休閑漁船整船振動分析與研究

王貴彪，崔雪亮，李國強，楊衛(wèi)華，張海波

(1.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院，浙江舟山 316022；3.舟山市定海區(qū)漁船檢驗站，浙江舟山 316000)

休閑漁業(yè)作為現(xiàn)代漁業(yè)五大產(chǎn)業(yè)之一，是傳統(tǒng)漁業(yè)的拓展與發(fā)展，是漁業(yè)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，也是促進傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)的轉(zhuǎn)型的一大助力[1-3]。而休閑漁船作為休閑漁業(yè)的一個重要載體[4]，是促進漁業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型調(diào)整的一個重要舉措。與客船及捕撈漁船不同，休閑漁船既帶有一定的捕撈演示功能，又具有休閑娛樂的功能，對船型的振動特性提出了更高的要求。此外，現(xiàn)有休閑漁船中大部分由捕撈漁船改裝而來，而漁船行業(yè)科技力量又相對缺乏，對船型的激勵振動不夠重視，導(dǎo)致游客的休閑體驗度不高。因此，需要對休閑漁船的振動特性進行分析與研究，并對振動響應(yīng)明顯的部位進行改進，同時提出針對現(xiàn)有休閑漁船合理可行的改裝措施，從而提高游客休閑體驗的舒適度。

本文以某即將完工的32 m 鋼質(zhì)休閑漁船為研究對象，利用MSC.Patran 軟件建立全船的三維有限元模型，對船型的固有頻率以及主機和螺旋槳激勵下的全船振動響應(yīng)進行了評估，分析了該船型尤其是休息娛樂處所的振動特性，對振動響應(yīng)幅值較大的區(qū)域進行了增加混凝土壓載，增設(shè)支柱、強橫梁等可行性改裝，既能夠為現(xiàn)有休閑漁船的振動改進提供思路，也可為類似休閑漁船的設(shè)計提供參考。

1 有限元模型

1.1 船型簡介

目標(biāo)船型為鋼質(zhì)、單甲板、單底、單槳、單舵、舯后機型、橫骨架結(jié)構(gòu)、電焊焊接式休閑漁船，其船型如圖1 所示。其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 船型主要參數(shù)表Tab.1 Table of main parameters of ship

利用MSC.Patran 建立的三維全船有限元模型如圖2 所示。模型采用右手笛卡爾坐標(biāo)系建立，其中X正方向為沿船長方向指向船首，Y 正方向指向左舷，Z 正方向為沿型深豎直向上。外板、甲板、甲板室圍壁、肋板、主要構(gòu)件的腹板等采用三節(jié)點或者四節(jié)點的板單元模擬，而扶強材、肋骨、橫梁以及主要構(gòu)件的面板等采用梁單元模擬。

圖2 三維有限元模型Fig.2 3D finite element model

1.2 質(zhì)量分布情況

船體重量的準(zhǔn)確模擬是進行振動計算一個必要條件，對計算結(jié)果有著重要影響[5]。休閑漁船船體質(zhì)量主要包括鋼板材料重量、舾裝與設(shè)備重量、魚獲物和人員的重量、油水重量以及混凝土壓載的重量等。本文通過定義材料密度來實現(xiàn)船型材料的重量；通過在相應(yīng)位置的質(zhì)量點加載來模擬船型上設(shè)備、漁獲物、人員以及混凝土壓載的重量；通過在液艙內(nèi)建立的MPC 點施加質(zhì)量點來模擬燃油與水的重量。

而在船型附連水質(zhì)量的計算中，既可采用經(jīng)驗公式法計算并加載至相應(yīng)的船外殼上，也可在NASTRAN 中定義并計算。本文采用后者即虛擬質(zhì)量法[6-7]通過MSC/NASTRAN 定義濕表面單元及船型相應(yīng)的吃水來自動實現(xiàn)不同吃水情況下的附連水質(zhì)量計算[8]，準(zhǔn)確地定義了兩種工況下的不同附連水質(zhì)量。

2 固有特性分析

船體總振動的固有頻率準(zhǔn)確預(yù)報是判斷其與船型主要激勵力發(fā)生共振與否的前提與基礎(chǔ)[9]。由于休閑漁船的工況類似漁船，故根據(jù)排水量選取滿載返港和空載到港兩個典型工況作為研究的對象[10]。下圖為船型滿載返港工況的振型，表2 為船型2 種工況下垂向、水平和扭轉(zhuǎn)自由振動的固有頻率。

