散货船上层建筑振动的初步分析

孙 倩，周 宏

（1.集美大学 轮机工程学院，福建厦门 361021；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003）

散货船上层建筑振动的初步分析

孙 倩1，周 宏2

（1.集美大学 轮机工程学院，福建厦门 361021；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003）

上层建筑是船舶的重要组成部分，它所产生的有害振动会影响到船舶的安全，文章首先简要介绍了船体上层建筑振动的计算方法，然后建立了29 800 DWT散货船上层建筑的有限元模型，并采用不同网格密度进行了该结构的模态分析。计算结果和结论可为船舶上层建筑的可靠性设计方面提供参考。

散货船；上层建筑；振动；有限元

0 引言

在大多数情况下，船体振动不会产生有害的影响，然而在船舶营运转速范围内上层建筑受外界激励可能发生共振；或者是虽然不共振，但由于激励过大和/或结构刚度较弱而造成剧烈的上层建筑的局部振动都会引起船员和旅客的不适，导致工作效率降低，船上的机械设备、仪器仪表等不能正常工作，结构的疲劳损伤加速等危害[1]。近年来船舶结构振动问题越来越得到船舶科研、设计、建造和航运部门的重视[2]，较正确地预报上层建筑结构的频率，并在设计过程中加以有效的控制对于船舶的可靠性设计和重要设备的安装具有重要意义[3]。

针对上层建筑的振动问题，目前有两种计算方法。第一种方法是经验公式法，国内外以往在这一方面进行过很多研究[4-6]，得到的是由上层建筑基本尺度描述的固有频率的近似公式[7-9]，由于考虑因素有限，该方法是存在明显局限的。第二种方法就是有限元法。近年来计算机技术和有限元计算程序获得迅猛发展，可以建立复杂的更接近于实际情况的3D有限元计算模型[10-12]来研究上层建筑的振动，能够得出更加符合实际情况的计算结果。本文采用有限元软件PATRAN/NASTRAN进行某29 800 DWT散货船上层建筑的振动分析。

1 上层建筑有限元模型的建立

1.1 主要参数

1）船体主要参数

总长：179.00 m；

型宽：25.0 m；

水线间长：173.30 m；

型深：14.10 m；

垂线间长：169.80 m；

设计吃水：10.20 m。

2）上层建筑主要参数

高度：27.1 m；

最大长度：30.2 m；

最大宽度：25.2 m。

该船属于艉机型船、单烟囱结构型式，整个上层建筑有五层，自上而下分别为罗经甲板、驾驶甲板、起居甲板、救生艇甲板和尾楼甲板。上层建筑的前端壁与下部机舱横隔壁纵向位于同一垂直面，由于机舱内无连续隔壁，因此为保证结构强度布置有若干支柱用于支撑主甲板和上层建筑。

3）参考图纸资料

29 800 DWT散货船的总布置图、基本结构图和典型横剖面图等。

1.2 有限元计算模型的建立

本文采用MSC/PATRAN有限元软件建立29 800 DWT散货船上层建筑结构的有限元模型。

1）模型坐标系

上层建筑模型坐标系统采用右手坐标系统，模型坐标系原点位于FR.26、船体中线处，X轴指向船首，Y轴指向右舷，Z轴向下。

2）模型描述

该船上层建筑前端壁位于FR.37，有限元模型范围取为FR.-5~FR.37，包括相应部分的主甲板。按上层建筑实际结构和计算需要来划分网格，其中各层甲板、侧壁板以及连续隔壁均采用板单元模拟，其上的纵骨、横梁以及纵向加强筋均采用梁单元模拟，横向加强筋等小构件以相当厚度的方式加到其所加强的结构上，小面积间断隔壁以及连接肘板等局部构件忽略不考虑[4]。由于需要得到的是上层建筑总振动的计算数据而不是进行强度分析，所以为了不改变总振动模态，先将单元网格划分得相对粗一些[13]。本模型节点总数为69 712，单元总数为61 279，如图1所示。

图1　上层建筑有限元模型

3）材料参数

弹性模量E：2.058×1011Pa；泊松比μ：0.3；密度ρ：7.85×103kg/m3。

4）边界条件

局部结构边界条件的确定取决于两个因素：一是计算构件与相邻构件之间的相对刚度；二是变形特征。上层建筑与主船体是连接在一起的，如果只选取上层建筑部分单独建模，则两者的交界面上的边界条件很难精确确定[14]，除此之外，上层建筑也会因为主船体运动的激励而产生振动。因此本文在上层建筑下方增加了部分主甲板，并且为了减少边界条件的影响，对处于边界处主甲板进行刚性固定。

