某渔业运输船砰击振动的测试与分析

姜明庆，郭远志，张兆德

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

·研究简报·

某渔业运输船砰击振动的测试与分析

姜明庆，郭远志，张兆德

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

某渔业运输船在北太平洋海域作业时，经常遇到风浪较大的海况，会出现较大幅度的船体振动，本研究对该船体进行振动测试分析，并结合有限元计算，分析认为该船振动为砰击振动，并研究了振动成因，比较了不同改造措施的减振效果，提出了有效降低船体振动的方案。

船体振动；砰击；颤振；减振分析

近年来，随着国际海事组织（IMO）对船舶性能要求地不断提高。国内对船舶的各项性能要求也逐渐提升。其中，船舶的整体振动和局部振动也逐渐受到重视。随着检验技术的提升，各种现役船舶的振动性能已经满足不了安全要求和舒适度的要求。此时，许多船舶亟待进行振动测试，找到整船振动或局部振动过大的原因，进而对船身结构进行改造，找到良好的减振方式，进而保证船体结构的性能和安全，提高舒适度。

安小同和洪明[1]针对50 m冷海水贝类运输船甲板出现的有害振动问题，结合实测数据，提出了降低有害振动的修改方案。郑翰献等[2]对京杭运河的运河漕舫船体进行测试，运用测试结果分析船体振动过大的原因，并提出了减振降噪措施。李品敏[3]针对8 000 kW海洋救助船和小水线面双体船的振动情况，分析了振动产生的机理，并采取有效的工艺措施，达到减振降噪的目的。林永水等[4]针对20 000 t近海散货船的有害振动问题，通过一系列的测试试验和有限元计算，找到主要振源，并给出了一系列综合减振措施。李凯等[5]针对30 000 t大湖型散货船的有害振动问题，结合实测和有限元计算，从船体结构上采取合理的减振措施，取得了良好的效果。帅兵[6]采用两种有限元方法对1 700 TEU浅吃水集装箱船进行全船振动预报，找到有害振动点并提出预防和改进措施；并对该集装箱船的机舱和上层建筑进行局部振动模拟，调准结构布置后与实测数据进行对比，保证了振动满足设计要求。刘长卿[7]结合数值计算与实船测试的方法，对全回转推进船舶尾部振动问题进行实例分析，提出了结构改进方案，验证了改进方案的有效性。张守俊[8]通过研究随机振动对船舶运行状态的影响，为减轻船体振动提供了一定的理论支持。

本文针对某渔业运输船在北太海域作业时，船身以及桅杆振动比较严重的情况，对船体及桅杆进行了实测分析以及数值计算，结合数值计算的方案对比，分析了船舶振动的主要成因，提出了合理的减振方案。

1 船体参数

该渔业运输船的主要技术参数见表1。

表1 船体主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the ship

船舶总布置图如图1所示。

图1 全船总布置图Fig.1 The ship layout

2 实船测试

在船舶的机舱、上层建筑及甲板的不同位置布置横向、纵向和垂向加速度传感器，进行了振动测试。测试现场如图2所示。

参考商船垂向和水平振动评价基准，如图3所示。

五级风以下海况下，主机转速在300～580 r/min，所有测点的振动幅值均在稳准范围之内。

图2 渔业运输船振动测试Fig.2 Vibration test of the fisheries transport ship

图3 商船垂向和水平振动评价基准Fig.3 Evaluation criterion of merchant ship's vertical and horizontal vibration

当遇6级风、浪高2 m以上条件下，逆风航行，且航速达到8 kn以上的情况下，每当经过几个较大波浪时，船体出现一次较大振动，这种振动衰减较慢，在驾驶台还能感觉明显的纵向振动。甲板上的测试振动信号如图4所示。

图4 甲板测点的振动时域信号Fig.4 Time-domain vibration signal of the tested point on deck

图5 艏楼前壁测点的振动时域信号Fig.5 Time-domain vibration signal of the tested point at the front wall of the bow

对各测点的振动信号进行频谱分析结果表明，甲板上测点的振动幅值略高于上述标准，而艏楼前壁上测点的振动信号明显高于规范标准值。

3 船体数值模拟分析

3.1 整船的模态分析

利用MSC.PATRAN建立全船三维有限元模型，用板单元模拟外板、甲板、舱壁等，常用的板单元有四边形和三角形两种，这种单元可以承受弯曲应力、正应力和剪应力等，本文所用模型板单元规格为650 mm×550 mm和650 mm×600 mm；用梁单元模拟横骨架、纵骨等，梁单元可以承受拉压和弯曲的受力。模型总的节点数量为30 467，单元数量为72 719。建模时坐标轴的定义：X轴向船首为，Y轴正向左舷为正，Z轴向上为正，如图6所示。

