支线集装箱船上层建筑振动及海上加强方案

2022-05-05高占峰

船舶 2022年2期

丁宁高占峰肖宇

（中远海运重工设计研究院扬州 225200）

0 引言

近年来，国际贸易需求量稳步上升，各大班轮公司纷纷开始下单大型、超大型集装箱船，形成规模优势，降低单箱运营的成本，从而布局航运市场。伴随着多艘大型、超大型集装箱船的交付运营，与之配套的支线集装箱船需求也明显增加，航运市场需要更多的支线型船来满足港口转运需求的增长。

集装箱船与常规商用船舶相比，为了在布置上争取更多的空间装载集装箱，在设计时需要尽可能大的布置货舱舱口，这使集装箱船的船体梁弯曲刚度显著降低，从而导致船体梁扭转模态和弯曲模态在低阶发生耦合，引发船体梁振动问题。同时，为满足驾驶室的视域要求并且兼顾甲板装箱量，集装箱船上层建筑的结构形式往往设计得既高又窄，其整体刚度相较于普通商用船舶的上层建筑显著降低。此外，相较于大型集装箱船上层建筑中岛式的布置形式，支线集装箱船通常为艉岛式，即其上层建筑位于主机和螺旋桨等主要激励源的正上方。基于上述结构特性和上层建筑布置特点，支线集装箱船的振动问题较油船、散货船和大型集装箱船更加突出。

本文针对某支线集装箱船试航过程中出现的上层建筑振动问题，根据实船振动测试结果及数值仿真有限元振动计算报告，在海上对上层建筑的振动原因进行现场分析，同时结合船上实际的结构、内舾装和设备布置情况，选定合理的加强位置，在海上直接对上层建筑进行支柱加强。支柱加强后，上层建筑各位置的振动测试结果满足规范要求，为船舶顺利交付提供了必要条件。

1 概述

1.1 船舶主要参数

本船为国外某知名海运公司的系列支线集装箱船的首制船。船舶的总体布置情况及主要性能参数如图1 和表1 所示。

图1 某支线集装箱船总布置图

表1 某支线集装箱船主要参数

1.2 规范要求

本船规格书规定本船的振动水平应满足ISO 6954-2000 的规范要求。

2 上层建筑振动测量

2.1 振动测量条件

基于ISO 69540-2000 规范要求，本船在振动测量时已确保满足以下测量条件：

（1）船舶为自由直线航行：船舶保持稳定航速直线航行，且操舵角不超过±2°；

（2）主机稳定输出规格书所指定的输出功率：本船为常用持续工作转速（NCR）为85.9 r/min；

（3）3 级或3 级以下海况：本船振动测试时海况为3 级；

（4）螺旋桨完全浸没：本船试航工况尾吃水为8.97 m，满足螺旋桨浸没要求；

（5）水深不小于船舶吃水5 倍：本船振动测试水域水深76 m，满足要求；

（6）所有系统处于正常工作状态：本船振动测试时辅机、通风系统和加热系统等均处于稳定工作状态。

2.2 振动测量结果

当本船主机在规格书所指定的常用持续工作转速（NCR）85.9 r/min 下运行时，从上层建筑D甲板以上至G 甲板靠近两舷侧的舱室甲板，均有强烈振感。

经振动实测，D 甲板以上至G 甲板靠近两舷侧舱室的甲板垂向（）振动幅值普遍较大，且右舷相较于左舷振动问题更加严重。D 甲板以上靠近右舷舱室的很多甲板，方向振动幅值均超过规范ISO 6954-2000 的许用标准，船舶振动性能不满足规格书要求。此外，经测试发现，舱室正中间位置处的振动幅值与舱室靠近舱壁位置处的振动幅值基本处于同一水平。

通过实测得到的频域振动响应曲线可知，振动超标位置的振动响应中，主要以2 个频率的激振力引起的振动为主：一个是10 Hz 左右的激振力，另一个是11.5 Hz 左右的激振力。以大副起居室（819房间）为例，其方向频域振动测试结果如图2所示。

图2 大副起居室（819 房间）Z 方向频域振动测试结果

3 振动问题原因分析

3.1 确定激振源

通常，螺旋桨和主机为引起船体振动的主要激振源。螺旋桨引起的激振力可分为2 类：一类是轴频激振力，即螺旋桨的激振频率等于桨轴转速的一阶激振力，它是由螺旋桨的机械不平衡引起的；另一类则是激振力频率等于桨轴转速乘以桨叶数倍数的高阶激振力，称为叶频激振力或倍叶频激振力，它是由螺旋桨在不均匀流场中工作引起的。主机产生的周期激振力主要可以分为2 种：运动部件惯性力产生的不平衡力矩和力矩，以及气缸内气体爆炸产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾覆力矩，其对船体施加的激振力具体表现为各阶不平衡力和力矩、X 型振动激振力矩及H 型振动激振力矩。