5）荷重处理

为恰当体现荷重对振动的影响，上层建筑中数值较小的非集中荷重直接通过改变其所作用的甲板或隔壁板的密度来解决；对于如人员和仪器设备等对总振动的频率影响较大的荷重以及其它集中荷重，转化为其所在区域单元的节点力来解决。

2 上层建筑的振动分析

2.1 普通密度网格的振动分析

采用MSC/NASTRAN进行了上述29 800 DWT散货船上层建筑的振动分析，一到十阶振型如图2~图11所示。

从振型图中可以看出，前几阶大多是整体模态，后几阶多为局部模态。上层建筑的结构非常复杂，存在大量固有频率比总体纵向和垂直模态的固有频率低得多的局部模态。由于本算例中上层建筑为轻型上层建筑，不参与总纵弯曲，所以其板材设计得相对较薄，骨材也多为小骨材，再加上有限元建模过程中存在一定程度的简化，局部振动最早出现在上层建筑位置是正常的。

图2　一阶振型（普通密度网格）

图3　二阶振型（普通密度网格）

图4　三阶振型（普通密度网格）

图5　四阶振型（普通密度网格）

图6　五阶振型（普通密度网格）

图7　六阶振型（普通密度网格）

2.2加密网格的振动分析

为了了解不同密度网格对振动结果的影响，本文对图1的网格进行了加密再次进行了振动模态分析，在此只选取一到十阶单数振型图进行展示，如图12~图16所示。

图8　七阶振型（普通密度网格）

图9　八阶振型（普通密度网格）

图10　九阶振型（普通密度网格）

图11　十阶振型（普通密度网格）

图12　一阶振型（加密网格）

图13　三阶振型（加密网格）

图14　五阶振型（加密网格）

图15　七阶振型（加密网格）

图16　九阶振型（加密网格）

对比图12~图16计算结果表明，加密网格后不改变其它条件所得振型存在大量局部振动，频率过密并出现了较多重频，这样很难得到合理的总振动频率，这对结构的整体模态分析是不利的。

3 结论

通过对网格细分前后模型的振动计算结果比较，可以得出如下结论：

1）网格细分后的模态计算出现了较多的局部振动结果。以常用的第一阶振型图为例，对比可以看出普通密度网格模型的第一阶振型最大值为5.56×10-3，位于68 233节点，在烟囱顶部区域，处于总振动模态；而网格细分后的第一阶固有振型最大值为7.59×10-15，位于78 596节点，在尾楼甲板区域，局部模态明显，结构单元网格划分的细密程度明显影响到振动计算结果。

2）应根据具体的振动求解需求建立相应的有限元分析模型。如果需要获得上层建筑总体振动频率等数据，则不应把结构模型的网格划分得太密；反之，如果需要得到的是某些具体位置的准确振动数据，如要在该位置处安装贵重机械设备或精密仪器等，则应该对这些位置的结构模型进行网格加密，便于通过专用软件计算该位置处的相关振动数据。

3）目前常用的经验公式法如CCS方法和DNV方法涉及参数较少[4]，计算简便，可在初步设计阶段用于振动的估算。今后可以根据船型、主要尺度和航速等参数进行大量的有限元计算和收集足够的实船测试数据，对这些资料进行充分分析以提高经验系数的精度，对经验公式进行适当的修正。

4）进行上层建筑自由振动分析是要确定它的固有频率是否在主机和螺旋桨振动频率附近，是否存在共振的风险。下一步可以进行主机和螺旋桨激振力作用下的上层建筑的受迫响应计算以确定响应值是否满足船体振动的基准要求。

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Preliminary Vibration Analysis for Superstructure of Bulk Carrier

Sun Qian1,Zhou Hong2

(1.Jimei University,Marine Engineering College,Fujian Xiamen 361021,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Ship and Offshore Engineering College,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

Superstructure is an important part of the whole ship and its harmful vibration affects the safety of the ship.In this paper,the vibration calculation methods of the superstructure are introduced briefly.Then the finite element model of 29 800 DWT bulk carrier’s superstructure is established and the mode analyses with different mesh density are made.The results and conclusions can be the reference in reliability design of the superstructure.

bulk carrier; super structure; vibration; finite element

U663.6

A DOI：10.14141/j.31-1981.2016.05.003

孙倩（1974—），女，副教授，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。