新规范下常规散货船居住区的振动响应分析

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

21万t好望角型散货船作为新一代开发设计船型，满足HCSR和TierIII要求，在船体结构优化升级的基础上，振动水平有较大提升。为评估其居住区振动水平是否达到新规范ISO 20283-5要求，在有限元软件中建立全船模型，分别计算满载离港和压载到港2种工况下的振动响应。选取部分居住区域的房间作为预报点。考虑到新规范是以频率加权值作为评价对象，与有限元计算结果不一致，需要对预报结果进行转换，再与新规范限值相比较。

1 振动模型建立

1.1 整船模型

考虑到居住区域的边界条件，船体板外侧附连水以及货舱货物重量的影响，建立全船模型以便较为准确地模拟分析居住区域的振动特性。以船体中横剖面、基本结构图、典型横舱壁等详细设计图纸为基础，建立全船模型。其中，船体外壳板、各层甲板、侧壁围板等构件以面单元(shell)模拟；横梁、纵骨和肋骨等加强结构用梁单元(beam)模拟；用点单元(mass)模拟船上设备、压载水以及货油等重量，施加在面板上，保证模型装载总重与实船相同，重心位置和装载手册保持基本一致。船体艉部、机舱、居住区、烟囱及机舱棚的细网格大小为纵骨间距，其余区域则采用以强横梁间距的大网格划分，大网格内的骨材合并，保证合并前后刚度一致，整船有限元模型见图1。

图1 整船有限元模型

1.2 居住区模型

居住区的舱室物品重量采用点单元模拟，甲板敷料及舱室内装修材料等，通过修改材料密度方式添加质量，模型见图2。

图2 居住区有限元模型

关于舷外附连水对于全船振动的影响，参考文献[1]总结出的估算附连水质量经验公式，与船舶实际情况存在一定的误差，可根据水池模型实验数据、CFD计算结果，较为准确地计算附连水质量。应用计算软件中定义有限元湿面单元和吃水高度，施加满载出港与压载到港下的附连水质量。

2 振动响应计算

2.1 激励源加载

船上机器造成的不均匀惯性力、螺旋桨引起的脉动压力及波动压力是造成船体强迫振动的主要因素。主机激励主要为1、2阶不平衡力矩和H、X、L型激励，根据主机与螺旋桨资料，确定激振源为主机2阶不平衡力矩激励，H、X型力矩及螺旋桨的叶频脉动压力，其他激励与之相比甚小，可忽略不计[2]。

本船主机型号为MAN B&W 的二冲程6缸6G60ME-C9.5 Tier II，较有可能引起船体振动的激励有2阶不平衡力矩，6阶H型外力力矩，具体参数见表1。

表1 6G60ME-C9.5 Tier II型主机各阶激振力矩 kN·m

通过施加主机的不平衡力矩、螺旋桨的脉动压力，计算发现主机H型缸频下的居住区的响应值最大。因此，只须主机缸频为激励源的振动响应满足新规范即可。

2.2 响应值转换

新规范ISO 20283-5在ISO 6954—2000(E)的基础上进一步提高了振动要求，两者皆是以考虑频率加权后的有效值(RMS值)作为评价对象。应用有限元法预报船体振动结果为最大峰值，与规范评估对象不一致，需要进行相应的转化后，再与新规范限值对比。

ISO 20283-5考虑了人体对不同频率振动的反应，以RMS值作为评价对象[3]。

(1)

式中：wi为针对第i个 1/3倍频带的权重系数，包括以加速度wa为输入量 和以速度wv为输入量的权重系数，具体数值见图3[4]。

图3 1/3倍频带加权系数

船体振动最大重复值，为振动测量时的振动响应频谱上的最大峰值，其计算式为

(2)

(3)

3 居住区域振动预报

分析整船在压载到港(LC1)和满载离港(LC2)工况下的振动响应。选取居住区域若干房间作为预报点，以速度响应为评价标准，便于与后续的实测数据比较。将预报结果转换RMS值，与新规范限值比较分析，以验证居住区域振动响应是否满足新规范要求，新规范中船员区域的衡准见表2。

表2 新规范ISO 20283-5可接受振动限值

3.1 预报点设置

以居住区域内的驾驶甲板、E甲板、D甲板以及C甲板为研究对象，依据舱室分布情况、实船测量经验，选取各层甲板典型房间内的2～3个节点作为预报点，共计10个预报点，分布见图4。

3.2 计算结果分析

分别模拟计算2种工况下全船振动响应，根据相应计算公式，对居住区域内的各节点的仿真结果进行数值转换，然后与新规范的振动响应限值比较分析，以评估新开发的常规散货船上层建筑振动水平，验证是否达到新规范ISO 20283-5要求，居住区域的振动响应RMS值见表3。

图4 居住区振动预报点分布

在压载到港(LC1)工况下，E甲板引水员房间x、y方向的速度响应值与规范限值3.5 mm/s比较，分别超出0.4、0.3 mm/s，船长办公室x、y方向的响应值超出衡准0.1 mm/s；D甲板高级船员房间y、z方向超出标准要求0.2 mm/s。其他房间的预报结果满足新规范要求。满载离港工况(LC2)下，各预报点响应值均小于压载工况，符合新规范要求。居住区域的振动响应满足新规范要求。

3.3 不同规范限值

将转换完成的振动响应RMS值与旧规范限值对比，评估预报结果是否符合旧规范要求，旧规范ISO 6954—2000(E)限值见表4。

表4 ISO 6954-2000(E)规范限值

由表2、4中规范限值可知：新标准将船舶区域分类船员区域和乘客区域，并在此基础上继续将船员区域细化为6类，而旧规范中船舶区域只分为乘客居住舱、船员居住区以及船员工作区三类；船员工作区速度限值由8.0 mm/s提升到6.0 mm/s或4.5 mm/s，船员居住区的限值由6.0 mm/s上升为3.5 mm/s，限值要求相对于旧标准，限值提升幅度较大，两种工况下的预报值都满足旧规范要求。因此，认为新振动规范为更严格，要达到新规范振动水平，需要做大量的振动分析与预报工作。

4 结论

1)居住区域的振动响应满足ISO 20283-5要求，上建振动响应值从高往低依次趋于减小，与上层建筑类似“悬臂梁”结构形式的振动规律一致。

2)振动响应的最大峰值、RMS值转换方法仍需进一步优化，下一阶段的目标是将预报值与实测数据比较分析，不断调整转换方法，使其更为严格、科学，接近工程实际。

3)与旧规范相比，新振动规范要求更为严格，但新规范中区域类型定义更加详细、明确，并提供对应区域限值，避免了考核区域选择错误或衡准值界定不明等情况的发生。