高速型船舶振動響應(yīng)計算分析

李建彰

(中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

近年來，高速船在商業(yè)和軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，備受關(guān)注[1]。由于高速船船體剛度比其他常規(guī)艦船船體剛度小，高頻率的激振引起的船體振動幅值也比其他常規(guī)艦船振動幅值大很多，從而影響高速船舶的結(jié)構(gòu)強度與疲勞強度，因此高速船的振動問題比其他常規(guī)艦船的振動問題更為復(fù)雜與敏感[2]。在以往的船舶振動研究中，大多數(shù)是針對常規(guī)艦船振動問題的計算或研究，而對于高速船舶的振動問題研究較少。本文著眼于高速船舶領(lǐng)域，針對某一船型，結(jié)合其船體結(jié)構(gòu)特點及振源類型，采用有限元模態(tài)計算分析對振動問題比較敏感的位置進行振動強度評估，對高速船型船體振動的評估校核及高速船舶的設(shè)計具有借鑒意義。

1 高速船振動衡量準(zhǔn)則

1.1 固有頻率儲備衡量準(zhǔn)則

在高速船振動問題的研究過程中，根據(jù)船舶類型明確其主要激振源，從而確定激振源的額定頻率。激振源頻率與船體結(jié)構(gòu)固有頻率的比值γ對動力放大系數(shù)α的影響如圖1所示，此曲線為振動位移幅值的頻率響應(yīng)曲線，也稱為共振曲線[3]。

圖 1 幅頻響應(yīng)曲線Fig. 1 Amplitude-frequency response curve

從圖1中可以看出，當(dāng)γ接近1時，即激振力頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率時，動力放大系數(shù)α將急劇增加，并且達到最大值，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象；若γ很小或γ很大時，則動力放大系數(shù)α比較小，此時激振力的作用可視為靜力作用，故在CCS《船上振動控制指南》等相關(guān)的文獻中，選取的共振的區(qū)域為γ接近于1的范圍[4]。又由于在共振區(qū)域中，振幅的大小與阻尼有關(guān)，因此對于不同的船體結(jié)構(gòu)，根據(jù)阻尼的不同，選取的γ范圍也有所不同。

其中，fi為船體結(jié)構(gòu)的固有頻率，Hz；fe為激振力額定頻率，Hz。

按照《艦船通用規(guī)范》中對不同船體結(jié)構(gòu)頻率儲備的要求，高速船的固有頻率值應(yīng)滿足下式要求：

1.2 振動響應(yīng)衡量準(zhǔn)則

目前，在國內(nèi)的船體規(guī)范中尚未提供明確的高速船振動響應(yīng)衡量準(zhǔn)則，所以在對高速船的振動響應(yīng)進行校核時，本文借鑒DNV《Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft》對于高速船振動響應(yīng)進行衡準(zhǔn)[5]。

表 1 對船舶不同區(qū)域適居性評價準(zhǔn)則Tab. 1 The habitability evaluation criteria of the different regions for ship

2 計算模型的建立

本文以國內(nèi)某氣墊船為例，根據(jù)其振源類型，針對其尾部的槳塔與發(fā)動機短艙振動敏感位置進行振動問題研究。根據(jù)CCS《船上振動控制指南》的相關(guān)規(guī)定，在計算船舶局部結(jié)構(gòu)的固有頻率時，如梁、板、板架等不是孤立結(jié)構(gòu)，而是與其他結(jié)構(gòu)相連接，它們的邊界條件嚴(yán)格地講是彈性固定邊界條件。為了計及相鄰構(gòu)件的影響，在有限元計算中將其相鄰構(gòu)件也計入有限元模型之內(nèi)進行計算，然后再分離出指定結(jié)構(gòu)得到其固有振動頻率[6]。根據(jù)上述建模原則，計算模型選取該氣墊船的整個型深及型寬，型長跨過振源范圍[7]。

在短艙結(jié)構(gòu)內(nèi)，按照推進主機基座的結(jié)構(gòu)圖紙對主機基座進行有限元建模，在推進主機重心位置建立MPC點與推進主機基座相連，將推進主機重量施加到MPC點上。對于其他設(shè)備，如帶導(dǎo)流罩的空氣螺旋槳、空氣螺旋槳的傳動裝置、導(dǎo)管、舵等均在其重心位置建立MPC進行配重，從而實現(xiàn)與實船重量分布相同。

在計算槳塔與發(fā)動機短艙艙段固有頻率時，對其下方邊界進行剛性固定[8]，如圖2所示。

圖 2 邊界條件示意圖Fig. 2 Schematic diagram of boundary condition

3 槳塔與短艙固有頻率計算及振型分析

槳塔與短艙結(jié)構(gòu)的固有頻率計算結(jié)果見表2，有限元模型及振型如圖3～圖6所示。表中各符號的含義如下：

fi為結(jié)構(gòu)固有頻率；fet為推進主機額定頻率；fez為螺旋槳軸頻率；fey為螺旋槳葉頻率；YES為滿足頻率儲備的要求；NO為不滿足頻率儲備的要求。

