基于有限元方法的某船振动响应计算分析.pdf

21GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究基金项目：2021 年广东省海洋经济发展（海洋六大产业）专项资金基金项目（粤自然资合 2021043 号）作者简介：李建明（1995-），男，助理工程师。主要从事船舶设计工作。黄建军（1966-），男，高级工程师。主要从事船舶设计工作。收稿日期：2022-09-19基于有限元方法的某船振动响应计算分析李建明1，黄建军2，邹海斌1，黄天星1（1.广州船舶及海洋工程设计研究院,广州 510250；2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）摘 要：采用有限元计算方法，建立某船的三维有限元模型，对全船振动水平进行评估分析。分析的重点是人员居住区及日常工作区，目的是校核在航行工况时主要振源激励下的振动响应。计算结果满足要求，计算分析方法可为相关类型船舶振动性能评定提供参考。关键词：有限元计算；振源激励；振动响应中图分类号：U662.2 文献标识码：ACalculation and Analysis of Vibration Response of a Ship Based on Finite Element Method LI Jianming1,HUANG Jianjun2,ZOU Haibin1,HUANG Tianxing1(1.Guangzhou Marine Engineering Corporation,Guangzhou 510250;2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.,Ltd.,Guangzhou 510715)Abstract:A three-dimensional finite element model of this ship has been established by finite element method to evaluate and analyze the vibration level of the whole ship.The focus of vibration analysis is on the residential area and daily work area.The purpose is to check the vibration response of this ship under the excitation of the main vibration source when sailing out of port(sailing condition),and the calculation results meet with the legal requirements.The calculation and analysis method could provide certain reference and guiding significance for the evaluation of related type ships on vibration performance.Key words:Finite Element Calculation;Vibration Source Excitation;Vibration Response.1 前言振动噪声对船舶的舒适性产生不利影响，若振动程度过大，还会对船舶造成较大的危害，主要包括构件应力过大产生的疲劳破坏，并会使船上的设备仪器失灵1。本船设有发电机组、推进装置、辅助设备、管路系统、通风空调系统等主要振动噪声源设备，居住大量的人员，其振动噪声不仅影响工作效率和健康，还能引起船体结构疲劳损坏、设备的安全性等问题，且建造后整改措施有限，需要通过分析、计算等手段进行研究。相关的声学计算方法与一般的减振降噪措施有较大的难度，并且耗时耗力2。为保证本船建造过程的顺利开展，以及完工后振动噪音能够满足用户的需求，本文通过采用有限元计算方法对全船进行建模，对船的总振动频率和响应进行分析。2 船舶简介本船主尺度如下：总 长 179.80 m型 宽 32.80 m型 深 15.50 m设计吃水 9.20 m定 员 180 人本船作为长期的海上移动工作平台，在艉部布置有：3 套全回转推进器、6 台主柴油发电机组、3 台可伸缩式全回转推进器、1台隧道式推进器。主要舱室有：设备处所、船员工作处所、实验处所、住舱、储藏室以及公共区域等。自上而下依次设置：顶甲板、驾驶甲板、第四甲板、第三甲板、第二甲板、第一甲板、主甲板、上甲板、下甲板、内底甲板。22 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究3 有限元模型有限元模型按照型线图、基本结构图、分段结构图和外板展开图等建立（见图 1），肋距为 700 mm，每个肋位的结构都在模型中得到反映。模型的主要结构，包括：船体外板、甲板以及舱壁（2 维壳单元模拟）；纵向、横向以及垂向桁材（1 维梁单元模拟）；加强筋（1 维梁单元模拟）；甲板之间的立柱（1维管单元模拟）；发电机组（0维质点单元模拟）；船舱的油、水（3 维实体流体单元模拟）；对于轮机设备、吊机设备等，根据提供的重心、重量建立质点单元模型；利用附加质量的形式将阻尼和甲板敷料加到对应的甲板区域位置；同样地，利用附加质量的形式对管系、内装、冷通和电气等设备重量加到对应的甲板区域位置；不同区域甲板附加质量设置如下：居住甲板 1e-7 t/mm2；生活甲板 8 e-8 t/mm2；机舱甲板 1.5 e-7 t/mm2。整个有限元模型分为：主船体、上层建筑、生活区、实验室区域、钻井区域等，共 390 058 个单元、176 076 个节点。