孫澤仁，周 宏

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶航行時產(chǎn)生振動的原因各不相同，振動響應的范圍和程度也有所不同。依據(jù)振動響應的范圍大小，振動可分為總體振動和局部振動。若引起振動的激勵載荷足夠大，如主機不平衡載荷，其可能引發(fā)船舶結構的總體振動，此時船體結構的振動響應頻率和激勵頻率一致，表現(xiàn)為船體梁大范圍的同頻振動；若激勵載荷較小，如柴油主發(fā)電機工作時的振動載荷，其僅會引發(fā)附近相連結構的局部振動?？傮w振動和局部振動都有可能產(chǎn)生較大的振動響應，如不加以控制，不僅不利于船員身心健康，還會引起結構構件的疲勞性破壞或機械設備的故障，影響船舶正常運營。因此，有效控制船上振動是保證船舶的居住性、安全性和功能性的重要措施[1]。

在實際的船舶振動控制中，振動控制有2種思路：①避免共振，使得結構設計的固有頻率與激振頻率錯開一定范圍，一般為15%～20%，即在限制頻率帶范圍以外，一般增加結構的剛度使得其最低固有頻率大于限制頻率帶的上限；②在無法避免共振的情況下，可改善剛度設計，如強結構對齊等。第1種振動控制思路一般適合于局部振動控制，在船舶總體振動控制中多采用第2種振動控制思路。若可行，2種思路同時采用，效果更佳。

本文以某15萬t油船的SCR結構平臺為研究對象，首先根據(jù)綜合反饋信息進行定性判斷，初步確定引起其明顯振動的原因；其次利用有限元方法對分析結果進行數(shù)值驗證，以提高該區(qū)域的局部結構的最低固有頻率為原則，設計振動改進方案；最后通過同型姐妹船實船試航測試數(shù)據(jù)驗證前期分析的可靠性和振動改善方案的有效性，為后續(xù)船舶結構持續(xù)振動改進設計提供必要的技術支撐。

1 船舶概況

1.1 船舶主要尺度和參數(shù)

某15萬t油船主要參數(shù)如下：

總長274.30 m，垂線間長269.90 m，型寬48.00 m，型深23.20 m，結構吃水17.15 m，載重噸156 000 t，服務航速14.5 kn。該船配備1臺MAN B&W 6G70ME-C9.5主機，最大持續(xù)功率(MCR)和轉(zhuǎn)速為15 100 kW×72.0 r/min，正常持續(xù)功率(NCR)和轉(zhuǎn)速為11 476 kW×65.7 r/min；配備1只4葉固定螺距槳。

1.2 案例背景

該油船為已交付船東的首制船，第2艘姐妹船正在塢內(nèi)搭載，機艙分段吊裝已結束。該船所選用的主機高壓SCR脫NOx裝置，與其他相同船比體積略大，因此設計時在機艙開口延伸局部結構平臺用于布置該發(fā)生器，見圖1。營運船反饋：主機轉(zhuǎn)速為60 r/min且SCR工作下，壓載吃水工況時，平臺結構和主機排氣管有明顯的振動；超過或低于該轉(zhuǎn)速時，SCR平臺振動現(xiàn)象不明顯。

2 結構振動原因定性分析和數(shù)值驗證

2.1 結構振動原因定性分析

(1)SCR工作時，主機廢氣排放產(chǎn)生的載荷對支撐平臺的強度問題已在原設計中得到解決，并通過了船東和船級社審核，所以可以排除動載荷引起的因結構強度不夠的大變形問題。

(2)在原橫撐平臺設計中按要求考慮了主機機架通過橫撐引起的振動，并且橫撐平臺與SCR平臺不在同一位置，因此排除由主機機架引起的SCR平臺明顯振動問題。

(3)根據(jù)經(jīng)驗，SCR結構平臺的最低固有頻率一般為5～8 Hz左右，同時經(jīng)過SCR管道的廢氣排放頻率和主機的工作頻率一致且主機為6缸機，因此廢氣排放頻率在主機60 r/min時為6 Hz，落在限制頻率帶范圍內(nèi)。

綜上，在主機60 r/min時，經(jīng)SCR管道的廢氣排放頻率和SCR結構平臺的最低固有頻率耦合發(fā)生共振是引起SCR平臺明顯振動的主要原因。

2.2 結構振動有限元計算

2.2.1 模型建立

為驗證定性分析的可靠性，采用通用有限元軟件MSC.Patran & Nastran的SQL103模塊對SCR平臺結構進行建模分析，根據(jù)機艙結構圖紙建立三維計算模型。

