大型豪華游艇結構振動分析與控制

徐芹亮，趙玉紅，李仁鋒，李　磊，王　娜

（1.中集海洋工程研究院，山東　煙臺264670；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東　煙臺264670）

大型豪華游艇結構振動分析與控制

徐芹亮1，趙玉紅2，李仁鋒1，李磊1，王娜1

（1.中集海洋工程研究院，山東煙臺264670；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264670）

通過有限單元法對某大型豪華游艇進行固有頻率及強迫振動預測分析，發現上甲板左舷通往樓梯的走廊振動速度的峰值超標10%。經過頻譜分析、局部結構模態分析，討論振動的有效控制方法，通過修改局部結構以改變其固有模態、避免共振的方法進行局部結構的振動控制，使得該區域的振動情況得到有效控制，滿足相關規范的要求。該研究為其他工程項目的振動控制提供一定的參考。

振動與波；游艇；局部模態；共振

對于船舶初始設計階段，傳統上重點考慮的是其安全性能，包括整體強度分析、疲勞分析、水動力性能分析、穩性分析等相關分析工作，但隨著近些年對工人工作環境舒適性要求的提高，各國船級社（ABS，DNV等）、國際海事組織（INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZA-TION，IMO）等也對船舶的振動噪聲水平提出了較高的要求。

船舶設計建造階段的噪聲與振動預報分析，對于優化船舶結構的振動、聲學性能，為船員或乘客提供一個舒適的環境，具有重要的指導意義。

1　豪華游艇振動建模

1.1游艇概況

該大型豪華游艇是國內目前交付的最大的豪華游艇之一。該游艇將天馬行空般的創意和激情融入到個性化、藝術化的外觀，清晰明了的線條勾勒出神秘的現代感造型，體現頂級歐洲的品質標準。

室內木質裝飾采用獨特的創意和精湛的工藝，符合歐洲頂級的藝術和技術標準。獨立的船員餐廳，休息和活動區域，最大限度地減少對客戶的干擾，保護客戶隱私。配備皮劃艇，摩托艇和潛水裝備等娛樂設施，多維度考慮客戶的娛樂體驗，更像是一艘生活娛樂一體化的“航空母艦”。

圖1所示為90 m大型豪華游艇的模型圖。

圖1　豪華游艇模型

游艇的下船體（主甲板以下部分）為鋼質板，上船體（主甲板以上部分）為鋁合金板材以減輕游艇總重量。該項目規格書對樓梯、走廊的振動要求如下表1所示。

表1　振動標準要求

該游艇項目的主要振動源有2臺柴油發電機、2臺電動馬達推進器。

1.2游艇有限元模型建立

船舶的主要振動源有兩類，一類是設備激勵，包括：柴油機、發電機、推進器以及其他小型旋轉機械設備，這種激勵為可控因素，一般以中高頻為主；另一類是環境激勵，如：波浪、風、地震等，這類激勵屬于不可控因素，一般為低頻激勵。

對于船舶振動控制，傳統的工作流程主要有依據數學公式計算、物理模型校驗和實船海試采集等主要環節，計算量巨大。近年來，隨著計算機硬件和軟件的發展，為船舶振動與噪聲控制提供了新的平臺，目前大多采用有限元數值仿真的方法模擬船舶振動問題。

準確的分析結果需要精確的幾何模型，對較復雜的結構建立有限元模型時，精確的模型不僅大大增加建模工作量，而且還會增加對計算硬件和計算時間的要求。為了減少建模工作量及計算時所需存儲空間，往往要對實際模型進行適當地簡化。

為了減少建模工作量、提高工作效率，在建立有限元模型時對游艇船體的部分曲面結構簡化為二維平板單元，加強結構（如球扁鋼、T型材、L鋼等）以梁單元進行模擬，并忽略一些受載較小或影響甚微的區域，如小的肘板和一些不重要的結構、加強筋等。圖2是游艇的有限元模型。

圖2　豪華游艇有限元模型

板結構的網格劃分以四邊形單元為主，三角形單元為輔，共包含137 065個單元，其中四邊形單元（S4R）67 756個，三角形單元（S3）9 718個，梁單元（B31）59 591個。

1.3材料屬性及質量

在豪華游艇項目的分析過程中，所設置材料屬性如表2所示。

表2　材料屬性

整船結構隨壓載的不同，會產生不同的振動模態。因此，總體振動分析時應該選取合適的壓載工況進行分析［3，4］。

表3　游艇航行工況質量

其中，

1弦外附連水質量采用流固耦合的方法進行模擬，附連水體的尺寸為2LX2B（L：船體型長，B為船體型寬）；

2對于結構重量由于有限元模型的簡化，與實際結構的重量必然有差別，所以首先要通過調整模型的重量，使其與實際結構的重量相等；

3甲板敷料質量通過調整甲板單元密度來模擬；舾裝和設備等按其質心位置采用集中質量單元模擬；

4液艙裝載按其水密邊界采用集中質量單元模擬［4］。

另外，在進行重量調整時，除了要考慮其大小，還要考慮其重心的位置及重量分布狀況。因為即使總重量和重心保持不變，重量分布不同還是對船體固有頻率的影響較大［4，5］，且對于不同諧調振動頻率的影響也不盡相同，因此在實際計算中應對重量分布予以足夠重視。

