摘 要：破冰型LNG運(yùn)輸船航行時(shí)，將不可避免地與水面的漂浮冰層或者大面積的完整冰層碰撞，碰撞產(chǎn)生的冰載荷將成為影響LNG運(yùn)輸船航行安全的一個(gè)重要因素。針對薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)展開試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的振動響應(yīng)，結(jié)果表明：沿著圍護(hù)系統(tǒng)短邊上表面?zhèn)鬟f阻抗級比下底板最多高2.2 dB，沿著圍護(hù)系統(tǒng)長邊傳遞阻抗級最多高6.0 dB；分析圍護(hù)系統(tǒng)振級落差，發(fā)現(xiàn)外圍箱體平均振級落差在7.5 dB左右?？紤]到中心箱體底板處有加強(qiáng)肋板的緣故，其測點(diǎn)的振級落差比外圍箱體高1～2 dB，說明薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)具有良好的隔振性能。

關(guān)鍵詞：LNG船；圍護(hù)系統(tǒng)；抗振性能；振級落差；試驗(yàn)分析

中圖分類號：U661.44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0068-05

Experimental Study on Vibration Resistance of Thin-film LNG Ship Enclosure System

Abstract：In ice-breaking LNG carrier sailing， the inevitable collision with floating ice on the water surface or a large area of intact ice will generate ice load， an important factor affecting the safety of LNG carrier， as to which， tests are conducted on the vibration response of the enclosure system of thin-film LNG ship and their results are further calculated. The results show that the impedance level of transmission along the short side of the enclosure system is at most 2.2 dB higher than that of the lower bottom plate， and the impedance level of transmission along the long side of the enclosure system is at most 6.0 dB higher. With the analysis on the vibration level drop of the enclosure system， the average vibration level drop is found to be around 7.5 dB. Considering the availability of reinforced ribs at the bottom of the central box， the vibration level drop of the measurement point is 1～2 dB higher than that of the peripheral box， which demonstrates that the film type enclosure system has good vibration isolation performance.

Keywords：LNG ship；enclosure system；vibration resistance；vibration level difference；experimental analysis

0 引言

伴隨著北極航道的開通，不僅減少了時(shí)間與成本，更是降低了航行的風(fēng)險(xiǎn)。因此船舶在航行過程中發(fā)生碰撞的可能性更低，但是北極航道存在大量的浮冰，因此破冰型LNG船就發(fā)揮了重要的作用。在破冰過程中LNG船的圍護(hù)系統(tǒng)的抗沖擊性能非常重要，保障了貨物運(yùn)輸過程中的安全。

近年來，有關(guān)LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的抗振動沖擊特性引起了眾多的研究。BUNNIK等［1］和LEE等［2］使用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了碰撞沖擊載荷。RYU等［3］研究了兩排LNG貨物晃動沖擊載荷的設(shè)計(jì)、沖擊載荷的設(shè)計(jì)、沖擊模型測試。同時(shí)，KIM［4］研究了LNG貨艙的快速響應(yīng)計(jì)算，使用小波變換，研究了LNG貨物安全殼系統(tǒng)對沖擊載荷的快速響應(yīng)計(jì)算。KIM等［5］對GTT MARK III型貨物密封系統(tǒng)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。ARSWENDY等［6］進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以確定作為薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)一部分的T形膠合板試樣的屈曲和壓碎強(qiáng)度。LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)荷載情況應(yīng)來自動態(tài)沖擊，如晃動等。因此，對系統(tǒng)動態(tài)屈曲強(qiáng)度的研究非常關(guān)鍵。FAN等［7］使用鋼焊接結(jié)構(gòu)的非線性有限元方法對加筋板進(jìn)行了動態(tài)和靜態(tài)屈曲分析。同時(shí)，RAVI等［8］進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以發(fā)現(xiàn)多個(gè)孔對鋁材料動態(tài)屈曲能力的影響。THANG等［9］通過分析和數(shù)值方法研究了S形功能梯度材料環(huán)形殼體節(jié)段的非線性屈曲。此外，RAMEZANNEJAD等［10］和KUBIAK［11］使用分析方法研究了邊界條件對動態(tài)屈曲行為的影響。BISAGNI［12］通過數(shù)值方法研究了圓柱形結(jié)構(gòu)薄壁碳纖維材料的動態(tài)屈曲。雷曉燕等［13］通過試驗(yàn)，對嵌入式軌道實(shí)尺模型進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，探究該軌道形式中鋼軌的振動特性。熊聰?shù)龋?4］基于兩自由度系統(tǒng)的振動傳遞規(guī)律，分析得到軌道車輛車體和構(gòu)架的幅頻特性及基礎(chǔ)與車體和構(gòu)架的振動傳遞率，分析了一系、二系的阻尼比及剛度等懸掛參數(shù)對車體和構(gòu)架的振動影響規(guī)律。

