船體振動(dòng)分析的實(shí)船驗(yàn)證及改進(jìn)方案

柯耀星，劉陽，張曉彤

（1.中國船級(jí)社，北京 100007；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

船體振動(dòng)分析的實(shí)船驗(yàn)證及改進(jìn)方案

柯耀星1，劉陽2，張曉彤2

（1.中國船級(jí)社，北京 100007；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

船體振動(dòng)有限元分析的方式已廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，但在設(shè)計(jì)初期許多計(jì)算因素?zé)o法精確模擬，因此振動(dòng)分析的結(jié)果與實(shí)船的最終狀態(tài)可能存在一定偏差。本文以某型 LNG 船為實(shí)例，簡要介紹船舶建造過程中，通過有限元檢驗(yàn)振動(dòng)分析結(jié)果的方式。以及船舶建造結(jié)束后，簡單、可行的全船及局部振動(dòng)性能改進(jìn)方案。通過比較分析，得到經(jīng)濟(jì)可行的船舶減震方案。

船體振動(dòng)；實(shí)船驗(yàn)證；實(shí)船改進(jìn)

0　概　述

隨著船舶設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為了盡量減小空船重量，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，大幅度減少設(shè)計(jì)冗余。同時(shí)，為了滿足船東及市場(chǎng)需求，新設(shè)計(jì)船舶對(duì)舒適性的要求普遍提高，這些因素都使得船舶振動(dòng)問題變得越來越被人們所關(guān)注。因此，更為精準(zhǔn)的船體振動(dòng)有限元分析方式被廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，盡可能在設(shè)計(jì)階段采取措施，避免實(shí)船建造后出現(xiàn)過大振動(dòng)響應(yīng)的情況。但是在設(shè)計(jì)初期許多用于振動(dòng)分析的計(jì)算因素，如附連水質(zhì)量、阻尼的設(shè)置以及質(zhì)量分布等計(jì)算要素與實(shí)船狀態(tài)不完全一致，振動(dòng)分析結(jié)果與實(shí)船最終狀態(tài)存在一定偏差。很多已交付的船舶實(shí)例表明，對(duì)已建造完成或者結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)確定了的船舶進(jìn)行船體減震優(yōu)化十分困難并且復(fù)雜。因此，要在船舶建造過程中對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)控驗(yàn)證十分必要，盡可能提前得到更加接近實(shí)船狀態(tài)的振動(dòng)結(jié)果，力求在設(shè)計(jì)階段制以及建造階段得到一個(gè)既方便實(shí)施又能滿足設(shè)計(jì)要求的減震優(yōu)化方案。

1　振動(dòng)分析及響應(yīng)預(yù)報(bào)

振動(dòng)分析一般可分為自由振動(dòng)分析和受迫振動(dòng)分析兩部分。其中，自由振動(dòng)分析一般是通過有限元方法對(duì)船體梁、上層建筑以及機(jī)艙棚等重點(diǎn)區(qū)域的整體振動(dòng)特性進(jìn)行分析，主要指各種裝載狀態(tài)下（壓載、滿載等）結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算，如圖1 所示。其目的是在設(shè)計(jì)初期確保結(jié)構(gòu)的固有頻率避開振源頻率的共振范圍，避免后期發(fā)生共振的危險(xiǎn)。因此，自由振動(dòng)分析一般在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行。為盡量縮減分析所用時(shí)間，在自由振動(dòng)分析中，上層建筑、機(jī)艙棚等區(qū)域采用局部模型而非船體梁所用的全船模型。以某型 LNG船計(jì)算結(jié)果為例，滿載狀態(tài)下船體梁 2 階垂向振動(dòng)的固有頻率為 0.799 Hz，壓載狀態(tài)下為 0.725 Hz。滿載狀態(tài)下，上層建筑與機(jī)艙棚的固有頻率為 6.842～9.583 Hz。上述頻率均在螺旋槳槳頻及主機(jī)缸頻共振范圍之外，在設(shè)計(jì)初期避免了結(jié)構(gòu)共振的風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中、后期出現(xiàn)重大修改的可能。

