带尾滑道船型艉部结构振动固有特性分析
2015-01-01韩正君梁程诚梅永娟
韩正君，梁程诚，梅永娟
（1. 中国舰船研究设计中心，上海 201108 2. 浙江工业大学建筑工程学院，杭州 310014）
0 引 言
船舶尾部振动是船舶结构局部振动的主要形式之一，是船舶结构工程研究的热点[1-4]。带尾滑道船型对艉部振动的要求较高，加之采用了调距螺旋桨，转速变化范围较大，容易产生共振，因此有必要在初步设计阶段进行船舶的动力学特性预报[5]。
建立了某型带尾滑道船尾部结构的三维有限元模型，进行了艉部结构振动模态分析。在分析过程中，通过对比整体结构模型和局部结构模型的计算结果，发现在精度要求不高的情况下，可通过建立局部结构模型的方法来进行计算确定其所需的固有频率，这样能够大幅度提高分析的效率。
1 有限元模型
1.1 船型及航区
分析的目标船型为某型带尾滑道船型，船体艉部主要构件均采用普通船用结构钢，横骨架式结构。本船航区为中国沿海，柴油机驱动，双机双桨，巡航速度为16kn，4叶调距螺旋桨，转速为226～269r/min。
1.2 模型范围
按照目标船船尾结构设计方案，取全宽、全高范围内的船尾结构。模型按照设计方案的要求加入诸如板缝、肘板、开孔等构造细节。有限元模型全貌见图1。
1.3 坐标系
模型采用右手直角坐标系：x轴沿船长方向，向船首为正；z轴沿高度方向，向上为正；y轴沿船宽方向，向左舷为正。
1.4 单元及网格
计算模型中采用了以下3类单元：
1) 板壳（shell）单元模拟船体结构中各种板壳结构，以及货舱区内高度超过300mm的扶强材腹板。板壳单元边长基于纵骨间距和肋骨间距的 1/2，以四边形单元为主(绝大多数为矩形)，边长比不超过1:2。在连接、过渡及曲率变化较大的地方采用少量三角形单元；
2) 梁（beam）单元模拟各种纵骨、加强筋、高腹板扶强材的面板，以及艉部结构中各层甲板的悬伸部分[6]。梁单元均依板壳单元的边建立，其长度与之相适应，其单元属性按照实际情况考虑截面、偏心的影响；
3) 点（point）单元模拟舷外附连水、货物、各种设备、舾装、油水等质量。点单元分别分布在外壳湿表面、艉滑道、压载舱、舵、螺旋桨、系缆桩等部位。
图1 有限元模型全貌
2 质量分布
2.1 结构质量
船体结构（钢料）的质量根据材料密度由程序自动计算，按照耦合（couple）质量方法处理。其中将焊缝、“舾装”中的油漆重量等，按+5%计入，修改钢材的质量密度为ρ=8.25×10-9t/mm3。
2.2 设备和油水质量
该船尾部的设备、舾装、装置按相关图纸所示。按照其质心所在位置加质量点单元，该单元采用MPC（多点约束）与相应的船体结构相连。压载水的质量通过质量单元均布在压载舱的节点上。
2.3 附连水质量
附连水质量对于船体梁的振动特性有明显的影响，计入附连水质量的模态分析得到的是船体结构的“湿模态”。根据CCS（中国船级社）《船上振动控制指南》[7]第11章规定的方法计算附连水质量。
3 边界条件
在机舱舱壁所在肋位施加约束XYZ方向的位移和转角（见图2）。上甲板和下甲板局部板架的有限元计算，模型包含了一部分与甲板相连的舷侧结构，在舷侧结构的边缘点设置XYZ方向的位移约束（见图3、4）。
图2 整体模型的边界条件
图3 上甲板局部模型
图4 下甲板局部模型
4 局部板架振动
4.1 整体模型
采用整体模型，施加板架振动的附连水质量，计算得到艉部板架结构满载、压载状态，前2阶湿模态（考虑附连水质量）的固有频率结果（见表1）；第一阶、第二阶板架振动的振型云图（见图5～8）。
图5 上甲板垂向第一阶（满载）
图6 上甲板垂向第二阶（满载）
图7 下甲板垂向第一阶（满载）
图8 下甲板垂向第二阶（满载）
4.2 局部模型
采用局部模型，施加板架振动的附连水质量，计算得到艉部板架结构满载、压载状态，前2阶湿模态(考虑附连水质量)的固有频率结果（见表1）；第一阶、第二阶板架振动的振型云图（见图9～11），I平台与底部结构的第一阶振型云图（见图12）。
图10 局部模型的上甲板垂向第二阶振型（满载）
图11 局部模型的下甲板垂向第一、二阶振型（满载）
图12 I平台与底部结构垂向第一阶（满载）
表1 满载（垂向）的板架结构固有频率
5 结果分析
该船为4叶调距螺旋桨转速为226～269r/min，则最低叶频为15.071/s，最高叶频为17.931/s。根据CCS《船上振动控制指南》，对于上层建筑（含艉部），要求其首阶固有频率与主要的激励频率一般应错开±10%～±15%。因此，该船结构固有频率有两种工况：① <12.811/s；②>20.621/s。
按照计算结果，下甲板和I平台与底部结构的第一阶、第二阶频率都>20.621/s。因此，艉部整体和水下局部结构都不会与螺旋桨出现共振。但上甲板的频率<20.621/s，虽然不会发生共振，但在螺旋桨高速运转时其振动将较大，可考虑适当加强。
从整体结构模型和局部结构模型中的上、下甲板的固有频率计算结果中可以看出，由整体结构模型得出的上、下甲板第一阶、第二阶频率与由局部模型得出的结果相差不大，误差范围在2.2%～11.3%，并随着固有频率的增大而减小。这些误差是由于局部结构模型所施加的约束与整体结构之间的偏差所致。
6 结 语
计算结果表明，带尾滑道船不会发生艉部共振。在某带尾滑道船尾部结构振动的有限元分析中，通过对整体与局部结构模型的对比，提出只建立局部结构模型，加以适当约束计算得出所需的固有频率，以此来替代整体建模计算的方法。该方法适用于精度要求不高的情况，其误差随着所需固有频率的增大而减小。
[1] 梅永娟，曹志岗，杨德庆，等. 改装舰艇艉部振动数值预报方法[J]. 振动与噪声控制，2013（2）：173-175.
[2] 郭日修，索志强. 我国船舶振动研究的回顾与展望（上）[J]. 振动与冲击，1989（1）：61-65.
[3] 郭日修，索志强. 我国船舶振动研究的回顾与展望（下）[J]. 振动与冲击，1989（2）：66-73.
[4] 翁长俭. 我国船舶振动冲击与噪音研究近年进展[J]. 中国造船，2001，42（3）：68-84.
[5] 石 勇，朱 锡. 整船结构振动分析中的几个问题[J]. 船海工程，2002，4（6）：12-15.
[6] 高志龙，邵有信，刘晓明. 船舶整体结构3D-FEM振动分析[J]. 振动与冲击，1996，15（4）：73-78.
[7] 中国船级社. 船上振动控制指南（GD026-2000）[S]. 北京：中国船级社，2000.