表2 自由振動模態(tài)Tab.2 Modal of free vibrations

圖3 一階垂向振型Fig.3 First modal shape of vertical

圖4 一階水平振型Fig.4 First modal shape of horizontal

圖5 一階扭轉(zhuǎn)振型Fig.5 First modal shape of torsion

本船型螺旋槳的頻率為30 Hz，而主機頻率為22.5 Hz。主要激勵力的頻率均錯開10%以上，不會發(fā)生嚴(yán)重的共振情況。同時，2 種工況下船型的固有頻率基本一致，這是由于休閑漁船油、水以及漁獲載重量較少從而導(dǎo)致其不同工況下空船重量區(qū)別較小。

3 激勵響應(yīng)分析

3.1 激振力計算

螺旋槳、主機和波浪是船舶航行時的主要激勵源，而其中又以螺旋槳和主機的激勵最為明顯[11-12]。

3.1.1 螺旋槳激振力

本文根據(jù)挪威船級社的方法[13]估算船型的脈動壓力峰值，其表達式如下所示，式中各表達式含義可參照文獻[14]，本文不再贅述。其加載效果如圖6 所示。

圖6 螺旋槳脈動壓力加載示意圖Fig.6 Sketch map of fluctuating pressure of propeller

式中:n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r·min-1；Dp 為螺旋槳直徑，m；Z 為螺旋槳葉數(shù)；ds為葉片位于正上方時，0.9 螺旋槳半徑處距船體距離，m；K0為系數(shù)，當(dāng)ds/R≤2 時，K0=1.8+0.4 ds/R，當(dāng)ds/R>2 時，K0=2.8；△Pc為計及空泡影響的脈動壓力峰值，Pa；Vs為船速，m·s-1；ha為槳軸沉深，m；Kc為系數(shù)，當(dāng)ds/R＜1 時，Kc=1.7-0.7 ds/R，當(dāng)ds/R≥1 時，Kc=1.0。

3.1.2 主機激振力

目前，漁船及休閑漁船上安裝的主機基本為柴油機，而柴油機工作時是往復(fù)的機械運動，其運動部件的慣性力所引發(fā)的不平衡力及力矩就會產(chǎn)生主機激振力，根據(jù)本船采用柴油機對應(yīng)型號的相關(guān)資料，以及文獻[15]所提供柴油機總激振力的具體計算方法，將計算所得的激振力通過MPC 點以正弦力的形式施加在主機座上，其方向為Z 軸方向，如圖7 所示。

圖7 主機激振力加載示意圖Fig.7 Sketch map of excitation force of main engine

3.2 阻尼與邊界條件

阻尼是結(jié)構(gòu)能量耗散的一種數(shù)學(xué)近似，本文根據(jù)以往計算的經(jīng)驗取阻尼為0.03。而在邊界條件約束上，本文采用彈簧約束進行約束。由于脈動壓力和主機激振力都是垂向的，而軸承力的縱向和橫向的力較小，因此，設(shè)置的彈簧約束在垂向最多，橫向最少。

3.3 響應(yīng)分析

利用MSC.Nastran 軟件對船型模型進行瞬態(tài)響應(yīng)計算，模態(tài)阻尼系數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值0.03[16-17]。為準(zhǔn)確描述船型整體的振動特性，在機艙、休息室、5 人室、大客廳、小客廳、駕駛室、觀光區(qū)、捕撈體驗區(qū)選取8 個樣點進行分析，其具體位置如圖8 所示。讀取結(jié)果中振動加速度最后5 s 的數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)經(jīng)過均方根計算得到有效值，結(jié)果如表3 所示。

圖8 樣點具體位置示意圖Fig.8 Specific position sketch of sample point

表3 不同工況各節(jié)點加速度響應(yīng)幅值(mm·s-2)Tab.3 Amplitude of acceleration response at different working conditions

休閑漁船空載到港和滿載返港的加速度響應(yīng)幅值較為接近，并沒有其它船型對應(yīng)工況體現(xiàn)的差距大，這是由于休閑漁船的作業(yè)海域較近[18]，燃油及淡水艙容積不大，且漁獲物數(shù)量有限[19]，造成兩種工況下重量相差不大，振動的特性較為接近。全船除機艙外，空載到港工況下的振動響應(yīng)幅值均大于滿載返港，這是由于這兩工況下，機艙的質(zhì)量基本不變，而位于機艙前后端的油艙和水艙質(zhì)量大幅減小，導(dǎo)致機艙的振動效果在滿載返港時更為顯著。