圖1　振動(dòng)分析有限元模型Fig.1　Vibration analysis FE model

隨著設(shè)計(jì)的深入，各型設(shè)備均已確定，對(duì)受迫振動(dòng)響應(yīng)值影響較大的質(zhì)量分布即可相應(yīng)確定，受迫振動(dòng)分析隨之展開。受迫振動(dòng)分析一般是通過有限元方法對(duì)在螺旋槳、主機(jī)等振源的誘導(dǎo)下，重點(diǎn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)報(bào)。重點(diǎn)區(qū)域主要包含居住區(qū)域和工作區(qū)域，不同區(qū)域的判別標(biāo)準(zhǔn)也完全不同。如無特殊振動(dòng)入籍符號(hào)，如 VIBR，COMF-等標(biāo)記，一般按 ISO 6954-2000 或 1984 對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行判別，以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)振動(dòng)水平的區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而盡量避免建造過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性修改或試航后修改。受迫振動(dòng)分析主要通過水動(dòng)力分析、附連水質(zhì)量分布、質(zhì)量分布配置、振源評(píng)估、頻率響應(yīng)分析等步驟得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)值。其中，若采用低速機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，主要振源除螺旋槳脈動(dòng)壓力（葉頻及倍葉頻），螺旋槳軸向力及力矩外，還需考慮主機(jī)不平衡力矩（H Moment 及 X Moment）。以滿載狀態(tài)為例，螺旋槳脈動(dòng)壓力計(jì)算如圖2 所示。主機(jī)的不平衡力矩則由主機(jī)廠家提供，直接引用即可。

圖2　螺旋槳誘導(dǎo)表面壓力Fig.2　Propeller induced surface pressure

另外，對(duì)于一些重點(diǎn)局部區(qū)域，如上層建筑、機(jī)艙、機(jī)艙棚等，還需進(jìn)行局部板架振動(dòng)計(jì)算。通過公式計(jì)算或有限元分析手段，對(duì)局部板架的固有頻率進(jìn)行計(jì)算，使之遠(yuǎn)離振源的共振頻率。對(duì)于規(guī)則板架，一般可采用標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算；對(duì)于不規(guī)則的板架，可采用有限元方法進(jìn)行分析。

2　實(shí)船驗(yàn)證

2.1建造階段的驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)階段振動(dòng)分析過程中，附連水質(zhì)量、阻尼的設(shè)置以及質(zhì)量分布等計(jì)算要素不可能與實(shí)船狀態(tài)完全一致，因此需在船舶建造過程中對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)控驗(yàn)證。以某型 LNG 船為例，為驗(yàn)證上層建筑及機(jī)艙棚區(qū)域的整體振動(dòng)特性，可在碼頭階段進(jìn)行激振器激振試驗(yàn)，其中激振器布置在尾部系泊甲板，如圖3 所示。由于主要關(guān)心區(qū)域?yàn)樯蠈咏ㄖ^(qū)域，淺水效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，該試驗(yàn)可在碼頭階段進(jìn)行。

圖3　激振器布置Fig.3　Arrangement of exciter

為排除其他振源的影響，試驗(yàn)時(shí)船上所有設(shè)備全部關(guān)機(jī)，而作為試驗(yàn)振源的激振器則利用岸電，通過不斷調(diào)整激振器偏心塊的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生不同頻率下的激振力。通過各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度信號(hào)傳感器，采集數(shù)據(jù)以測(cè)得實(shí)船狀態(tài)下上層建筑及機(jī)艙棚的各階固有頻率，并將測(cè)量值與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)，如兩者吻合，則可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與實(shí)船接近；如兩者結(jié)果相差較大，則必須按試驗(yàn)結(jié)果修正計(jì)算模型，并對(duì)振動(dòng)水平進(jìn)行重新預(yù)報(bào)，如發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)水平超標(biāo)，則可以在碼頭階段進(jìn)行修改，從而達(dá)到提前發(fā)現(xiàn)并解決問題的目標(biāo)，避免了后期試航后發(fā)現(xiàn)問題而產(chǎn)生施工困難以及周期浪費(fèi)的問題。以某型 LNG 船為例，通過船體激振器激振測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例如圖4 所示，與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)果十分接近如圖5 所示。另外，對(duì)于局部構(gòu)件的振動(dòng)特性驗(yàn)證，則可通過敲擊激振的方式實(shí)現(xiàn)，以某型LNG 船為例，為研究液貨艙內(nèi)泵塔在空氣中的振動(dòng)特性，直接在泵塔底部施加敲擊激振力，對(duì)泵塔進(jìn)行了信號(hào)采集從而得到其各種模態(tài)下的固有頻率。