目前關(guān)于薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)整體振動特性的實(shí)驗(yàn)較少，而且破冰型LNG運(yùn)輸船航行時(shí)，將不可避免地與水面的漂浮冰層或者大面積的完整冰層碰撞，碰撞產(chǎn)生的冰載荷將成為影響LNG運(yùn)輸船航行安全的一個(gè)重要因素。因此，研究破冰型LNG運(yùn)輸船抗振圍護(hù)系統(tǒng)的振動傳遞特性具有重要意義。

1 圍護(hù)系統(tǒng)振動試驗(yàn)

1.1 振動試驗(yàn)原理

機(jī)械阻抗定義為簡諧激振力與簡諧運(yùn)動響應(yīng)的復(fù)數(shù)式之比。根據(jù)所選取的運(yùn)動量，機(jī)械阻抗可分為位移阻抗、速度阻抗和加速度阻抗3種。本次試驗(yàn)選用的運(yùn)動響應(yīng)為加速度，在單點(diǎn)激勵(lì)下，激勵(lì)力向量與加速度響應(yīng)向量的比值即為模擬樣機(jī)的加速度阻抗。加速度阻抗分為原點(diǎn)阻抗（加速度響應(yīng)點(diǎn)與激勵(lì)點(diǎn)在同一位置）和傳遞阻抗（加速度響應(yīng)點(diǎn)與激勵(lì)點(diǎn)位置不同）兩類。

加速度阻抗定義為

式中：k為激勵(lì)力作用點(diǎn)的位置；l為響應(yīng)測試點(diǎn)的位置；j為激勵(lì)力作用的方向 （x，y，z ）；i為響應(yīng)測試的方向 （x，y，z）。

模擬樣機(jī)的原點(diǎn)阻抗為

圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)阻抗為圍護(hù)系統(tǒng)激勵(lì)點(diǎn)的力和加速度之比：

圍護(hù)系統(tǒng)的傳遞阻抗為圍護(hù)系統(tǒng)激勵(lì)點(diǎn)的力與響應(yīng)端的加速度之比：

振級落差La是由輸入端和響應(yīng)端的振動加速度ain和aout計(jì)算得到的。

1.2 薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)是LNG船圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種主要類型［15］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)八邊形的液貨艙。每個(gè)液貨艙由10個(gè)面構(gòu)成。每個(gè)面由主次兩層屏蔽層構(gòu)成，每個(gè)屏蔽層都由殷瓦薄膜及剛性絕緣的絕緣箱組成。液貨艙兩個(gè)面交界處由殷瓦管或復(fù)合梁連接，3個(gè)面的交界處由三面體連接。沿艙室內(nèi)邊界向艙室內(nèi)方向排列的結(jié)構(gòu)依次為次絕緣箱、次絕緣屏、主絕緣箱、主絕緣屏。主絕緣箱和次絕緣箱由木質(zhì)層合板通過訂裝方式組合為箱型，箱內(nèi)安裝相同材料的橫、縱向隔板起到承載和傳遞力的作用，隔板與隔板之間用玻璃棉填充起到保溫效果。緊固螺栓安裝在絕緣箱四角起到固定位置作用，樹脂繩鋪設(shè)在次絕緣箱與船體內(nèi)板之間維持主絕緣層面板平整。

1.3 振動試驗(yàn)流程

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由力錘（附帶力傳感器）、加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。通過采集的力和加速度響應(yīng)得到圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗，測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