图 1 全船整体结构有限元模型坐标系：坐标原点位于尾垂线与基点的交点，X方向是船长方向，Y 方向是船宽方向，Z 方向是型深方向。为方便评估船体周围水动力，运用虚质量方法模拟，通过调整水线高度、流体密度、流体在船体外板的位置等参数，主要定义流体的体积模量和密度。4 边界条件及计算工况4.1 边界条件在整船的模态分析与振动响应计算中，不施加约束。4.2 计算工况限于篇幅，本文只对航行工况进行分析和计算，主要参数如下：排水量 42 650 t空船重量 26 929 t载重量 15 721 t平均吃水 9.2 m燃油 4 723.9 t滑油 43.2 t淡水 1 320.5 t压载水 786 t泥浆 1 030.9 t5 全船模态分析相应的振型和各阶模态，主要利用子空间迭代法计算得出。模态太大，导致对应的自由度较多，由于频率越来越高，模态也就越来越复杂，使得分离出各阶模态和振型很困难。航行工况下，前几阶较为重要的全船整体的固有频率和振型为：1 阶垂向弯曲振动，频率为 1.5 Hz；1 阶扭转振动，频率为 2.8 Hz；1 阶横向弯曲振动，频率为 3.0 Hz；2 阶垂向弯曲振动，频率为 3.3 Hz；2 阶横向弯曲振动，频率为 5.3 Hz。图 2图 6 给出了各阶模态频率及对应的振型。图 2 1 阶垂向弯曲振动模态（f=1.5 Hz）图 3 1 阶扭转振动模态（f=2.8 Hz）图 2 1 阶垂向弯 曲振动模态（f=1.5Hz）图 3 1 阶扭转振 动模态（f=2.8Hz）图 4 1 阶横向弯 曲振动模态（f=3.0Hz）图 5 2 阶垂向弯 曲振动模态（f=3.3Hz）图 6 2 阶横向弯 曲振动模态（f=5.3Hz）图 3 1 阶扭转振 动模态（f=2.8Hz）图 4 1 阶横向弯 曲振动模态（f=3.0Hz）图 5 2 阶垂向弯 曲振动模态（f=3.3Hz）图 6 2 阶横向弯 曲振动模态（f=5.3Hz）23GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究图 4 1 阶横向弯曲振动模态（f=3.0 Hz）图 5 2 阶垂向弯曲振动模态（f=3.3 Hz）图 6 2 阶横向弯曲振动模态（f=5.3 Hz）5.1 主要激励源及衡准航行工况下：6套柴发机组中3套运行（额定功率）、3 套备用；3 台主推进器以 80%功率运行；伸缩推及艏侧推不运行。因此，振动主要来源于柴油发电机组、全回转推进器。根据 CCS船上振动控制指南（2021），在整船及局部结构模态分析过程，避免主要的激励频率和上层建筑固有振动频率在（85%100%）最大营运转速范围内产生共振，这是减小或避免上层建筑振动的共振响应的最有效方法。表 1 为主要动力设备的激励和频率范围。表 1 主要动力设备的激励和频率范围表 2 为全船的总振动固有频率计算结果。表 2 全船总振动固有频率注：频率储备=固有频率-激励频率/激励频率对比激励源的激励频率与船体低阶总振动固有频率可以发现，本船不会发生整船共振。6 航行工况振动响应根据设计要求，对航行工况下的船舶振动响应进行分析。航行工况下，本船甲板振动响应需满足中国船级社（CCS）绿色生态船舶规范G-ECO(VIBl，NOI1)指标要求，并取得相应符号。6.1 激励力振动响应计算中，分别在相应位置施加全回转推进器、发电机组激励，利用直接积分法求解各个激励下的船体振动响应。6.1.1 全回转推进器激励力本船在艉部布置有三套全回转推进器，全回转推进器以 80%功率运转时，桨叶转速 157 r/min；以 40%功率运转时，桨叶转速 125 r/min。根据厂家资料，可得到主推进器的脉动压力频谱图，见图 7 所示。图 7 全回转推进器脉冲压力频谱图6.1.2 发电机组激励力图 4 1 阶横向弯 曲振动模态（f=3.0Hz）图 5 2 阶垂向弯 曲振动模态（f=3.3Hz）图 6 2 阶横向弯 曲振动模态（f=5.3Hz）总长179.80 m型宽32.80 m型深15.50 m设计吃水9.20 m定员180 人图 1 全船整体结构有限元模型图 2 1 阶垂向弯 曲振动模态（f=1.5Hz）图 3 1 阶扭转振 动模态（f=2.8Hz）图 4 1 阶横向弯 曲振动模态（f=3.0Hz）图 5 2 阶垂向弯 曲振动模态（f=3.3Hz）激励激励频率（Hz）主柴发机组 750 r/min1 阶激励12.5全回转主推进器(4 叶、157 r/min)（80%功率）桨叶频激励10.5全回转主推进器（4 叶、125 r/min）（40%功率）桨叶频激励8.3表 1 主要动力 设备的激励和 频率范围激励激励频率（Hz）主柴发机组 750 r/min1 阶激励12.5全回转主推进器(4 叶、157 r/min)（80%功率）桨叶频激励10.5全回转主推进器（4 叶、125 r/min）（40%功率）桨叶频激励8.3表 2 全船总振 动固有频率序号频率（Hz）振型频率储备备注1 阶桨叶频桨叶频激励激励（80%）激励（40%）11.51 阶垂向弯曲-88%-86%-82%见图322.81 阶扭转-78%-73%-66%见图433.01 阶横向弯曲-76%-71%-64%见图543.32 阶垂向弯曲-74%-69%-60%见图655.32 阶横向弯曲-58%-50%-36%见图7图 7 全回转推 进器脉冲压力 频谱图24 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究本船设有三个机舱，分别为机舱（左）、机舱（中）、机舱（右）。每个机舱布置两套柴油发电机组，六套柴油发电机组均采用双层弹性隔振安装。本计算评估中，采用基座处振动限值作为计算输入，9L32 机型柴油发电机组安装基座处 180 Hz 振动限值见表 3：表 3 主柴油发电机组基座振动限值6.2 计算结果6.2.1 驾驶甲板驾驶甲板在航行工况下的振动分布云图，见图 9。