圖4　激振實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.4　Excitation vibration measurement result

圖5　主振動(dòng)測(cè)量結(jié)果Fig.5　Global vibration measurement result

2.2試航階段的驗(yàn)證

通過上述一系列建造過程中的實(shí)船監(jiān)測(cè)，基本上在試航前就可以確保該設(shè)計(jì)船舶的振動(dòng)特性，但最終確認(rèn)仍需進(jìn)行實(shí)船試航測(cè)量。為了評(píng)估實(shí)船在各個(gè)推進(jìn)功率及螺旋槳轉(zhuǎn)速下整體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，一般會(huì)在首制船上進(jìn)行主振動(dòng)測(cè)量。其試驗(yàn)方式是通過連續(xù)、逐級(jí)增加螺旋槳轉(zhuǎn)速，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集，并通過后續(xù)處理得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的響應(yīng)值、各個(gè)區(qū)域的整體固有頻率以及在實(shí)際操船過程中需快速通過的轉(zhuǎn)速區(qū)域。通過主震動(dòng)測(cè)量得到振動(dòng)響應(yīng)瀑布圖，以模型 LNG 船機(jī)艙棚中 D1 甲板某一測(cè)點(diǎn)為例，如圖5 所示，數(shù)據(jù)涵蓋在各個(gè)頻率以及各級(jí)轉(zhuǎn)速下船體結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)特性。在頻率范圍內(nèi)可見在各級(jí)轉(zhuǎn)速下均存在 0.8 Hz，8.1 Hz 以及 60 Hz 的加速度峰值，其中 0.8 Hz 為船體梁 2 階垂向固有頻率，8.1 Hz 為機(jī)艙棚縱向模態(tài)固有頻率，60 Hz 為該項(xiàng)目船電的頻率，再次驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。另外，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 77～80 r/min 存在加速度峰值，因此，該轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮為快速通過區(qū)域。

局部振動(dòng)測(cè)量是最為常見的實(shí)船測(cè)量項(xiàng)目。一般采用便攜式測(cè)量儀對(duì)試驗(yàn)大綱中要求測(cè)點(diǎn)的三向響應(yīng)值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可直接與 ISO 6954-2000 或 1984中規(guī)定的許用值進(jìn)行比較，該項(xiàng)測(cè)量可較為直觀地反映船舶的振動(dòng)特性，但試驗(yàn)時(shí)需注意海況及天氣狀況，惡劣的海況會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

3　實(shí)船改進(jìn)方案

當(dāng)實(shí)船建造或航行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的振動(dòng)幅值時(shí)，尤其是整體性振動(dòng)問題，想要徹底根治一般比較困難且代價(jià)相當(dāng)大，本章將著重從固有頻率修改以及振源端修改這 2 個(gè)方向進(jìn)行介紹。

3.1改變結(jié)構(gòu)固有頻率

在某型船航行試驗(yàn)局部振動(dòng)測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)上層建筑所有測(cè)點(diǎn)均存在縱向振動(dòng)過大的問題，經(jīng)有限元模型校核發(fā)現(xiàn)，由于該船采用雙尾鰭的尾部結(jié)構(gòu)形式，存在上層建筑、機(jī)艙棚以及整個(gè)尾部結(jié)構(gòu)偶合的整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，而且上層建筑在該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)下的固有頻率與螺旋槳槳頻較為接近，因此，原則上改善方案可從兩方面入手：1）改變上層建筑乃至整個(gè)艉部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的固有頻率；2）改變螺旋槳的槳頻。但是螺旋槳的槳頻僅僅與槳葉數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)。而螺旋槳槳葉數(shù)修改，意味著螺旋槳重新設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速修改意味著整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的推倒重來。船舶即將交船，根本沒有周期對(duì)螺旋槳槳頻進(jìn)行修改，因此只能從改變上層建筑固有頻率入手，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。本次設(shè)計(jì)優(yōu)化采用的有限元模型為尾部局部模型，如圖7所示。預(yù)設(shè) 4 種修改方案。