激勵(lì)系統(tǒng)采用INV9314型力錘（包含力傳感器），試驗(yàn)需要力錘提供覆蓋0～3 000Hz頻率范圍的激振力，同時(shí)要保證激勵(lì)和響應(yīng)都有足夠的信噪比。如圖3—圖4所示，加速度傳感器為Bamp;K 4506B型號三向傳感器。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)為32通道的LMS信號采集系統(tǒng)，采樣頻率范圍為0～3 000Hz，間隔為1Hz。

試驗(yàn)條件采用自由邊界，由行車自由懸掛模型實(shí)現(xiàn)。阻抗及振級落差試驗(yàn)的步驟如下：1）安裝傳感器，將加速度傳感器依次安裝在各測點(diǎn)處；2）檢查激勵(lì)和響應(yīng)信號的信噪比，通常在兩端自由的工況下測試頻段內(nèi)的信噪比，應(yīng)大于5dB；3）進(jìn)行激勵(lì)，使用力錘對激勵(lì)點(diǎn)施加激勵(lì)；4）數(shù)據(jù)采集，振動采集分析系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)，進(jìn)行力與振動加速度信號的采集；5）數(shù)據(jù)處理，提取激勵(lì)的時(shí)域加速度信號和力信號分析結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性，根據(jù)頻域加速度信號和力信號計(jì)算結(jié)構(gòu)測點(diǎn)傳遞阻抗，分析結(jié)構(gòu)振動特性。

測點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)布置如圖5所示，共布置了32個(gè)測點(diǎn)，分布在圍護(hù)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)9個(gè)箱體的節(jié)點(diǎn)處。激勵(lì)點(diǎn)設(shè)置在圍護(hù)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)中心位置。測試前用酒精擦拭測試部位，這個(gè)步驟是用來去除圍護(hù)系統(tǒng)表面的臟污，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在激勵(lì)點(diǎn)使用力錘進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)方向?yàn)閲o(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)底板的法向（圍護(hù)系統(tǒng)模型的z方向）。

2 振動試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 圍護(hù)系統(tǒng)阻抗結(jié)果分析

考慮到對稱效應(yīng)，只選取薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)單側(cè)的測點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行展示。分別選取圍護(hù)系統(tǒng)的單側(cè)長邊和短邊作為研究對象，選取測點(diǎn)1和1′、測點(diǎn)4和4′。將阻抗數(shù)據(jù)取傳遞阻抗級，為了使數(shù)據(jù)顯得更加直觀以及船舶振動頻率分析主要在200Hz以下的低頻，取阻抗級數(shù)據(jù)在10～200Hz的1/3倍頻程，圍護(hù)系統(tǒng)短邊傳遞阻抗級結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出在10～16Hz，各點(diǎn)傳遞阻抗級隨頻率增大呈現(xiàn)整體增大的趨勢，在上表面點(diǎn)1′處，達(dá)到最大值50dB，相比較下底板點(diǎn)1處的43dB高了7dB， 在上表面點(diǎn)4′處，達(dá)到最大值48dB，相比較下底板點(diǎn)4處的36dB高了12dB?？梢园l(fā)現(xiàn)圍護(hù)系統(tǒng)在16Hz處的隔振性能最好。4個(gè)點(diǎn)在10Hz處的傳遞阻抗級最小，說明圍護(hù)系統(tǒng)在10Hz處的隔振性能最差。1′點(diǎn)平均傳遞阻抗級為37.8dB，1點(diǎn)平均傳遞阻抗級為38.2dB，提高了0.4dB。4′點(diǎn)平均傳遞阻抗級為40dB，4點(diǎn)平均傳遞阻抗級為37.8dB，提高了2.2dB。這證明圍護(hù)系統(tǒng)能夠降低振動的傳遞，并且振動沿著圍護(hù)系統(tǒng)的短邊，有著明顯的衰減過程。故可以看出，沿著圍護(hù)系統(tǒng)的短邊方向，圍護(hù)系統(tǒng)對振動的抑制能力強(qiáng)。