模型范圍：機艙二甲板SCR位置的結構位于縱向Fr.14～Fr.51、橫向左、右舷距中7 650 mm；局部的支承構件如小肘板等不計入模型中，桁材、強梁的開孔忽略不計。

單元：殼單元模擬甲板、縱桁板等強構件；梁單元模擬各種板結構的縱骨、橫梁、支柱、桁架等桿件結構，以及強構件的面板等；質(zhì)點單元模擬SCR反應器和汽化器的重量。按實際構件排布劃分單元，計算模型見圖2。

圖2 原設計有限元計算模型

2.2.2 邊界條件

模型范圍選取在強構件或艙壁位置處，同時根據(jù)實際位移轉(zhuǎn)角情況，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

2.2.3 計算結果

經(jīng)計算，原設計SCR平臺一階固有頻率f約為5.15 Hz，見圖3。此頻率落在主機SCR排氣激勵頻率(主機轉(zhuǎn)速60 r/min，f=6 Hz)的限制振動帶范圍內(nèi)，驗證了前面的定性分析結果。

圖3 原設計振動計算結果

2.2.4 振動改進方案的設計和選擇

后續(xù)的改進方案應以提高平臺剛度并避開主機MCR轉(zhuǎn)速時的共振限制頻率帶范圍(0～8.64 Hz)為原則，尤其以提高平臺右舷SCR反應器范圍內(nèi)X向的抗轉(zhuǎn)角剛度為重點，確定了3個振動改進方案。

方案1：將汽化器處突出的平臺首、尾補全，并加大距中1 180 mm處的縱桁。

方案2：在方案1的基礎上加大L04位置處的縱桁。

方案3：在汽化器和排氣管安裝位置、平臺正面采用工字梁H350 mm×20 mm +350 mm×20 mm和H560 mm×20 mm +350 mm×20 mm組合成桁架結構，并將端部與右舷距中7 650 mm機艙甲板間立柱固定以增加橫向剛度，并在汽化器平臺處首、尾用工字鋼連接補強。

方案1～方案3的計算結果見圖4～圖6，對比結果見表2。由于方案3能有效地提高SCR平臺X向的抗轉(zhuǎn)角剛度，并且能有效避開MCR主機轉(zhuǎn)速時的限制頻率帶(f=10.49 Hz > 8.64 Hz)，結合已交付和在建姐妹船的現(xiàn)狀，機艙設備、管舾件和電纜等錯綜復雜，且無法考慮重新布置平臺縱桁，在機艙平臺以下空間受限情況不可能做任何大的改動，因此選擇方案3作為最終的振動改進實施方案。

圖4 方案1計算結果

圖5 方案2計算結果

圖6 方案3計算結果

表2 不同振動改善方案計算結果對比

3 實船測試

在姐妹船試航中對該平臺的改進區(qū)域進行了振動測試，風速蒲福風力4級，水深58 m，結果見表3。從數(shù)據(jù)結果來看，滿足ISO 6954—2000 振動標準要求,即C類工作區(qū)域的頻率計權方根值的限值為8.0 mm/s[2],振動結果也滿足船員舒適性要求，同時也印證了前期分析、計算結果的有效性和可靠性。

表3 SCR平臺振動測量結果

4 結論

(1)使用重大新設備或不同廠家設備前，要深入了解設備的原理及各參數(shù)要求。在考慮設備本身可能產(chǎn)生振動的影響和振動特性后，將設備合理布置在剛度大的結構上，避免后期繁瑣的整改，影響船舶設計建造質(zhì)量。

(2)結構設計時，不僅要考慮布置和強度問題，還要考慮剛度問題，特別是有結構振動疲勞風險的區(qū)域，如SCR平臺、透氣桅桿、燈桅、雷達桅平臺或其他重要設備的基座區(qū)域等。通?？商岣呓Y構剛度，設計使該區(qū)域的最低固有頻率在限制頻率帶范圍之外即可；若難以避免，可采用吸能減振措施或利用簡化公式估算使其滿足振動響應規(guī)范要求。

(3)由于振動問題本身的復雜性，當出現(xiàn)振動問題時要采用定性分析和定量計算相結合的辦法，最終徹底有效地解決問題并積累可靠的經(jīng)驗。

(4)在進行振動測量時，所有的振動測量點應布置在強結構上。