大型液化气船振动计算分析

王辉辉，王秀兰，江克进

（沪东中华造船（集团）有限公司开发研究所，上海 200129）

0 引 言

在大型液化气（LNG）船自主开发设计中，船舶振动是船舶性能的重要指标之一。国内首次建造的14.7万m3LNG船是在引进国外图纸基础上改进设计的。该船总振动性能良好，上层建筑振动可以满足ISO相关振动标准，但未达到合同要求的舒适区范围。尾端、直升机平台的振动水平较高。

在深入研究14.7万m3LNG船振动分析报告的基础上，沪东中华造船（集团）有限公司在以17万m3系列LNG船为代表的大型LNG船的自主研发过程中，做了多方面的改进设计，并应用有限元法，对该船总振动、上层建筑和机舱棚局部振动进行分析，并依据ISO6954-1984/2000振动标准对该船的强迫振动进行了详细的评估。

1 17万m3系列LNG船设计的改进

17万m3系列LNG船在设计方案的改进主要有以下几个方面：

1) 采用双尾鳍线型和双桨推进。由于港口条件限制，LNG船最大吃水是12m。所以随着LNG船的大型化，更大的舱容一般通过增加船宽和船长来满足。浅吃水的船体需要采用双尾鳍线型和双桨推进。采用双桨推进，不仅满足大型船舶高服务航速所需的动力要求，还能优化螺旋桨效率，提高船舶的推进效率和经济性[1]；

2) 改用5叶桨。14.7万m3LNG船使用的是4叶桨。通常，5叶桨的激振力约为4叶桨激振力的一半。根据后续有限元分析结果可见，5叶桨的叶频和倍叶频激振频率均可避开上层建筑结构整体及局部的自然频率；

3) 取消直升机平台，主甲板首尾贯通；

4) 在不影响机舱布置的前提下，尽可能考虑结构连续性，并适当增加过渡结构；

5) 对艉部线型过窄或突变处进行修改；

6) 上层建筑和机舱棚区域布置与构件选取重点考虑船体振动要求，在大量计算分析的基础上，采取针对性的加强措施。

2 计算模型

2.1 货舱结构概况

17万m3系列LNG船货舱区的典型结构型式为双底、双壳、双层横舱壁、双围阱甲板，以此构成液货舱完整的双壳结构。该船载货量约17万m3，分为4个独立的液货舱。双艉鳍、双桨，配备低速柴油机和再液化系统。

2.2 结构有限元模型

采用MSC.PATRAN软件建立LNG船整船有限元模型，为保证计算精度，上层建筑甲板、艉部、机舱甲板等区域网格大小采用纵骨间距×肋距，尽可能反映所有结构细节（见图1）。

2.3 质量分布调整

船体梁质量分布正确与否对计算该船固有频率与振型非常重要，所以使模型的质量分布与实船质量分布相吻合显得尤为重要。船舶质量包括结构、舾装和设备质量等。上层建筑甲板的非结构的舾装设备质量可按单位面积均布，在缺乏精确的质量数据情况下，每平方米的初始质量分布可以按照如下标准：室内甲板区域采用75kg/m2，室外甲板区域采用30kg/m2，在重装备区域采用100kg/m2[2]；挂舵臂、舵、螺旋桨、舵机、救生艇、发电机、艏艉部舾装设备等大质量舾装件通过分布质量点模拟；模型中通过建立主机有限元模型模拟其质量与刚度；满载和轻压载两种工况下的绝缘箱、货物及压载水质量也按照实际位置分布以质量点来模拟。

附连水质量是振动计算中不能忽视的一个要素。采用三维源汇理论基于面元法进行计算。具体应用ABS PRECAL软件通过定义水动力湿表面模型，并考虑艏艉吃水高度，准确定义了两种装载工况下的附连水质量。

图1 LNG船整船结构有限元模型（半宽）

3 工况及载荷

分析考虑了大型LNG船两种典型装载工况：满载出港和压载到港。

引起船体振动的激振力，主要来自螺旋桨和主机。螺旋桨激励分为轴承力、舵力和表面脉动压力；主机激励分为1阶、2阶不平衡力矩和H、X、L型激励。

螺旋桨诱导的对船体尾部表面的脉动压力是船体振动最主要的激励源之一。该船配备2只5叶螺旋桨，单只最大转速均为84.5r/min，叶频为7.04Hz，倍叶频为14.08Hz。根据ABS PRECAL软件计算分析结果，满载工况最大工作转速时叶频和倍叶频脉动压力分布见图2、3。

该船配备低速柴油机，型号为6S70ME-C8.2。根据主机制造商提供的资料，有可能引起船体振动的较大激励为该型主机在最大转速时产生的 3阶 X型内力力矩（876kN*m）和 6阶 H型外力力矩（1536kN*m）。

图2 满载最大工作转速下叶频诱导脉动压力分布

图3 满载最大工作转速下倍叶频诱导脉动压力分布

4 分析方法

应用 MSC.NASTRAN软件分析求解。选择正则模态模块计算整船模型固有频率与振型，用频率响应分析模块计算该船体梁在主机和螺旋桨激振力作用下的响应。计算时，船体呈自由悬浮状态。