图中给出 180 Hz 频段内振动速度最大频率处的振动分布云图；计权振动速度为 1.1 mm/s，振动峰值位于实验室顶部右舷区域。图 8 驾驶甲板振动分布云图（25Hz）6.2.2 第四甲板第四甲板在航行工况下的振动分布云图，见图10。图中给出 180 Hz 频段内振动速度最大频率处的振动分布云图；计权振动速度为 1.33 mm/s，振动峰值位置位于左舷会议室。图 9 第四甲板振动速度分布云图（12.5 Hz）6.2.3 第三甲板第三甲板在航行工况下的振动分布云图，见图10。图中给出 180 Hz 频段内振动速度最大频率处的振动分布云图；其计权振动速度为 1.57 mm/s。振动峰值位置位于第三甲板左舷住舱区域。图 10 第三甲板振动速度分布云图（12.5 Hz）6.2.4 主甲板主甲板在航行工况下的振动分布云图，见图 11。图中给出 180 Hz 频段内振动速度最大频率处的振动分布云图；其计权振动速度为 1.47 mm/s，振动峰值位置位于艉部机舱风机室。图 11 主甲板振动速度分布云图（12.5 Hz）6.2.5 下甲板频率 Hz基座振动 速度限值 dB re.5e-8 m/s108312.58316832082258231.5824081508163818081图 9 第四甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz）图 10 第三甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz图 11 主甲板振 动速度分布云 图（12.5Hz）图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.0图 10 第三甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz图 11 主甲板振 动速度分布云 图（12.5Hz）图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.0图 11 主甲板振 动速度分布云 图（12.5Hz）图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.025GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究下甲板机修间、泥浆化验室、泥浆控制室在动力定位工况下的振动分布云图见图 12。其计权振动速度为 0.64 mm/s，振动峰值位置位于机修间。图 12 下甲板振动速度分布图（18.75 Hz）航行工况下的振动响应评估基于装载工况，各层甲板 180 Hz 振动峰值点的计权振动速度见表 4。表 4 各层甲板振动响应峰值结果（180 Hz 计权值）6.3 评估结果航行工况下，根据 CCS 绿色生态船舶规范G-ECO(VIB1)的要求（见表 5），运用 180 Hz 范围内的计权均方根值，以振动速度值为指标。表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大振动速度数值（mm/s）对比表 4 和表 5，可知航行工况下，本船甲板的振动响应满足规范限值要求。7 结语本文基于有限元软件进行建模，根据全船的振动模态计算结果分析：本船在航行工况下不会发生整船共振；根据典型甲板振动响应峰值结果分析，本船满足振动限值指标要求。对本船进行振动分析可知，在设计阶段采取适当的控制振动措施是保证本船满足振动衡准最有效的方法。本文计算分析方法可为相关类型船舶振动性能评定提供一定的参考。参考文献1 谢光能.减振降噪技术在高速船舶上的应用 J.广东造船,2019（2）.2 陈刚.深水半潜式钻井平台振动噪声预报全频域方法 J.中国造船，2010（3）.图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.0图 9 第四甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz）图 10 第三甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz图 11 主甲板振 动速度分布云 图（12.5Hz）图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.0图 9 第四甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz）图 10 第三甲板 振动速度分布 云图（12.5Hz图 11 主甲板振 动速度分布云 图（12.5Hz）图 12 下甲板振 动速度分布图（18.75Hz）表 4 各层甲板 振动响应峰值 结果（1-80Hz 计权值）甲板振动速度（mm/s）驾驶甲板1.10第四甲板1.33第三甲板1.57主甲板1.47下甲板0.64表 5 CCS G-ECO(VIB1)允许最大 振动速度数值（mm/s）名称最大允许 振动量级（mm/s）船员舱室3.2驾驶室、报务区4.0船员公共 处所、餐厅4.0医务室3.2办公室4.0机修间6.5机舱集控 室6.0（上接第 20 页）中的应用研究 J.舰船科学技术,2017,39(14).5 苑佳.基于 T 型翼/尾板的穿浪双体船姿态控制研究 D.哈尔滨工程 大学,2019.6 盛振邦,刘应中.船舶原理 M.上海：上海交通大学出版社，2004.7 刘应中,缪国平.船舶在波浪上的运动理论 M.上海：上海交通大学 出版社，1987.8 OHanlon J F,McCauley M E.Motion sickness incidence as a function of the frequency and acceleration of vertical sinusoidal motionJ.Academic Press,1975,41（4）.