某自卸沙船总振动预报与分析

欧礼坚　霍浩杰　徐海汐

摘 要：基于通用有限元分析软件ANSYS，采用有限元法对某自卸沙船总振动进行了仿真计算和分析预报；将有限元法计算结果与经验公式计算结果进行比较。此外，将船体总振动固有频率与主机及螺旋桨的固有频率对比分析，其结果证实目标船总振动固有频率储备满足《船上振动控制指南（2012）》要求。

关键词：自卸沙船；总振动；有限元法

中图分类号： U661.31； U661.313； 文献标识码 A

Abstract：By using the finite element analysis software ANSYS， the overall vibration of a self-unloading sand ship is simulated and analyzed and the calculation results are compared with the values calculated by empirical formula. After compared with the frequencies of the ship engine and propeller， the natural frequency of the self-unloading sand ship is proved to meet the requirements of the Guidelines for Shipboard Vibration Control （2012）.

Key words：Self-unloading sand ship； Overall vibration； Finite element method （FEM）

1 引言

船舶的舒适性日益受到关注，为了减少船舶振动对船员、机械设备及强度等造成影响，船舶振动越来越受到船东、船级社以及设计者的重视。船体属于复杂的弹性结构，其振动问题非常复杂。船体振动会引起结构构件的交变应力，加速结构的疲劳损伤；也会令船员或旅客舒适度下降；甚至会导致船上精密仪器失灵。中国船级社《国内航行海船建造规范》（2012）[2]定义的自卸沙船，其结构特点与其它船型有较大的区别，属于较新颖的结构布置。为了分析自卸沙船的固有振动特性，采用ANSYS分析软件，利用有限元方法进行模态分析，对船体总振动频率作出预报，避免与主要设备发生共振。

2 船体总振动有限元法模型的建立

2.1 有限元基本理论

有限元法将结构离散成很多单元（如杆元、梁元、膜元及板元等），通过节点处连接而构成计算模型；计算单元刚度矩阵，组装成整个船体结构的刚度矩阵；采用集中质量法或一致质量法计算质量矩阵。在计算船体结构固有振动频率时，可不计阻尼影响，将船体梁振动问题离散化为多自由度系统的自由振动方程：

2.2 目标船主要参数及结构特点

某自卸沙船总长96.40 m、 设计水线长88.673 m、 两柱间长87.93 m、型宽18.20 m、型深5.60 m、设计吃水4.50 m、 肋距0.55 m。货舱区采用双舷、两道纵舱壁、砂斗载货甲板；内舷与纵壁间设双层底；机舱及首尾舱为单层底、单甲板；货舱区为纵骨架式；首尾为横骨架式。自卸沙船的典型横剖面结构如图1所示。

螺旋桨为MAU4-50型、直径2.38 m、螺距比0.748、盘面比0.5、叶数4、后倾角12°、旋向为外旋、设计转速为194.4 r/min；主机型号为KT38-M、额定功率为374 kW、额度转速为1 600 r/min、缸径×行程为159 mm×159 mm；齿轮箱型号为HCT600A/1、减速比为8.23：1。

2.3 结构有限元模型的建立

有限元几何模型及有限元模型如图2所示[3]。船体的外板、甲板、舱壁、尾封板等板材使用shell 181来模拟；肋骨、龙骨、桁材、横梁等骨材使用beam 188来模拟；质量使用质量单元mass 21来模拟；网格划分中设置梁单元、壳单元的单元长度为一个肋距，即550 mm。计算模型包括beam 188单元共43 909个，shell 181单元共54 062个，mass 21单元共59个。

2.4 附连水质量的计算与加载

2.5 边界条件

计算自由振动时不施加任何边界条件，即进行自由模态计算。

3 船体梁总振动计算结果及评价

目标船在满载、压载工况下，垂向振动前3阶、水平振动前2阶总体振动固有频率与主要设备激励频率（主机转速为1 600 r/min，螺旋桨转速为194.4 r/min）的储备情况见表1；目标船在满载、压载工况下的垂向1阶弯曲振动的振型图分别见图3、图4。根据《船上振动控制指南（2012）》[1]经验公式的估算结果见表2。

4 结论

基于通用有限元分析软件ANSYS，采用有限元法对某自卸沙船总振动进行了仿真计算和分析预报，结果表明，目标船总振动固有频率储备满足《船上振动控制指南（2012）》要求。

有限元法计算结果与经验公式估算结果进行比较；两者的结果比较接近。自卸沙船作为新船型，虽然其结构特点与其它船型不同，但是经验公式估算方法也依然适用。

参考文献

[1] 中国船级社.船上振动控制指南[S].人民交通出版社，2012.

[2] 中国船级社.国内航行海船建造规范[S].人民交通出版社，2012.

[3] 熊志鑫.船体结构有限元建模与分析[S].上海交通大学出版社，2014.endprint