某鉆探船總體振動固有特性研究

屠 艷，韋 琪，谷家揚，劉為民

(1.南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶在航行過程中會受到各種外力的作用，如波浪力、風力、船上各種設備工作產生的激振力等，這些外力的激振頻率若與船舶整體振動的固有頻率相近或重疊均會導致船舶及海洋結構物的大幅度不穩(wěn)定運動和結構破壞，因此在船舶設計初期需計算出其總體振動固有頻率，根據(jù)船體總體振動固有頻率去匹配船上大型設備的型號等，以避免共振情況的產生。

本文基于某鉆探船的相關結構圖紙，應用MSC.PATRAN軟件建立三維有限元模型，并對該船在滿載航行工況、壓載到港工況、鉆進作業(yè)工況下的振動固有特性進行預報，同時對船舶的上層建筑進行振動預測和固有頻率儲備評估。

1 某鉆探船主要參數(shù)

某鉆探船是一艘適應無限航區(qū)航行、可進行某地質資源及生物資源勘查、兼顧深海采礦裝備單體試驗及海洋工程應用的專用工程船。該船為全鋼質焊接、流線型船體、球鼻艏、方艉、雙底雙殼、連續(xù)主甲板船型，艏部設生活樓、船載實驗室、直升機起降平臺，以及2臺2 500 kW可伸縮槳和1臺3 000 kW艏側推；中部為鉆井作業(yè)區(qū)域；艉部為開敞作業(yè)甲板，設有3臺3 000 kW全回轉推進器。該船主要參數(shù)如下：總長168.5 m；水線長160.0 m；型寬30.0 m；型深14.0 m；排水量27 800 t。

2 有限元模型

2.1 結構模型

本文通過有限元軟件MSC.PATRAN建立了某鉆探船全船三維有限元模型，見圖1。全船單元采用了二維板單元、一維桿單元及質量單元，外板、甲板、大型型材腹板采用板單元建立，骨材、型材面板采用一維梁單元。質量單元主要用來模擬艙室貨物及液體質量。

圖1 某鉆探船三維有限元模型圖

2.2 空船重量調整

根據(jù)結構圖紙建立的全船有限元模型重量和空船重量有較大的差別，因為空船重量不僅包括船體結構的重量，還包括設備重量、艙室內裝等各類重量。由于整船的重量分布對振動的計算結果有著至關重要的影響，為了更加真實地模擬空船重量，首先將較大的設備重量從空船重量中扣除，得到一個除去重要設備后的新空船重量分布。然后將有限元模型和新的空船重量分布數(shù)據(jù)導入Shipright軟件中，通過軟件自動調平衡功能，在全船的節(jié)點上添加質量點從而得到新的空船重量分布。最后將設備重量添加在模型中的實際位置處，從而得到目標的空船重量分布。整個調整流程見圖2。

圖2 空船重量調整流程

通過建立MPC的方法，可將扣除的大型設備重量施加在若干強結構處，方便整體調整空船重量，使其更加接近實船的重量分布。調整后的有限元模型見圖3。

圖3 調整后的有限元模型圖

該船空船重量包含結構、舾裝、內裝、輪機設備、輪機管系、電氣、空調冷藏和機械設備重量等，整個空船重量為18 600 t，有限元模型調整后的重量亦為18 600 t。裝載計算書和調整后有限元模型空船重量主要數(shù)據(jù)的對比情況見表1。從表1中可以看出：重心在船長方向的誤差為船舶總長的0.29%，重心在船寬方向的誤差為船寬的0.46%，重心在型深方向的誤差為船高的3%。根據(jù)《船上振動控制指南》(2012)的要求：有限元模型的重量重心與穩(wěn)性資料的誤差應在船舶總長的0.5%以內。本船有限元模型的重量重心符合規(guī)范的要求。