4 振動響應(yīng)計算分析

由上節(jié)固有頻率計算結(jié)果可知，在空氣螺旋槳的額定激振下，槳塔與發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)不滿足頻率儲備的要求，因此需要計算該局部結(jié)構(gòu)在空氣螺旋槳激振作用下的振動響應(yīng)。振動響應(yīng)是以槳塔與發(fā)動機短艙的有限元模型為計算模型，對其進行頻域瞬態(tài)響應(yīng)分析。在計算該結(jié)構(gòu)在空氣螺旋槳激振作用下的響應(yīng)時，選取的計算頻率為0～14 Hz（軸頻）、0～54 Hz（葉頻），計算頻率的個數(shù)分別為35個、120個。最終提取槳塔與發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)中頻率儲備較小區(qū)域單元的速度值與加速度值。

表 2 固有頻率計算結(jié)果Tab. 2 The result of inherent frequency

圖 3 f=2.748 Hz（橫向振型）Fig. 3 f=2.748 Hz (transverse vibration mode)

圖 4 f=6.789 Hz（縱向振型）Fig. 4 f=6.789 Hz (longitudinal vibration mode)

圖 5 f=11.34 Hz（扭轉(zhuǎn)振型）Fig. 5 f=11.34 Hz (retortion vibration mode)

圖 6 f=12.402 Hz（垂向振型）Fig. 6 f=12.402 Hz (vertical vibration mode)

4.1 激振力的計算

空氣螺旋槳轉(zhuǎn)子動量：

4.2 激振力的施加

在空氣螺旋槳重心位置建立MPC點與短艙外壁相連，將空氣螺旋槳不平衡力施加在空氣螺旋槳重心處，通過MPC點傳遞給船體。具體作用形式如圖7所示。

4.3 振動響應(yīng)計算分析

根據(jù)上述振動響應(yīng)計算模型的選取及激振力的詳細確定，對槳塔與發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)計算其在空氣螺旋槳的振動響應(yīng)分析。最終提取槳塔與發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)中頻率儲備較小區(qū)域單元的速度值或加速度值。

表 3 空氣螺旋槳激振力數(shù)據(jù)Tab. 3 The excited force date of propeller

圖 7 激振力施加示意圖Fig. 7 Schematic diagram of applying excited force

圖 8 激振力下的速度響應(yīng)曲線Fig. 8 Velocity response curve

圖 9 激振力下的加速度響應(yīng)曲線Fig. 9 Acceleration response curve

由上述數(shù)據(jù)可知，氣墊船槳塔與發(fā)動機短艙在空氣螺旋槳的激振力作用下的加速度響應(yīng)均小于因此槳塔與發(fā)動機短艙艙段結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范中關(guān)于振動響應(yīng)的衡準(zhǔn)。

表 4 振動響應(yīng)計算結(jié)果Tab. 4 The calculation of vibration response

5 結(jié) 語

高速船的振動是一個十分復(fù)雜的問題，對其進行準(zhǔn)確的預(yù)報是船舶設(shè)計成敗的關(guān)鍵。本文采用有限元法進行模態(tài)分析對高速船局部結(jié)構(gòu)進行了振動強度評估，按照《艦船通用規(guī)范》對于振動敏感位置進行按照固有頻率的計算，對于不滿足頻率儲備的局部結(jié)構(gòu)進行振動響應(yīng)分析，按照DNV《Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft》進行衡準(zhǔn)。本文為船舶設(shè)計人員在船舶設(shè)計建造中預(yù)報船舶振動強度提供了一條新的途徑。

[1]吳衛(wèi)國. 高速船的振動特點及預(yù)報[J]. 江蘇造船, 2008, 17(4):45–47.

[2]吳家鳴. 高性能船舶的類型及特點[J]. 廣東造船, 2012(4):2–5.

[3]GJB4000-2000艦船通用規(guī)范[S]. 2000.

[4]中國船級社. 船上振動控制指南[S]. 北京:人民交通出版社,2012.

[5]DNV. Rules for Classification of High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft [S]. July 2006.

[6]翁長儉. 我國船舶振動沖擊與噪聲研究進展[J]. 中國造船,2009, 42(3): 12–14.

[7]王昕. 高速船輕型結(jié)構(gòu)聲輻射的振動模態(tài)分析[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2013.

[8]李寧. 具有彈性基礎(chǔ)的氣墊船細長軸系橫向振動特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.