圖6　尾部有限元模型Fig.6　FE model of after part

方案 1：上層建筑與機(jī)艙棚相連；

方案 2：尾部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，增加尾部剛度；

方案 3：改變上層建筑主尺度，整體延長；

方案 4：增強(qiáng)上層建筑下方縱桁及橫梁的尺寸。

圖7　修改方案Fig.7　Modification plan

由圖7不難看出，方案 1 與方案 4 的修改工作量較小，對(duì)空船重量的影響也微乎其微，對(duì)其他系統(tǒng)或設(shè)備布置也沒有太大影響。方案 2 與方案 3 的修改工作量較大，而且會(huì)大幅度增加空船重量。同時(shí)，方案2 還會(huì)影響尾部系泊布置，方案 3 將會(huì)導(dǎo)致艙室重新布置。因此從方案可行性且盡量減少工作量的方面考慮，應(yīng)選用方案 1 或方案 4。另外，通過自由振動(dòng)分析可得各個(gè)方案對(duì)固有頻率的改善效果，其中各個(gè)方案的改善結(jié)果及相關(guān)影響如表1 所示。通過表1 可看出方案 1 及方案 3 的改善效果最明顯，因此從方案有效性方面考慮應(yīng)選取方案 1 或方案 3。綜上所述，最終選定方案 1 為正式實(shí)施方案。通過上述方案對(duì)比分析可得，幾何尺寸的修改對(duì)固有頻率的影響最為直接。

表1　方案對(duì)比Tab.1　Plan contrast

3.2降低螺旋槳激振力

在振動(dòng)分析或?qū)嵈瑴y(cè)量時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)即便結(jié)構(gòu)固有頻率遠(yuǎn)離于螺旋槳槳頻，有時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的振動(dòng)響應(yīng)幅值。這是因?yàn)殡m然固有頻率相差較遠(yuǎn)，避免了結(jié)構(gòu)共振的風(fēng)險(xiǎn)，但如果通過螺旋槳盤面的尾流場(chǎng)不均勻，會(huì)在螺旋槳盤面產(chǎn)生有害空泡，導(dǎo)致螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力大幅度增加，從而在船體結(jié)構(gòu)端產(chǎn)生過大的振動(dòng)響應(yīng)值。以某型船為例，在試航時(shí)發(fā)現(xiàn)尾部、機(jī)艙區(qū)域振動(dòng)響應(yīng)值普遍超標(biāo)，為整體性振動(dòng)問題。而且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，尾部和機(jī)艙的各階固有頻率均遠(yuǎn)離螺旋槳槳頻范圍，同時(shí)該船采用蒸汽透平主機(jī)，主機(jī)端也不會(huì)出現(xiàn)過大的激振力。因此初步結(jié)論是螺旋槳激振力過大而導(dǎo)致整體振動(dòng)超標(biāo)。為驗(yàn)證這一結(jié)論，在實(shí)船尾部外板螺旋槳上方安裝壓力傳感器及攝像頭，進(jìn)行實(shí)船尾流監(jiān)測(cè)及脈動(dòng)壓力測(cè)量。傳感器安裝形式及測(cè)量結(jié)果示意如圖8所示，通過攝像頭捕捉的螺旋槳畫面，可以看出螺旋槳葉梢處產(chǎn)生明顯的空泡，同時(shí)測(cè)得最大脈動(dòng)壓力接近 3.5 kPa 超出設(shè)計(jì)值將近 1倍。考慮到螺旋槳槳葉數(shù)修改或葉片形狀修改將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，實(shí)船階段很難實(shí)施。因此，將從改變尾流場(chǎng)分布著手進(jìn)行研究。首先對(duì)裸船體尾流場(chǎng)進(jìn)行CFD 分析，同時(shí)參考模型試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然尾軸上方出現(xiàn)軸向尾流導(dǎo)致尾流場(chǎng)產(chǎn)生彌漫，從而在螺旋槳盤面12 點(diǎn)鐘方向產(chǎn)生慢流，但該慢流并不會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)壓力幾乎倍數(shù)的增加。