表1 空船重量數(shù)據(jù)表

船舶發(fā)生振動后，船舶周圍水也會隨之振動，這部分水相當于增加了船舶自身的重量。當不考慮附連水影響計算振動時稱之為干模態(tài)計算。忽略附連水影響采用干模態(tài)計算得出的固有頻率與實際情況相差較大，無法準確模擬真實的振動情況，故在實際研究中引入了濕模態(tài)的計算方法，即在計算振動時將周圍附連水質量均納入船體自重進行研究。

采用有限元計算法計算濕模態(tài)，不僅能免去實驗法的大量實驗費用，而且能將較多復雜因素考慮在內，是當前研究的主流方向。根據(jù)張曉等采用的虛擬質量法計算附連水質量，在MSC/NASTRAN軟件內通過定義有限元模型濕表面單元和吃水高度自動實現(xiàn)水動力質量的計算，其理論是用Helmholtz方法即邊界元法(也叫源匯分布法)來求解流體運動的拉普拉斯方程。

3 振動特性預報及分析

3.1 振動特性預報

本文考慮附連水對模態(tài)的影響。從數(shù)值結果預報的振型來看，第7階模態(tài)為船體1階垂向彎曲模態(tài)。當固有頻率較大時，高階的船體模態(tài)趨于局部化。表2中列出了滿載出港、壓載到港及鉆井作業(yè)工況下船體較低階的固有頻率。本文只列出了滿載出港工況下的典型1階模態(tài)振型，見圖4～圖6。

表2 各工況下的船體各階固有頻率

圖4 滿載出港垂向1階振型

圖5 滿載出港水平1階振型

圖6 滿載出港扭轉1階振型

3.2 頻率儲備評估

中國船級社《船上振動控制指南》(2012)(簡稱《指南》)規(guī)定：對于有限元整船分析計算，因計算精度的提高，船體1～3階固有頻率一般應與激勵頻率錯開一定范圍，即取值范圍相應為±8%～±10%、>±10%～±12%、>±12%～±15%。若不滿足頻率儲備要求，則需改變船體梁的頻率或改變激勵的頻率以錯開頻率。若仍不滿足要求，則需進行頻響分析或實船測量；當不滿足衡準要求時，必須采取相應減振措施。

由計算結果可知：在3種工況下，本船總振動固有頻率儲備系數(shù)均在47%以上，遠大于規(guī)范要求的儲備系數(shù)，滿足衡準要求，即整個船體梁的低階固有頻率不會與主機、主推螺旋槳、伸縮推螺旋槳及側推螺旋槳的激振頻率相遇，因而也不會產生船體總體共振。

3.3 上層建筑振動

考慮上層建筑多為人員休息與活動區(qū)域，為保證人員生活工作的舒適性，對上層建筑結構進行共振分析很有意義。考慮上層建筑振動與主船體的耦合關系，將上層建筑模型的選取延伸至主船體的第2層甲板。上層建筑振動分析主要針對其縱向振動及橫向振動，振動分析模型見圖7，上層建筑的1階縱向和橫向振型見圖8～圖9。

圖7 上層建筑有限元模型

圖8 上層建筑1階縱向振型

圖9 上層建筑1階橫向振型

《指南》要求：上層建筑首階固有頻率與主要激勵源激振頻率應錯開±10%～±15%，若不滿該規(guī)范要求則需對船體結構進行相應優(yōu)化或進行更加詳細的振動計算。上層建筑頻率儲備見表3。

表3 上層建筑頻率儲備

由表3可知：在3種工況下，上層建筑1階縱向與橫向振動固有頻率儲備均在30%以上，符合規(guī)范要求，均不會與主機、螺旋槳發(fā)生總體共振。

4 結論

(1)3種作業(yè)工況下的垂向1階～3階振動固有頻率、水平1階～2階固有頻率、扭轉1階固有頻率與激勵源激振頻率錯開最低為47.48%，遠大于衡準要求的8%～15%，滿足儲備系數(shù)衡準要求。

(2)該船上層建筑1階縱向振動固有頻率為7.157 Hz；1階橫向振動固有頻率為6.227 Hz，與激勵源激振頻率錯開最低為30.24%，遠大于衡準要求的10%～15%，滿足儲備系數(shù)衡準要求。