新規范下常規散貨船居住區的振動響應分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

21萬t好望角型散貨船作為新一代開發設計船型，滿足HCSR和TierIII要求，在船體結構優化升級的基礎上，振動水平有較大提升。為評估其居住區振動水平是否達到新規范ISO 20283-5要求，在有限元軟件中建立全船模型，分別計算滿載離港和壓載到港2種工況下的振動響應。選取部分居住區域的房間作為預報點。考慮到新規范是以頻率加權值作為評價對象，與有限元計算結果不一致，需要對預報結果進行轉換，再與新規范限值相比較。

1 振動模型建立

1.1 整船模型

考慮到居住區域的邊界條件，船體板外側附連水以及貨艙貨物重量的影響，建立全船模型以便較為準確地模擬分析居住區域的振動特性。以船體中橫剖面、基本結構圖、典型橫艙壁等詳細設計圖紙為基礎，建立全船模型。其中，船體外殼板、各層甲板、側壁圍板等構件以面單元(shell)模擬；橫梁、縱骨和肋骨等加強結構用梁單元(beam)模擬；用點單元(mass)模擬船上設備、壓載水以及貨油等重量，施加在面板上，保證模型裝載總重與實船相同，重心位置和裝載手冊保持基本一致。船體艉部、機艙、居住區、煙囪及機艙棚的細網格大小為縱骨間距，其余區域則采用以強橫梁間距的大網格劃分，大網格內的骨材合并，保證合并前后剛度一致，整船有限元模型見圖1。

圖1 整船有限元模型

1.2 居住區模型

居住區的艙室物品重量采用點單元模擬，甲板敷料及艙室內裝修材料等，通過修改材料密度方式添加質量，模型見圖2。

圖2 居住區有限元模型

關于舷外附連水對于全船振動的影響，參考文獻[1]總結出的估算附連水質量經驗公式，與船舶實際情況存在一定的誤差，可根據水池模型實驗數據、CFD計算結果，較為準確地計算附連水質量。應用計算軟件中定義有限元濕面單元和吃水高度，施加滿載出港與壓載到港下的附連水質量。

2 振動響應計算

2.1 激勵源加載

船上機器造成的不均勻慣性力、螺旋槳引起的脈動壓力及波動壓力是造成船體強迫振動的主要因素。主機激勵主要為1、2階不平衡力矩和H、X、L型激勵，根據主機與螺旋槳資料，確定激振源為主機2階不平衡力矩激勵，H、X型力矩及螺旋槳的葉頻脈動壓力，其他激勵與之相比甚小，可忽略不計[2]。

本船主機型號為MAN B&W 的二沖程6缸6G60ME-C9.5 Tier II，較有可能引起船體振動的激勵有2階不平衡力矩，6階H型外力力矩，具體參數見表1。

表1 6G60ME-C9.5 Tier II型主機各階激振力矩 kN·m

通過施加主機的不平衡力矩、螺旋槳的脈動壓力，計算發現主機H型缸頻下的居住區的響應值最大。因此，只須主機缸頻為激勵源的振動響應滿足新規范即可。

2.2 響應值轉換

新規范ISO 20283-5在ISO 6954—2000(E)的基礎上進一步提高了振動要求，兩者皆是以考慮頻率加權后的有效值(RMS值)作為評價對象。應用有限元法預報船體振動結果為最大峰值，與規范評估對象不一致，需要進行相應的轉化后，再與新規范限值對比。

ISO 20283-5考慮了人體對不同頻率振動的反應，以RMS值作為評價對象[3]。

(1)

式中：wi為針對第i個 1/3倍頻帶的權重系數，包括以加速度wa為輸入量 和以速度wv為輸入量的權重系數，具體數值見圖3[4]。

圖3 1/3倍頻帶加權系數

船體振動最大重復值，為振動測量時的振動響應頻譜上的最大峰值，其計算式為

(2)

(3)

3 居住區域振動預報

分析整船在壓載到港(LC1)和滿載離港(LC2)工況下的振動響應。選取居住區域若干房間作為預報點，以速度響應為評價標準，便于與后續的實測數據比較。將預報結果轉換RMS值，與新規范限值比較分析，以驗證居住區域振動響應是否滿足新規范要求，新規范中船員區域的衡準見表2。

表2 新規范ISO 20283-5可接受振動限值

3.1 預報點設置

以居住區域內的駕駛甲板、E甲板、D甲板以及C甲板為研究對象，依據艙室分布情況、實船測量經驗，選取各層甲板典型房間內的2～3個節點作為預報點，共計10個預報點，分布見圖4。

3.2 計算結果分析

分別模擬計算2種工況下全船振動響應，根據相應計算公式，對居住區域內的各節點的仿真結果進行數值轉換，然后與新規范的振動響應限值比較分析，以評估新開發的常規散貨船上層建筑振動水平，驗證是否達到新規范ISO 20283-5要求，居住區域的振動響應RMS值見表3。

圖4 居住區振動預報點分布

在壓載到港(LC1)工況下，E甲板引水員房間x、y方向的速度響應值與規范限值3.5 mm/s比較，分別超出0.4、0.3 mm/s，船長辦公室x、y方向的響應值超出衡準0.1 mm/s；D甲板高級船員房間y、z方向超出標準要求0.2 mm/s。其他房間的預報結果滿足新規范要求。滿載離港工況(LC2)下，各預報點響應值均小于壓載工況，符合新規范要求。居住區域的振動響應滿足新規范要求。

3.3 不同規范限值

將轉換完成的振動響應RMS值與舊規范限值對比，評估預報結果是否符合舊規范要求，舊規范ISO 6954—2000(E)限值見表4。

表4 ISO 6954-2000(E)規范限值

由表2、4中規范限值可知：新標準將船舶區域分類船員區域和乘客區域，并在此基礎上繼續將船員區域細化為6類，而舊規范中船舶區域只分為乘客居住艙、船員居住區以及船員工作區三類；船員工作區速度限值由8.0 mm/s提升到6.0 mm/s或4.5 mm/s，船員居住區的限值由6.0 mm/s上升為3.5 mm/s，限值要求相對于舊標準，限值提升幅度較大，兩種工況下的預報值都滿足舊規范要求。因此，認為新振動規范為更嚴格，要達到新規范振動水平，需要做大量的振動分析與預報工作。

4 結論

1)居住區域的振動響應滿足ISO 20283-5要求，上建振動響應值從高往低依次趨于減小，與上層建筑類似“懸臂梁”結構形式的振動規律一致。

2)振動響應的最大峰值、RMS值轉換方法仍需進一步優化，下一階段的目標是將預報值與實測數據比較分析，不斷調整轉換方法，使其更為嚴格、科學，接近工程實際。

3)與舊規范相比，新振動規范要求更為嚴格，但新規范中區域類型定義更加詳細、明確，并提供對應區域限值，避免了考核區域選擇錯誤或衡準值界定不明等情況的發生。