本船主机为瓦锡兰（WinGD）生产的W7-X72（Tier Ⅱ）两冲程七缸机。查阅该设备资料得知，其对外部输出的主要激振力矩为二阶纵向不平衡力矩、四阶X 型横向不平衡力矩及七阶H 型横向不平衡力矩。螺旋桨为四叶定螺距桨，其主要激振力为桨轴不平衡推力、四阶叶频脉动压力和八阶倍叶频脉动压力。

本船主要激励源及其激励频率如下页表2所示。

表2 某支线集装箱船主要激励源及激励频率

由上述振动测试结果可知，引起本船振动问题的激振力主要有2 个，其在主机常用持续工作转速（NCR）85.9 r/min 下的激励频率分别为10 Hz 和11.5 Hz。通过频率与转速间的换算可知，10 Hz 和11.5 Hz 分别为七阶和八阶激振频率。故可以判断引起本船上层建筑振动的激振源为主机七阶H 型横向不平衡力矩和螺旋桨倍叶频脉动压力。

3.2 原因分析

根据上述测试结果可知，振动问题突出的位置主要出现在上层建筑D 甲板以上至G 甲板靠近两舷侧的舱室，且近右舷舱室相较于左舷舱室振动情况更加严重。经研究上层建筑结构图发现，上层建筑D 甲板以上至G 甲板靠近两舷侧舱室的下方，仅有必要的球扁钢、T 型材等型材加强结构，缺少如纵向舱壁、支柱等强支撑结构，舱室甲板板架刚度较弱。

此外，相较于右舷，左舷由于在D 甲板设有游泳池，其对应位置处的船体结构周围有额外加强，并且左舷D 甲板与E 甲板之间也增加了支柱支撑，因此左舷舱室的整体刚度好于右舷，这与右舷舱室振动比左舷舱室严重的测试结果相吻合。上层建筑结构形式以FR40 肋位横剖面图为例，如图3 所示。

图3 上层建筑FR40 位置横剖面结构图

在研究上层建筑结构形式的同时，分析研究振动预报有限元计算报告，也是确定振动原因的有效途径。目前国内外很多学者、单位均采用三维空间有限元法，对船舶进行振动预报，而事实证明三维有限元模型是一种接近船舶真实结构的计算模型，能够较准确地计算船舶振动特性。本船的振动预报由入级船级社负责，其计算了2 种集装箱船的典型装载工况（即满载工况和压载工况），而试航工况更接近于压载工况。从振动计算报告中可以发现，在10.36 Hz频率处有一个上层建筑整体横向与舷侧甲板板架垂向的耦合模态，如图4 所示：

图4 上层建筑整体横向与舷侧甲板板架垂向的耦合模态，频率为10.36 Hz

压载工况下部分舱室的有限元振动响应计算结果如下页表3 所示。由振动响应计算结果可知，主机七阶横向H 型不平衡力矩在D 甲板以上的舷侧舱室引起的振动响应普遍较大，这与模态分析结果及实船测试结果相吻合。然而，之所以预报结果满足规范要求，是因为在计算压载工况时，并未将螺旋桨脉动压力考虑其中。

表3 压载工况下G 甲板部分舱室振动响应计算结果mm·s-1

经沟通，船级社认为压载工况下吃水较浅，船底板并未浸没到水面以下，故有限元振动预报时并未将压载工况计入螺旋桨脉动压力。但通过实船测试结果可知，螺旋桨倍叶频脉动压力是引起上层建筑振动的主要激励源之一，不可忽略。

基于以上分析可得出结论：本船上层建筑振动问题是由上层建筑整体横向模态和舱室甲板板架局部模态的耦合模态与主机七阶H型横向不平衡力矩，以及螺旋桨八阶倍叶频脉动压力共振导致的。

4 海上支柱加强方案

4.1 确定加强方案

本船在试航过程中发现了振动问题，为解决振动问题保证船舶顺利交付，同时避免二次试航带来的高额成本，因此在保证不破坏内舾装、不影响人员工作通行、不影响救生艇及物料吊等机械设备正常工作的前提下，经与船东、船检沟通确认，根据船舶实际的结构形式，基于上述分析得出的振动原因，有针对性地直接在海上对上层建筑进行结构加强。

船舶已处于试航阶段，船上所有机电设备已完成安装和调试，因此寻求方法去降低主机和螺旋桨的激振力、更改其激振频率已无法实现。无法降低主机和螺旋桨的激振力和激振频率，就只能对上层建筑进行结构加强。对于舷侧的舱室甲板板架，最有效的加强方式是增加T 型材的尺寸与密度，以增加板架刚度、提升板架固有频率，避免共振。但是，上层建筑的内舾装已经完成，内装板、甲板敷料、甲板下的电缆和管道也铺设完毕，如果要对甲板板架进行结构加强，势必要对其进行破坏，不仅无法估量由此造成的损失，而且海上的施工环境也不允许。基于上述原因，只能寻求有效方案对上层建筑整体进行结构加强。

经实船勘测及充分研讨，决定在C 甲板与主甲板之间左右舷分别增加6根219 mm×16 mm圆柱钢管，对上层建筑进行结构加强以提升其整体刚度。支柱加强方案的示意图及实船具体方案的实施如图5 和图6 所示。