由于休閑漁船并沒有相應(yīng)的振動規(guī)則及評價，故本文參照《機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價準(zhǔn)則》[20]進行，具體評價準(zhǔn)則如表4 所示。

表4 船舶不同區(qū)域適居性評價準(zhǔn)則Tab.4 Criteria for evaluating the habitability of ships in different areas

由對比可以發(fā)現(xiàn)，本船型各區(qū)域的振動響整體上均處在規(guī)定的范圍內(nèi)，但是由于機艙內(nèi)、大客廳和捕撈體驗區(qū)分別離主機激勵和螺旋槳激勵較近，而觀光區(qū)下甲板圍壁為提高游客的舒適度均采用了大面積的幕墻玻璃導(dǎo)致甲板室剛度大幅降低等原因，以至機艙、大客廳、觀光區(qū)和捕撈體驗區(qū)的樣點均比較接近對應(yīng)區(qū)域等級嚴(yán)重振動的下限值。而根據(jù)船東的經(jīng)驗，大客廳、觀光區(qū)和捕撈體驗區(qū)為游客最為偏愛的處所，也是休閑漁船船型帶給游客最重要的體驗之一。因此，需要對這些區(qū)域進行局部的減振改進，以提高游客的休閑體驗舒適度。

4 局部減振措施分析

鑒于船型已基本完工，大幅修改艉框尺寸、更換主機及螺旋槳等已不現(xiàn)實。考慮可操作性及經(jīng)濟性，本文采取了以下幾種措施來減小船型的局部振動響應(yīng):

(1)捕撈體驗區(qū)下方舵機艙增加混凝土壓載1 t，機艙艙底增加混凝土壓載5 t。除保證船型穩(wěn)性安全外，也增加了機艙、舵機艙的整體質(zhì)量，加大了其阻尼；

(2)在機艙內(nèi)增設(shè)2 對支柱，增大機艙的結(jié)構(gòu)剛度，如圖9 所示；

圖9 機艙內(nèi)新增支柱Fig.9 Additional pillars in engine room

(3)在觀光區(qū)底部的甲板額外增設(shè)1 根甲板縱桁以及4 根強橫梁，尺寸同原甲板縱桁和強橫梁，以提高甲板室的結(jié)構(gòu)剛度，改變駕駛甲板的固有頻率，如圖10 所示。

圖10 觀光區(qū)底部甲板改進方案Fig.10 Improvement plan of bottom deck of sightseeing area

為驗證結(jié)構(gòu)改進的效果，分別對船型滿載返港和空載到港兩工況進行振動響應(yīng)分析，其結(jié)果如圖11所示。

由圖11 可以發(fā)現(xiàn)，在改裝后，機艙、大客廳、觀光區(qū)和捕撈體驗區(qū)樣點的加速度響應(yīng)幅值有明顯的下降，其下降幅度基本都達到了10%。而對于其它區(qū)域，振動響應(yīng)也略有下降。通過針對性地改進后，全船振動響應(yīng)幅值基本處于合理的范圍內(nèi)，達到了改善對應(yīng)區(qū)域振動響應(yīng)情況的目的。

圖11 減振效果對比Fig.11 Comparison of vibration reduction effect

5 結(jié)論

由于休閑漁船具有載客及休閑娛樂的功能，對其船型的振動性能有著比漁船更高的要求。本文針對某即將完工休閑漁船，利用MSC.Patran 軟件建立了該船的整船有限元模型，分析了其固有振動特性以及主要激勵力作用下的全船振動響應(yīng)。同時，對部分振動響應(yīng)幅值較大的區(qū)域進行了減振改進，仿真模擬結(jié)果顯示效果良好。

(1)通過船型固有振動頻率和主要激勵源的頻率對比分析，本船型不會發(fā)生嚴(yán)重的共振情況。同時由于休閑漁船自身的特性，其空載到港和滿載港工況下的固有頻率并無明顯的區(qū)別。

(2)在空載到港和滿載返港的工況下，除個別區(qū)域加速度響應(yīng)幅值接近嚴(yán)重振動的上限值，各區(qū)域的振動響應(yīng)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。鑒于船型建造接近完工，通過在艙底增加混凝土壓載、增強觀光區(qū)甲板結(jié)構(gòu)的強度、機艙內(nèi)增設(shè)支柱等有效措施，有效地降低了相應(yīng)區(qū)域的振動響應(yīng)，可為現(xiàn)有休閑漁船的減振改進提供依據(jù)，也可為同類型船型的設(shè)計提供借鑒。