某高速客船振动测试分析与控制

2024-01-11徐张陈映彬

江苏科技大学学报(自然科学版) 2024年6期

摘要：船舶振动不仅会影响人员居住的舒适性，也会对船舶造成结构损伤.针对某高速客船船底局部损伤问题，文中利用振动分析仪测试测点振动速度响应，基于船舶主机激励频谱分析和船体不同部位的加速度响应频谱分析，确定客运船整体振动情况，参照相关标准确定该船的客舱、地板及机舱振动等级，通过测试结果与理论分析，确定机舱振动情况，分析其损伤原因.针对原因提出在主机座和发电机组之间船底板增加纵向和横向隔板，并施涂阻尼的改进措施方案.对改进后的船舶进行连续监控，结果表明，提出的改进方案可以有效改善其振动水平，解决局部振动损伤问题.

关键词：高速船；振动测试；振动控制；局部损伤

中图分类号：U674.951"" 文献标志码：A"""" 文章编号：1673-4807（2024）06-032-05

收稿日期： 2023-08-15"" 修回日期： 2021-04-29

作者简介：徐张（1976—），男，工程师，研究方向为船舶检验.E-mail： xuzhang@ccs.org.cn

引文格式：徐张，陈映彬.某高速客船振动测试分析与控制［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2024，38（6）：32-36.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.06.005.

Vibration test and control analysis of a high-speed passenger ship

XU Zhang¹， CHEN Yingbin²

（1.Shanghai Branch， China Classification Society，Shanghai 200135，China）

（2.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology， Shanghai Ship and Shipping Research Institute Co.Ltd.， Shanghai 200135， China）

Abstract：Ship vibration will not only affect the comfort of living， but also cause structural damage to the ship. In order to solve the problem of local damage on the bottom of a high-speed passenger ship， this paper firstly uses the vibration analyzer to measure the vibration velocity response of the point， and determining the overall vibration of the passenger ship based on the analysis of the excitation spectrum of the ship′s main engine and the acceleration response spectrum of different parts of the ship′s hull. Then the vibration levels of the cabin， floor and engine room of the ship are determined with relevant standards. Through the test results and theoretical analysis， the vibration of the engine room is determined and the damage causes are analyzed. Finally， according to the reasons， the improvement measures are proposed to add longitudinal and transverse partitions and apply damping to the ship bottom between the main engine base and the generator set. The continuous monitoring of the improved ship shows that the proposed method can effectively improve its vibration level and solve the local vibration damage problem.

Key words：high speed ship， vibration test， vibration control， local damage

目前船体振动评价准则通常采用国际标准化组织“机械振动与冲击”技术委员会基于人体对船舶适居性制定的《客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》（简称ISO6954—2000E）^［1-2^］，国内针对客舱、地板及机舱也制定了相应的标准^［3-4^］（GB/T 28784.5-2022《机械振动船舶振动测量第5部分：客船和商船适居性振动测量、报告和评价标准》、GB/T 16301-2008《船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》）.现代船舶逐渐向轻量化、快速化发展.因此对船舶的振动设计有了新的要求、一方面，轻量化设计通常减弱了船体的刚度，有可能造成振动情况加剧；另一方面，船舶的快速化也通常需要更强的动力装置，同样加剧了振动水平^［^5-6^］.

目前，在船舶振动设计时主要考虑了设备的静载荷和环境的动载荷，往往没有或者忽略了设备动载荷对船体结构的影响.特别是对于高速客船这种对振动水平要求更严格的船型，有可能存在受设备动载荷激励的受迫振动，产生不符合标准的振动结构，甚至产生局部损伤.此外，许多局部振动问题在设计阶段很难被发现，当船体建造完成后进行试航时出现严重的局部振动问题，造成损失^［^7-8^］.工程中不乏类似的船体局部振动案例，由于振动都是在建造完成后才发现，所以通常采用增强局部结构刚度的方案，或者铺设阻尼的形式，从而实现振动控制^［^9-10^］.但是局部振动问题因结构差异而不同，具体案例需要具体分析.文献［11］针对斜裂纹在振动环境中的呼吸行为进行了研究，探讨了含呼吸式斜裂纹梁在不同的裂纹倾角和裂纹尺寸下的非线性振动响应.文献［12］则基于某碳纤维复合材料小型无人艇，针对两种工况研究该小型无人艇的振动性能并提出减振建议.文献［13］以某非自航绞吸挖泥船为研究对象，对全船结构进行总体振动特性分析和研究，讨论了该非自航绞吸挖泥船不同工况下的振动特性.而针对船舶振动及其优化措施，不少学者也做了研究^［^14-17^］.文中以某高速客船振动测试与控制分析为例，通过现场的振动测试，从试验角度判断振动类型并分析振动原因，为减振方案提供依据;根据结构动力学理论和参考文献中的解决方案提出减振措施，使振动符合规范要求.

1 工程概述

1.1 某内河高速客船

以内河A级162 t高速客船为例，2015年5月建造完工，单底单壳铝合金.主要参数：总长为33.95 m，乘客总人数为147，主机为610 kW×2、1 900 r/min，发电机组为66 kW×2，1 500 r/min.