圖8　空泡范圍及船體壓力監(jiān)測(cè)Fig.8　Cavitation extents and hull pressures observation

如前文所述，該船舶采用蒸汽透平主機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，其主機(jī)冷卻水排量很大，并且排舷外總管出口布置在艉軸前方，因此，冷卻水的排放對(duì)尾流場(chǎng)影響十分巨大，其流場(chǎng)分析如圖9 所示，通過螺旋槳盤面可見明顯亂流。由于原設(shè)計(jì)并未考慮冷卻水排放的影響，所以導(dǎo)致實(shí)船出現(xiàn)螺旋槳脈動(dòng)壓力呈倍數(shù)增加。

圖9　考慮排水的尾流場(chǎng)Fig.9　Streamline flow with discharge

經(jīng)過上述研究分析已明確問題產(chǎn)生的原因，后續(xù)工作只需對(duì)癥下藥即可，即在外板安裝導(dǎo)流裝置，為確保最終方案可以解決問題且效果最佳，在方案設(shè)計(jì)初期提出 9 種方案，通過方案逐一計(jì)算并對(duì)比最終選定 9 號(hào)方案為最終方案，改善后尾流場(chǎng)分布如圖10 所示。實(shí)船安裝并測(cè)量后，證明所有測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)水平均在 ISO 要求的范圍之內(nèi)。

圖10　改善后尾流場(chǎng)Fig.10　Streamline flow after modification

4　結(jié)　語

通過上述論證可知，當(dāng)實(shí)船出現(xiàn)振動(dòng)水平超標(biāo)的問題時(shí)，確實(shí)可以采用一些相對(duì)簡單可行的方案解決，但相對(duì)于在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行優(yōu)化，其代價(jià)昂貴許多。因此，應(yīng)在船舶設(shè)計(jì)階段盡可能真實(shí)地模擬實(shí)船狀態(tài)，不要遺漏各種可能的影響因素，盡可能地在設(shè)計(jì)階段降低實(shí)船可能出現(xiàn)振動(dòng)水平超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，如在振動(dòng)分析預(yù)報(bào)中發(fā)現(xiàn)問題必須予以解決，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案正式實(shí)施后，必須加強(qiáng)建造過程中的監(jiān)控，使得即便出現(xiàn)預(yù)報(bào)分析不準(zhǔn)確的問題，也可以實(shí)現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)、提前解決的目標(biāo)，不會(huì)對(duì)整個(gè)船舶的建造交付周期產(chǎn)生巨大的影響，將試航時(shí)可能出現(xiàn)振動(dòng)水平超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，控制在最低。本文的分析，為后續(xù)船舶的減振方案研究提供參考依據(jù)，也可為其他船舶的振動(dòng)預(yù)報(bào)及改善提供理論基礎(chǔ)及實(shí)船參考。

［1］何謙，劉明波.測(cè)量船振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37（4）: 97-102.HE qian，LIU ming-bo.Design and application of vibration testing system on the measurement ship［J］.Ship Science and Technology，2015，37（4）: 97-102.

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Ship vibration onboard verification and improvemnet

KE Yao-xing，LIU Yang，ZHANG Xiao-tong
（1.China classification Society，Beijing 100007，China；2.Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200129，China）

Finite element analysis of ship hull vibration is widely used in ship design，but many calculate factors cannot be precisely simulated in the early design process，so the results may have some deviation.Examples on a LNG vessel，during the ship construction process，analyse vibration and test resultsin order to propose a simple，practical improvements after the ship bulid complete.By comparing the obtained resultsget a economically result.

hull vibration；onboard verification；onboard improvement

U663.2

A

1672-7619（2016）06-0105-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.021

2016-04-11；

2016-04-18

柯耀星（1983-），男，工程師，主要從事船舶與海洋工程制造、船舶檢驗(yàn)方面工作。