿短邊分布的肋板數量。

2.2 圍護系統振級落差結果分析

圖8所示為LNG船圍護系統外圍測點在10～200Hz測點振級落差隨頻率變化示意圖。圖中在測點13—13′處，振級落差在20Hz時可以高達19.4dB，測點1-1′在50Hz處達到最大峰值15.5dB，測點4-4′在160Hz達到最大峰值10.2dB，測點16-16′在64Hz處達到最大峰值10.8dB，除了測點13-13′，其余4組測點平均振級落差在7.5dB左右。峰值大多集中在頻率100Hz范圍內，說明薄膜型LNG船圍護系統在10～200Hz頻段范圍內的隔振性能總體良好。

圖9所示為LNG船圍護系統中心箱體測點在10～200Hz振級落差隨頻率變化示意圖。各點振級落差響應幅值隨頻率的增大而呈現整體增大的趨勢，在10～100Hz，出現了幾個峰值，如測點11-11′在16Hz處達到最大峰值15.4dB，測點10-10′在31.5Hz處達到最大峰值11.2dB，測點6-6′在64Hz達到11.8dB。這說明圍護系統在10～100Hz具有較好的隔振性能，測點6-6′處平均振級落差值為8.4dB，測點7-7′處平均振級落差值為9.2dB，測點10-10′平均振級落差值為10.1dB，對比外圍箱體，中心箱體測點振級落差明顯高于外圍箱體1～2dB，說明中心箱體隔振性能較優。這主要是因為中心箱體底板下面相比其他外圍箱體底板多一條加強肋板（圖10）的原因。

3 結語

本文通過對薄膜型LNG船圍護系統進行抗振動性能試驗分析，從阻抗和振級落差得出如下結論。

1）薄膜型LNG船圍護系統上表面測點的傳遞阻抗級總體上大于下底板測點的傳遞阻抗級，說明圍護系統具有一定的振動抑制性能。因圍護系統長邊分布肋板較多，圍護系統長邊對振動抑制性能明顯要優于短邊。圍護系統在12.5Hz、31Hz、64Hz出現明顯峰值，說明在這些頻率下，圍護系統具有良好的隔振性能。短邊測點1和1′處傳遞阻抗級提升0.4dB，測點4和4′處提升2.2dB。長邊測點5和5′處提升4.2dB，13和13′處提升8dB。

2）薄膜型LNG船圍護系統的振級落差總體在7～10dB，且中心箱體要比外圍箱體高1～2dB，圍護系統振級落差的峰值主要集中在10～100Hz，說明圍護系統在此頻率范圍內的隔振性能較好。

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