1.4載荷分析

有限元法分析時考慮的激勵載荷為主機的振動、推進器馬達振動、推進器安裝基座振動以及推進器轉動引起的表面力。圖3為主機振動加速度值曲線。

從圖（3）頻譜特性可知，激勵在31.5 Hz處有一明顯的峰值，根據主機轉速900 r/min可知，主機激振頻率Fme=（主機轉速/60）×N（N=1，2，???），N為汽缸數，那么Fme1=15 Hz，Fme2=30 Hz。即主機的二倍轉速頻率為30 Hz，落在31.5 Hz的頻帶之內。

表4所列為設備廠家提供的推進器及其馬達的振動情況，對于振動分析來說，倍頻程激勵數據不夠細致，難免會漏掉一些關鍵的頻率成分，但受數據來源所限，無法對數據進一步細化處理。

圖3　主機振動加速度

表4　推進器及其馬達激勵

2　游艇整體振動分析

2.1整體模態

全船振動模態分析［6］是用有限元法計算船體整體結構固有頻率，并校核是否避開主要激勵頻率。當激振頻率與結構振動頻率比較接近時，還需要進一步的強迫振動響應分析。圖4、圖5分別給出了整體結構垂向兩節點、三節點的固有頻率及振型。

圖4　垂向兩節點固有頻率（1.8 Hz）

圖5　垂向三節點固有頻率（3.6 Hz）

2.2強迫振動分析

為提高計算速度，設置數據輸出范圍為5 Hz～100 Hz，等間隔輸出50個點。從輸出結果文件得到上甲板左舷走廊上某測點區域的振動速度云圖（34.08 Hz時的振動云圖，圖6）及振動加速度幅值曲線（圖7）。該點的峰值可能存在共振現象，但需要取局部結構，細化模型進一步分析才能確定。

取局部甲板結構進行固有頻率分析，1階振型結果如圖8所示，固有頻率為35.3 Hz，與主機的激振力有耦合共振的風險。

圖6　走廊某測點區域振動速度云圖

圖7　走廊某測點區域加速度幅值曲線

圖8　局部結構固有模態分析

3　游艇結構振動控制及控制結果

按照振動的傳遞路線，控制振動的方法有以下三種途徑：降低振動源的振動、改變振動傳輸路徑或增加阻尼損耗、接受點振動隔離。在船舶的建造階段，激勵源設備（主、輔機，推進器等）已經無法修改設計或更換型號。接受點的隔離可以修改局部結構以改變其固有頻率，降低響應值，對局部結構來說是一種非常有效的措施，但是考慮到結構特點及空間的限制，修改方案也受條件限制。傳遞路徑的控制，尤其是控制激振力的傳遞方向，對于整個船體的振動都有較大的影響，當船體結構出現較大面積振動超標時宜采用該方法。

經分析，項目所涉及的振動問題是局部結構的共振問題，需要對局部結構進行修改。

因此確定方案：對該處甲板結構進行加強，以改變其固有頻率，避開主機的激勵峰值頻率。表5列出了三種修改方案及其固有頻率結果。

經過強迫振動分析驗證，方案3：增加T型材（型號：T 500×8+150×10）的效果較好，如圖9、圖10、圖11所示，結構修改后的振動速度值可以滿足規范要求。

表5　局部結構固有頻率/Hz

圖9　局部結構修改后的固有模態

圖10　結構修改后的振動速度云圖

圖11　結構修改后的加速度幅值曲線

4　結　語

利用有限元技術對豪華游艇結構總體振動進行數值分析，完成該游艇的總體自由振動以及在推進器、主機激振力作用下的整體結構動力響應分析。

計算表明，該游艇的局部結構存在振動超標的風險，經過局部結構模態分析得到該區域的固有模態，證明該區域與主機激勵存在共振的風險。

經修改局部結構后，提升該區域的固有模態頻率值，有效避開共振區間，降低了強迫振動的響應速度值。該方法對在工程領域的前期設計階段進行振動控制具有一定的實用價值。

VibrationAnalysis and Control for Luxury Yachts

XU Qin-liang1，ZHAO Yu-hong2，LI Ren-feng1，LILei1，WANGNa1
（1.CIMC Offshore Engineering Institute，Yantai 264670，Shandong China；2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.Ltd.，Yantai 264670，Shandong China）

Finite element analysis for forced vibration prediction for an 88 m-long luxury yacht performed was done.It was found that the peak vibration velocity of the lobby on the left side of the yacht exceeds 10%of the standard vibration limit.Through further frequency spectrum analysis，local modal analysis，the vibration control method of improving the local structure to avoid the resonance was proposed and realized.This vibration control method provides a reference for similar engineering projects.

vibration and wave；luxury yacht；local structure modal；resonance

U661.44

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.011

1006-1355（2015）05-0056-04

2014－09－24

徐芹亮（1980－），男，山東省泰安市人，碩士，主要研究方向：船舶及海洋工程振動噪聲分析及控制研究。

Email:qinliang.xu@cimc-raffles.com