在频域响应计算中，选取合适的阻尼是非常重要的。在结构固有频率和振型都得到确认的情况下，共振时产生的响应幅值将完全取决于阻尼和激振力的大小[3]。阻尼越小，振动越剧烈。本计算中选取由ABS推荐的恒定临界阻尼值的1.5%[4]。

5 结果分析

5.1 整船模型固有频率与振型

两种装载工况下整船模型垂向弯曲振动前4谐调的固有频率及所对应的振型见表1。

表1 两种工况模型固有频率及振型

从分析结果可以看出：比较压载和满载工况，一般满载模型的自然频率较压载时低。这也符合理论分析的结果，因为满载工况模型的刚度不变而有更大的质量，而轻压载工况两舷压载舱远离中心线导致更大的扭转惯性矩。

计算结果表明，螺旋桨叶频和倍叶频均已大大超过船体垂向振动前4阶固有频率，故不会引起明显的船体垂向总振动。

5.2 上层建筑及机舱棚局部固有频率与振型

船舶像一根浮在水面上的空心梁，其自身刚度很小，所以固有频率较低。上层建筑及机舱棚局部相对船体梁而言，刚度较大，因此，在分析船体自由振动的过程中，需要将上层建筑及机舱棚的振型从整体有限元模型中分离出来，找出上层建筑及机舱棚局部的固有频率与振型。上层建筑及机舱棚局部的固有频率应至少避开螺旋桨叶频激振频率±10%以内的范围[5]。

在整体模型中可以得到上层建筑及机舱棚整体、机舱棚、局部翼桥的固有频率及相应的振型见表2。

表2 上层建筑及机舱棚固有频率及振型

计算结果表明，机舱棚纵向一阶、机舱棚及上层建筑整体横向和纵向一阶固有频率都高于螺旋桨叶频激振频率10%（7.744Hz），局部翼桥固有频率高于螺旋桨倍叶频激振频率±10%（15.488Hz），均不会引起较大的振动。

5.3 强迫振动响应

5.3.1 强迫振动衡准

ISO6954-1984/2000振动标准适用于船舶的居住和工作区域，标准推荐值见表3、4。对船体结构而言，为避免振动引起破坏，船体结构振动响应的极值一般要求<30mm/s。

表3 ISO6954-1984居住和工作区振动水平推荐值

表4 ISO6954-2000振动水平推荐值

5.3.2 强迫振动响应

强迫振动响应的典型位置依据船级社规定范围选取，上层建筑各层甲板、机舱各层平台、机舱棚各层甲板等部位均应选取相应的点进行强迫振动计算。

以上层建筑驾驶甲板为例，强迫振动响应计算的典型位置见图4，响应计算结果见表5。

上层建筑其他甲板、机舱各层平台、机舱棚各层甲板各典型位置最大速率响应计算结果见表6。

满载工况下，机舱棚C1、D1甲板速率响应见图5～8。

计算结果表明，上层建筑振动水平基本处于ISO6954-1984/2000标准的舒适区范围。机舱棚的振动水平较高，对此采取了增加支柱的加强措施，使得机舱棚各层平台的连接更加紧密。改进后的验证计算表明，机舱棚的振动水平得到改善。

图4 驾驶甲板强迫振动响应典型位置

表5 驾驶甲板最大速率响应值

表6 上层建筑甲板、机舱平台、机舱棚甲板最大速率响应值

图5 机舱棚C1甲板速率响应图（水平）

图6 机舱棚C1甲板速率响应图（垂向）

图7 机舱棚D1甲板速率响应图（水平）

图8 机舱棚D1甲板速率响应图（垂向）

6 结 语

通过对某17万m3系列LNG船在两种装载状态下的固有频率、振型分析，以及对强迫振动响应的预报，可以看出，该船绝大部分区域的振动预报值均满足ISO6954-1984/2000标准，也小于结构破坏所允许的衡准值，振动性能良好，在保证设计质量的前提下，满足振动特性技术要求。

相对于14.7万m3LNG船而言，17万m3系列LNG船由于结构等设计方案的改进而带来的振动水平改善主要表现为：

1) 对于大型LNG船而言，采用双艉鳍和双桨推进，不仅能提高螺旋桨单桨推进效率，对船体尾部结构的振动水平也有改善；

2) 4叶桨改用5叶桨后螺旋桨的叶频和倍叶频激振频率均可避开上层建筑共振区，上层建筑振动水平得到改善；

3) 尽可能考虑结构连续性对改善船体结构振动水平有利。

[1] 宋吉卫，陈红梅. 大型液化气船线性设计若干问题研究[J]. 上海造船，2011（4）：1-3.

[2] 张汇平. 87000dwt双壳散货船振动分析[C]. 沪东中华造船（集团）有限公司科学技术协会年会论文集. 2011：95-105.

[3] 张新伟，等. 40万t矿砂船全船和局部振动研究[J]. 中国造船，2011，52（1）：26-38.

[4] ABS. Guide Notes on Ship Vibration[S]. Houston：ABS Plaza，2006.

[5] O.M.帕利，等. 船舶结构力学手册[M]. 北京：国防工业出版社， 2007.