圍護(hù)系統(tǒng)長邊傳遞阻抗級結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出在10～100Hz范圍內(nèi)，各點(diǎn)傳遞阻抗級幅值隨頻率增大而增大，在12.5Hz、31Hz、64Hz出現(xiàn)峰值，說明在這幾個(gè)峰值圍護(hù)系統(tǒng)對振動的抑制較明顯；在20Hz、50Hz出現(xiàn)了低谷，說明圍護(hù)系統(tǒng)在這兩個(gè)頻率對振動的抑制較弱。5′點(diǎn)處的平均傳遞阻抗級為41dB，5點(diǎn)處的平均傳遞阻抗級為36.8dB。在5′點(diǎn)和5點(diǎn)處，上表面相對于下表面提升了4.2dB。13′點(diǎn)處平均傳遞阻抗級為44.6dB。13點(diǎn)處平均傳遞阻抗級36.6dB。在13′點(diǎn)和13點(diǎn)處，上表面相對于下表面提升了8dB?？傮w來說，圍護(hù)系統(tǒng)具有一定的隔振效果，并且長邊的隔振效果明顯要優(yōu)于短邊。原因在于圍護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部，沿長邊分布的肋板數(shù)量明顯要多于沿短邊分布的肋板數(shù)量。

2.2 圍護(hù)系統(tǒng)振級落差結(jié)果分析

圖8所示為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)外圍測點(diǎn)在10～200Hz測點(diǎn)振級落差隨頻率變化示意圖。圖中在測點(diǎn)13—13′處，振級落差在20Hz時(shí)可以高達(dá)19.4dB，測點(diǎn)1-1′在50Hz處達(dá)到最大峰值15.5dB，測點(diǎn)4-4′在160Hz達(dá)到最大峰值10.2dB，測點(diǎn)16-16′在64Hz處達(dá)到最大峰值10.8dB，除了測點(diǎn)13-13′，其余4組測點(diǎn)平均振級落差在7.5dB左右。峰值大多集中在頻率100Hz范圍內(nèi)，說明薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)在10～200Hz頻段范圍內(nèi)的隔振性能總體良好。

圖9所示為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)中心箱體測點(diǎn)在10～200Hz振級落差隨頻率變化示意圖。各點(diǎn)振級落差響應(yīng)幅值隨頻率的增大而呈現(xiàn)整體增大的趨勢，在10～100Hz，出現(xiàn)了幾個(gè)峰值，如測點(diǎn)11-11′在16Hz處達(dá)到最大峰值15.4dB，測點(diǎn)10-10′在31.5Hz處達(dá)到最大峰值11.2dB，測點(diǎn)6-6′在64Hz達(dá)到11.8dB。這說明圍護(hù)系統(tǒng)在10～100Hz具有較好的隔振性能，測點(diǎn)6-6′處平均振級落差值為8.4dB，測點(diǎn)7-7′處平均振級落差值為9.2dB，測點(diǎn)10-10′平均振級落差值為10.1dB，對比外圍箱體，中心箱體測點(diǎn)振級落差明顯高于外圍箱體1～2dB，說明中心箱體隔振性能較優(yōu)。這主要是因?yàn)橹行南潴w底板下面相比其他外圍箱體底板多一條加強(qiáng)肋板（圖10）的原因。

3 結(jié)語

本文通過對薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行抗振動性能試驗(yàn)分析，從阻抗和振級落差得出如下結(jié)論。

1）薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)上表面測點(diǎn)的傳遞阻抗級總體上大于下底板測點(diǎn)的傳遞阻抗級，說明圍護(hù)系統(tǒng)具有一定的振動抑制性能。因圍護(hù)系統(tǒng)長邊分布肋板較多，圍護(hù)系統(tǒng)長邊對振動抑制性能明顯要優(yōu)于短邊。圍護(hù)系統(tǒng)在12.5Hz、31Hz、64Hz出現(xiàn)明顯峰值，說明在這些頻率下，圍護(hù)系統(tǒng)具有良好的隔振性能。短邊測點(diǎn)1和1′處傳遞阻抗級提升0.4dB，測點(diǎn)4和4′處提升2.2dB。長邊測點(diǎn)5和5′處提升4.2dB，13和13′處提升8dB。

2）薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的振級落差總體在7～10dB，且中心箱體要比外圍箱體高1～2dB，圍護(hù)系統(tǒng)振級落差的峰值主要集中在10～100Hz，說明圍護(hù)系統(tǒng)在此頻率范圍內(nèi)的隔振性能較好。

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