帶尾滑道船型艉部結構振動固有特性分析

韓正君，梁程誠，梅永娟

（1. 中國艦船研究設計中心，上海 201108 2. 浙江工業大學建筑工程學院，杭州 310014）

0 引 言

船舶尾部振動是船舶結構局部振動的主要形式之一，是船舶結構工程研究的熱點[1-4]。帶尾滑道船型對艉部振動的要求較高，加之采用了調距螺旋槳，轉速變化范圍較大，容易產生共振，因此有必要在初步設計階段進行船舶的動力學特性預報[5]。

建立了某型帶尾滑道船尾部結構的三維有限元模型，進行了艉部結構振動模態分析。在分析過程中，通過對比整體結構模型和局部結構模型的計算結果，發現在精度要求不高的情況下，可通過建立局部結構模型的方法來進行計算確定其所需的固有頻率，這樣能夠大幅度提高分析的效率。

1 有限元模型

1.1 船型及航區

分析的目標船型為某型帶尾滑道船型，船體艉部主要構件均采用普通船用結構鋼，橫骨架式結構。本船航區為中國沿海，柴油機驅動，雙機雙槳，巡航速度為16kn，4葉調距螺旋槳，轉速為226～269r/min。

1.2 模型范圍

按照目標船船尾結構設計方案，取全寬、全高范圍內的船尾結構。模型按照設計方案的要求加入諸如板縫、肘板、開孔等構造細節。有限元模型全貌見圖1。

1.3 坐標系

模型采用右手直角坐標系：x軸沿船長方向，向船首為正；z軸沿高度方向，向上為正；y軸沿船寬方向，向左舷為正。

1.4 單元及網格

計算模型中采用了以下3類單元：

1) 板殼（shell）單元模擬船體結構中各種板殼結構，以及貨艙區內高度超過300mm的扶強材腹板。板殼單元邊長基于縱骨間距和肋骨間距的 1/2，以四邊形單元為主(絕大多數為矩形)，邊長比不超過1:2。在連接、過渡及曲率變化較大的地方采用少量三角形單元；

2) 梁（beam）單元模擬各種縱骨、加強筋、高腹板扶強材的面板，以及艉部結構中各層甲板的懸伸部分[6]。梁單元均依板殼單元的邊建立，其長度與之相適應，其單元屬性按照實際情況考慮截面、偏心的影響；

3) 點（point）單元模擬舷外附連水、貨物、各種設備、舾裝、油水等質量。點單元分別分布在外殼濕表面、艉滑道、壓載艙、舵、螺旋槳、系纜樁等部位。

圖1 有限元模型全貌

2 質量分布

2.1 結構質量

船體結構（鋼料）的質量根據材料密度由程序自動計算，按照耦合（couple）質量方法處理。其中將焊縫、“舾裝”中的油漆重量等，按+5%計入，修改鋼材的質量密度為ρ=8.25×10-9t/mm3。

2.2 設備和油水質量

該船尾部的設備、舾裝、裝置按相關圖紙所示。按照其質心所在位置加質量點單元，該單元采用MPC（多點約束）與相應的船體結構相連。壓載水的質量通過質量單元均布在壓載艙的節點上。

2.3 附連水質量

附連水質量對于船體梁的振動特性有明顯的影響，計入附連水質量的模態分析得到的是船體結構的“濕模態”。根據CCS（中國船級社）《船上振動控制指南》[7]第11章規定的方法計算附連水質量。

3 邊界條件

在機艙艙壁所在肋位施加約束XYZ方向的位移和轉角（見圖2）。上甲板和下甲板局部板架的有限元計算，模型包含了一部分與甲板相連的舷側結構，在舷側結構的邊緣點設置XYZ方向的位移約束（見圖3、4）。

圖2 整體模型的邊界條件

圖3 上甲板局部模型

圖4 下甲板局部模型

4 局部板架振動

4.1 整體模型

采用整體模型，施加板架振動的附連水質量，計算得到艉部板架結構滿載、壓載狀態，前2階濕模態（考慮附連水質量）的固有頻率結果（見表1）；第一階、第二階板架振動的振型云圖（見圖5～8）。

圖5 上甲板垂向第一階（滿載）

圖6 上甲板垂向第二階（滿載）

圖7 下甲板垂向第一階（滿載）

圖8 下甲板垂向第二階（滿載）

4.2 局部模型

采用局部模型，施加板架振動的附連水質量，計算得到艉部板架結構滿載、壓載狀態，前2階濕模態(考慮附連水質量)的固有頻率結果（見表1）；第一階、第二階板架振動的振型云圖（見圖9～11），I平臺與底部結構的第一階振型云圖（見圖12）。

圖10 局部模型的上甲板垂向第二階振型（滿載）

圖11 局部模型的下甲板垂向第一、二階振型（滿載）

圖12 I平臺與底部結構垂向第一階（滿載）

表1 滿載（垂向）的板架結構固有頻率

5 結果分析

該船為4葉調距螺旋槳轉速為226～269r/min，則最低葉頻為15.071/s，最高葉頻為17.931/s。根據CCS《船上振動控制指南》，對于上層建筑（含艉部），要求其首階固有頻率與主要的激勵頻率一般應錯開±10%～±15%。因此，該船結構固有頻率有兩種工況：① <12.811/s；②>20.621/s。

按照計算結果，下甲板和I平臺與底部結構的第一階、第二階頻率都>20.621/s。因此，艉部整體和水下局部結構都不會與螺旋槳出現共振。但上甲板的頻率<20.621/s，雖然不會發生共振，但在螺旋槳高速運轉時其振動將較大，可考慮適當加強。

從整體結構模型和局部結構模型中的上、下甲板的固有頻率計算結果中可以看出，由整體結構模型得出的上、下甲板第一階、第二階頻率與由局部模型得出的結果相差不大，誤差范圍在2.2%～11.3%，并隨著固有頻率的增大而減小。這些誤差是由于局部結構模型所施加的約束與整體結構之間的偏差所致。

6 結 語

計算結果表明，帶尾滑道船不會發生艉部共振。在某帶尾滑道船尾部結構振動的有限元分析中，通過對整體與局部結構模型的對比，提出只建立局部結構模型，加以適當約束計算得出所需的固有頻率，以此來替代整體建模計算的方法。該方法適用于精度要求不高的情況，其誤差隨著所需固有頻率的增大而減小。

[1] 梅永娟，曹志崗，楊德慶，等. 改裝艦艇艉部振動數值預報方法[J]. 振動與噪聲控制，2013（2）：173-175.

[2] 郭日修，索志強. 我國船舶振動研究的回顧與展望（上）[J]. 振動與沖擊，1989（1）：61-65.

[3] 郭日修，索志強. 我國船舶振動研究的回顧與展望（下）[J]. 振動與沖擊，1989（2）：66-73.

[4] 翁長儉. 我國船舶振動沖擊與噪音研究近年進展[J]. 中國造船，2001，42（3）：68-84.

[5] 石 勇，朱 錫. 整船結構振動分析中的幾個問題[J]. 船海工程，2002，4（6）：12-15.

[6] 高志龍，邵有信，劉曉明. 船舶整體結構3D-FEM振動分析[J]. 振動與沖擊，1996，15（4）：73-78.

[7] 中國船級社. 船上振動控制指南（GD026-2000）[S]. 北京：中國船級社，2000.