某漁業運輸船砰擊振動的測試與分析

姜明慶，郭遠志，張兆德

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022）

·研究簡報·

某漁業運輸船砰擊振動的測試與分析

姜明慶，郭遠志，張兆德

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022）

某漁業運輸船在北太平洋海域作業時，經常遇到風浪較大的海況，會出現較大幅度的船體振動，本研究對該船體進行振動測試分析，并結合有限元計算，分析認為該船振動為砰擊振動，并研究了振動成因，比較了不同改造措施的減振效果，提出了有效降低船體振動的方案。

船體振動；砰擊；顫振；減振分析

近年來，隨著國際海事組織（IMO）對船舶性能要求地不斷提高。國內對船舶的各項性能要求也逐漸提升。其中，船舶的整體振動和局部振動也逐漸受到重視。隨著檢驗技術的提升，各種現役船舶的振動性能已經滿足不了安全要求和舒適度的要求。此時，許多船舶亟待進行振動測試，找到整船振動或局部振動過大的原因，進而對船身結構進行改造，找到良好的減振方式，進而保證船體結構的性能和安全，提高舒適度。

安小同和洪明[1]針對50 m冷海水貝類運輸船甲板出現的有害振動問題，結合實測數據，提出了降低有害振動的修改方案。鄭翰獻等[2]對京杭運河的運河漕舫船體進行測試，運用測試結果分析船體振動過大的原因，并提出了減振降噪措施。李品敏[3]針對8 000 kW海洋救助船和小水線面雙體船的振動情況，分析了振動產生的機理，并采取有效的工藝措施，達到減振降噪的目的。林永水等[4]針對20 000 t近海散貨船的有害振動問題，通過一系列的測試試驗和有限元計算，找到主要振源，并給出了一系列綜合減振措施。李凱等[5]針對30 000 t大湖型散貨船的有害振動問題，結合實測和有限元計算，從船體結構上采取合理的減振措施，取得了良好的效果。帥兵[6]采用兩種有限元方法對1 700 TEU淺吃水集裝箱船進行全船振動預報，找到有害振動點并提出預防和改進措施；并對該集裝箱船的機艙和上層建筑進行局部振動模擬，調準結構布置后與實測數據進行對比，保證了振動滿足設計要求。劉長卿[7]結合數值計算與實船測試的方法，對全回轉推進船舶尾部振動問題進行實例分析，提出了結構改進方案，驗證了改進方案的有效性。張守俊[8]通過研究隨機振動對船舶運行狀態的影響，為減輕船體振動提供了一定的理論支持。

本文針對某漁業運輸船在北太海域作業時，船身以及桅桿振動比較嚴重的情況，對船體及桅桿進行了實測分析以及數值計算，結合數值計算的方案對比，分析了船舶振動的主要成因，提出了合理的減振方案。

1 船體參數

該漁業運輸船的主要技術參數見表1。

表1 船體主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the ship

船舶總布置圖如圖1所示。

圖1 全船總布置圖Fig.1 The ship layout

2 實船測試

在船舶的機艙、上層建筑及甲板的不同位置布置橫向、縱向和垂向加速度傳感器，進行了振動測試。測試現場如圖2所示。

參考商船垂向和水平振動評價基準，如圖3所示。

五級風以下海況下，主機轉速在300～580 r/min，所有測點的振動幅值均在穩準范圍之內。

圖2 漁業運輸船振動測試Fig.2 Vibration test of the fisheries transport ship

圖3 商船垂向和水平振動評價基準Fig.3 Evaluation criterion of merchant ship's vertical and horizontal vibration

當遇6級風、浪高2 m以上條件下，逆風航行，且航速達到8 kn以上的情況下，每當經過幾個較大波浪時，船體出現一次較大振動，這種振動衰減較慢，在駕駛臺還能感覺明顯的縱向振動。甲板上的測試振動信號如圖4所示。

圖4 甲板測點的振動時域信號Fig.4 Time-domain vibration signal of the tested point on deck

圖5 艏樓前壁測點的振動時域信號Fig.5 Time-domain vibration signal of the tested point at the front wall of the bow