图6 有限元模型Fig.6 Finite element model

对现有100 t油料载况进行模态分析，得出前桅杆的一阶固有频率为2.505 Hz，后桅杆的一阶固有频率为3.179 Hz，船体垂面内总纵弯曲的一阶固有频率为2.127 Hz、第二阶频率为3.205 Hz。

图7 船舶的模态分析Fig.7 The modal analysis of the ship

3.2振动原因分析

通过对本船的测试与有限元模拟，结合现场振动现象出现时的条件与特征，综合分析认为，本船在风浪较大环境下因波浪砰击时而出现较大幅度振动现象为颤振。

在船艏无压载，艏吃水较小的情况下，波浪砰击更容易引起船体弯曲；由于桅杆高而粗重，而桅屋结构的固有频率较低，船体受波浪砰击发生船体弯曲的同时桅杆发生摆动，而桅杆的一阶固有频率与船体的二阶固有频率比较接近，会发生更大幅度的振动；同时甲板板架与上层建筑之间结构不够强，进而会引发上层建筑长周期的纵向振动。

4 结构改进措施分析

对桅杆和桅屋结构进行了分析与改造研究，表2为不同改造方案下桅杆的固有频率分析。

表2 不同改造方案下桅杆的固有频率Tab.2 The natural frequency of the mast under different transformation schemes

通过上述不同方案的分析，可以选择方案2或方案5，可以更好地提高桅杆结构的固有频率，避免出现与船体固有频率接近，以减小振动幅度。

5 总结

基于测试与分析，研究现场振动现象出现时的条件，分析认为：

（1）本船在风浪较大环境下因波浪砰击时而出现的较大幅度振动现象为颤振。

（2）本船桅杆的一阶固有频率与船体二阶固有频率比较接近，更易诱发振动现象。在船艏无压载，艏吃水较小的情况下，波浪砰击颤振现象会更加明显。

（3）缩短桅杆并加强桅屋，以增加桅屋的刚度，提高桅杆结构的固有频率。可以明显减小现有波浪砰击振动的幅度；

（4）对甲板与上层建筑局部结构加强，提高结构的刚度，也可以有效抑制上层建筑的纵向振动。

[1]安小同,洪 明.50 m冷海水运输船振动及减振分析[J].山东交通学院学报,2011,19(4):46-50.

[2]郑翰献,张兆德,谭永朝,等.运河漕舫的振动测试与减振降噪分析[J].船海工程,2009,38(4):77-80.

[3]李品敏.船舶振动及减振技术的应用分析[J].广东造船,2008(4):40-42.

[4]林永水,吴卫国,翁长俭.20 000 t近海散货船有害振动诊断及治理[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2015(2):292-296.

[5]李 凯,刘 松,李东鹏,等.30 000 t大湖型散货船有害振动的诊断及治理[J].船舶工程,2009,31(4):33-37.

[6]帅 兵.某集装箱船机舱和上层建筑的局部振动分析[D].广州:华南理工大学,2015.

[7]刘长卿.全回转推进船舶尾部振动特性的研究[D].上海:上海交通大学,2014.

[8]张守俊.随机振动影响下的船舶减振模拟计算[D].大连:大连海事大学,2012.

Vibration Test and Analysis of Refrigerated Carrier

JIANG Ming-qing,GUO Yuan-zhi,ZHANG Zhao-de
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China)

The vibration of hull and mast of a refrigerated transport ship in the relative rough sea area is serious.The measurement results of the hull and mast’vibration is analyzed.And some reconstruction measures are put forward according to the finite element calculation and measurement vibration under slamming.The improvement measures are analyzed,and an optimized scheme for reducing the vibration of the refrigerated transport ship is obtained.

ship vibration;slamming;flutter;vibration reduction analysis

U661.44

：A

2016-12-30

国家自然科学基金（51379189；51409232）

姜明庆（1984-），男，福建顺昌人，研究方向：渔船装备与技术.

张兆德.E-mail:zhangzhaode@163.com

1008－830X(2017)01－0072－05