首制船共6艘，均由某船检机构审图并建造检验.2021年3月在厂修理期间发现主机座与发电机座间的船底板（8 mm）产生裂纹导致机舱间渗水，裂纹长度为3～5 cm.

1.2 振动测试

该系列客轮长期从事上海市内长江口的航线运营，全铝合金结构，船底板为某国外制造厂的板材，牌号为5083，双主机，额定转速1 800 r/min，齿轮箱减速比为2∶1.经初步判断，该损伤主要是由局部振动引起的，因此将对该船振动进行测试，具体制定测试方案.

测试设备：德国SIEMENS公司LMS振动测试分析系统.

传感器：美国PCB公司ICP型333B30加速度传感器.

测试单位：XXX大学船舶学院

测点位置：客舱5点，分别为客舱地板、客舱顶棚、客舱桌面；甲板3点，分别为甲板前部为甲板中部、甲板尾部；机舱3点，分别为发动机支座上、发动机支座下、发电机支座.

测试工况：满速行驶工况，发动机转速约1 700 r/min.

测试现场及传感器布置见图2～4.

1.3 主机及发电机组振动烈度评价

参照GB/T 16301-2008《船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》，对该系列客船的主机及发电机组进行振动烈度评价.

该标准规定在机器额定工况运行下采用加速度计或速度计进行测量，采用振动速度均方根值进行振动烈度评价.

该标准规定，功率为15～75 kW的旋转机械，在刚性支撑安装方式下，振动烈度A级（优秀）为≤1.12 mm/s，B级（良好）为≤2.8 mm/s，C级（合格）为≤7.1 mm/s，D级（不合格）为11.2～112 mm/s.

客船主机及发电机的振动烈度评价见表1，表明该船的主机和发电机振动烈度等级为C级（合格）.

2 测试与分析

2.1 各测点振动频率特征及关联度分析

各测点的加速度振幅频谱图见图5，典型原始时间历程如图6.从加速度a频谱看，在常速行驶工况下，振动基频为14.5 Hz，各测点的振动峰值频率f为基频的整数倍，谐频振动响应特征明显.各点的峰值频率及对应振幅统计见表2.

从频率特征分析可以看出：

（1）客船常速行驶工况下，谐频响应特征明显，基频为14.5 Hz，各测点的峰值频率均为基频的整数倍.

（2）相比于其他测点，甲板的振动剧烈，且频率分散.

（3）除甲板外，其它各测点的振动能量主要集中在200 Hz以内.

2.2 振动测试结果分析

船体振动一般主要分为共振和受迫振动，其中共振主要是由激励频率和结构某一阶固有频率接近或相等导致，可从调整结构质量和刚度两种方式改变结构固有频率来避免共振；而受迫振动主要由激振力较大，而局部构件的刚度又不足的原因造成，多采用加强局部结构或者敷设响应阻尼结构以实现减振.通过结构动力学理论和试验相结合的方式，对该船激励及船体振动原因进行分析.由图可知，客船常速行驶工况下，谐频响应特征明显，基频为14.5 Hz，基本可判断船底板的振动属于受迫振动.相比于其它测点，船底板的振动剧烈，且频率分散，是造成甲板局部振动损伤的可能原因.

2.3 改进方案

根据总振动测试结果可以看：根据现场测量结果及分析原因，当主机高速运转时，会造成船底板产生较大的受迫振动，造成船底板振动剧烈，产生了局部的损伤.如前所述，基于此，可提出如下解决方式：主机座和发电机组之间的船底板上增加纵向和横向隔板，已提高局部刚度，同时并施涂阻尼以减小振动，具体形式如图7.

该系列高速船在经上述整改后振动效果明显改善，经连续监控，原损坏区域及船底板板材状况良好.

3 结论

（1）参照GB/T 28784.5-2022《机械振动船舶振动测量第5部分：客船和商船适居性振动测量、报告和评价标准》^［³^］，该系列船的客舱和地板振动情况符合标准要求.

（2）参照GB/T 16301-2008《船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》^［⁴^］，该船的主机和发电机振动烈度等级为C级.

（3）从频率特征分析可以看出，该船常速行驶工况下，谐频响应特征明显，基频为14.5 Hz，各测点的峰值频率均为基频的整数倍.

（4）正常行驶状态下，船底板振动较为剧烈，是受主机激励的受迫振动引起的.主要原因还是设计时船底板区域局部刚度虽然能满足规范要求，但营运后受空泡腐蚀等影响导致该区域强度减弱，且原阻尼结构较少，从而导致出现局部振动损伤的情况.

（5）通过主机座和发电机组之间的船底板上增加纵向和横向隔板，提高局部刚度，同时并施涂阻尼以减小振动，经连续监控，可显著降低甲板振动.

（6）对于铝合金高速客船等轻量化、快速化的船型，需要在结构设计过程中同样重点关注局部振动，避免产生动载的设备及其相连管系等结构连接或安装到刚度较弱的结构上，防止强迫振动产生，避免因局部振动造成结构损伤或破坏.

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