對各測點的振動信號進行頻譜分析結果表明，甲板上測點的振動幅值略高于上述標準，而艏樓前壁上測點的振動信號明顯高于規范標準值。

3 船體數值模擬分析

3.1 整船的模態分析

利用MSC.PATRAN建立全船三維有限元模型，用板單元模擬外板、甲板、艙壁等，常用的板單元有四邊形和三角形兩種，這種單元可以承受彎曲應力、正應力和剪應力等，本文所用模型板單元規格為650 mm×550 mm和650 mm×600 mm；用梁單元模擬橫骨架、縱骨等，梁單元可以承受拉壓和彎曲的受力。模型總的節點數量為30 467，單元數量為72 719。建模時坐標軸的定義：X軸向船首為，Y軸正向左舷為正，Z軸向上為正，如圖6所示。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

對現有100 t油料載況進行模態分析，得出前桅桿的一階固有頻率為2.505 Hz，后桅桿的一階固有頻率為3.179 Hz，船體垂面內總縱彎曲的一階固有頻率為2.127 Hz、第二階頻率為3.205 Hz。

圖7 船舶的模態分析Fig.7 The modal analysis of the ship

3.2振動原因分析

通過對本船的測試與有限元模擬，結合現場振動現象出現時的條件與特征，綜合分析認為，本船在風浪較大環境下因波浪砰擊時而出現較大幅度振動現象為顫振。

在船艏無壓載，艏吃水較小的情況下，波浪砰擊更容易引起船體彎曲；由于桅桿高而粗重，而桅屋結構的固有頻率較低，船體受波浪砰擊發生船體彎曲的同時桅桿發生擺動，而桅桿的一階固有頻率與船體的二階固有頻率比較接近，會發生更大幅度的振動；同時甲板板架與上層建筑之間結構不夠強，進而會引發上層建筑長周期的縱向振動。

4 結構改進措施分析

對桅桿和桅屋結構進行了分析與改造研究，表2為不同改造方案下桅桿的固有頻率分析。

表2 不同改造方案下桅桿的固有頻率Tab.2 The natural frequency of the mast under different transformation schemes

通過上述不同方案的分析，可以選擇方案2或方案5，可以更好地提高桅桿結構的固有頻率，避免出現與船體固有頻率接近，以減小振動幅度。

5 總結

基于測試與分析，研究現場振動現象出現時的條件，分析認為：

（1）本船在風浪較大環境下因波浪砰擊時而出現的較大幅度振動現象為顫振。

（2）本船桅桿的一階固有頻率與船體二階固有頻率比較接近，更易誘發振動現象。在船艏無壓載，艏吃水較小的情況下，波浪砰擊顫振現象會更加明顯。

（3）縮短桅桿并加強桅屋，以增加桅屋的剛度，提高桅桿結構的固有頻率。可以明顯減小現有波浪砰擊振動的幅度；

（4）對甲板與上層建筑局部結構加強，提高結構的剛度，也可以有效抑制上層建筑的縱向振動。

[1]安小同,洪 明.50 m冷海水運輸船振動及減振分析[J].山東交通學院學報,2011,19(4):46-50.

[2]鄭翰獻,張兆德,譚永朝,等.運河漕舫的振動測試與減振降噪分析[J].船海工程,2009,38(4):77-80.

[3]李品敏.船舶振動及減振技術的應用分析[J].廣東造船,2008(4):40-42.

[4]林永水,吳衛國,翁長儉.20 000 t近海散貨船有害振動診斷及治理[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2015(2):292-296.

[5]李 凱,劉 松,李東鵬,等.30 000 t大湖型散貨船有害振動的診斷及治理[J].船舶工程,2009,31(4):33-37.

[6]帥 兵.某集裝箱船機艙和上層建筑的局部振動分析[D].廣州:華南理工大學,2015.

[7]劉長卿.全回轉推進船舶尾部振動特性的研究[D].上海:上海交通大學,2014.

[8]張守俊.隨機振動影響下的船舶減振模擬計算[D].大連:大連海事大學,2012.

Vibration Test and Analysis of Refrigerated Carrier

JIANG Ming-qing,GUO Yuan-zhi,ZHANG Zhao-de
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China)

The vibration of hull and mast of a refrigerated transport ship in the relative rough sea area is serious.The measurement results of the hull and mast’vibration is analyzed.And some reconstruction measures are put forward according to the finite element calculation and measurement vibration under slamming.The improvement measures are analyzed,and an optimized scheme for reducing the vibration of the refrigerated transport ship is obtained.

ship vibration;slamming;flutter;vibration reduction analysis

U661.44

：A

2016-12-30

國家自然科學基金（51379189；51409232）

姜明慶（1984-），男，福建順昌人，研究方向：漁船裝備與技術.

張兆德.E-mail:zhangzhaode@163.com

1008－830X(2017)01－0072－05