6.1万吨散货船居住区振动分析及对策研究

许维明 瞿荣泽 刘焕明 薛国良

（大连中远海运川崎船舶工程有限公司 大连116052）

引 言

散货船是世界航运的三大主力船型之一，主要运输煤炭、谷物等散装货物。近些年随着航运和造船业的发展，人们除了关注船舶经济性、可靠性及环保性等指标外，舒适性也成为重点关注的问题。本文讨论的6.1万吨散货船属于满足最新HCSR规范和NOxTier III排放标准的船舶，总布置图如下页图1所示。

图1 6.1万吨散货船总布置图

该船船长197 m、型宽32.24 m、型深18.6 m、设计吃水11.3 m、螺旋桨为5叶定距桨、主机选用6缸MAN B&W 6S50ME-B9.3。该散货船在设计试验时，发现主机转速在91 r/min时居住区纵向振动体感较大，故针对该问题，通过有限元仿真计算和试验实测，对比分析查找其原因所在，并制定有效的改善措施。

1 振源分析及居住区振动特性

船舶的振动通常都是由激振源振动引起的，要解决船舶振动问题首当其冲要找准引起振动的激振源。水面船舶主要激振源通常分为三类：螺旋桨、船舶主机、其他动力机械以及随机波浪［1］。船用主机通常是往复式机械，使用过程中会产生不平衡力和不平衡力矩，而主机又通过主机基座和船体（机舱双层底）相连，因此部分不平衡力矩自然会由船体承受，进而引起船舶的振动。

船舶设计试验过程中，应充分考虑振动因素，其中船体及居住区的固有频率均与其刚性有关。

居住区振动存在两种振动形式：

（1）自身的振动；

（2）船体梁引起的振动。

这两种振动模态如图2和图3所示。

图2 自身振动模态

图3 船体梁引起的振动模态

2 船体总体与居住区振动预报

根据船体与居住区的主尺度可分别预报其振动特性。根据之前的研究成果可知，主机的2阶不平衡力矩和螺旋桨的叶频都可能会造成船体垂向振动和居住区纵向振动［2］。船体梁的固有频率取决于船体梁刚性、质量分布、附连水质量，其中吃水越大船体梁固有频率越低，不同吃水下都会存在某一转速下的二次外部力矩激励频率与船体梁固有频率吻合的情况，这是不可避免的。本船设计试验时的振动现象带有船体梁的这种振动特性。

建立全船有限元模型并计算其固有频率以及振动响应。模型船体部分采用板、梁单元模拟。舾装品和货物质量采用NSM单元和质量节点模拟。船体外板附加水质量采用Mfluid单元模拟。计算工况选取正常压载工况和满载工况［3］，振动响应计算阻尼值取0.015。

通过有限元仿真计算，得到正常压载工况和满载工况下的船舶整体振动频率，如表1所示。

表1 正常压载工况和满载工况下的船舶整体振动频率cpm

进一步研究压载工况与满载工况时的居住区振动特性。为便于施加主机垂向二次不平衡力矩，逐建立如图4所示主机实体模型。具体加载方式为：在主机前壁施加垂直向上的力，在主机后壁施加垂直向下的力，参见图5。两种装载工况下，船体居住区的纵向位移响应曲线分别见图6和图7，并且计算结果均满足ISO 6954 ： 2000（E）的振动评价标准。

图4 主机实体模型

图5 主机垂向二次不平衡

图6 压载工况下居住区纵向加速度响应曲线

图7 满载工况下居住区纵向加速度响应曲线

3 居住区振动原因分析

该散货船主机转速在91 r/min试验运行时，船舶主要激振力包括螺旋桨倍频激励频率455 cpm（1 cpm = 1/60 Hz），主机 H-moment激励频率546 cpm，主机的二次外部激励频率182 cpm［4］。此时,设计人员对居住区纵向振动进行测量，频谱响应曲线如图8结果显示曲线峰值点对应的频率为3 Hz，即181 cpm（91 r/min×2），对应为主机转速的2倍。根据以上激励频率的分析，判断居住区振动响应是由主机二次外部力矩引起的［5］，而有限元计算预报的船体梁各节点的固有频率与试验实测结果基本吻合。该船正常压载工况和满载工况下的总体振动5节点固有振型见图9与图10。

图8 区纵向振动频谱响应测量曲线图

图9 正常压载工况整船5节点固有振型图

图10 满载工况整船5节点固有振型图

船舶整体振动频率测试结果如下页表2所示。

表2 预报和试验实测结果的船舶整体振动频率cpm

由此我们可以判断，本船在主机转速91 r/min时，主机二次力矩激励频率与船体梁5节点振动固有频率吻合，从而导致居住区纵向体感振动较为严重。

4 减振对策研究

通过查阅前船的试验测量报告，该船试验时居住区的振动响应确实相对较大，对比前船和该船试验时的振动特性，船体梁刚性、附连水质量、激励力均类似，仅尾部压载情况存在一定差异。通过振动预报和原因分析，我们可知在此转速（91 r/min）时，居住区纵向的振动是由主机二次外部力矩引起的船体梁振动导致的。但是船体梁振动响应曲线较陡，峰值区间对应的主机转速在1～2 r/min范围。尾尖舱打压载水后，对居住区纵向振动再次进行测量，频谱响应曲线如图11所示，所测结果显示曲线峰值点对应的频率为162 cpm。

图11 尾尖舱打压载水后居住区纵向振动频谱响应测量曲线图

为更进一步调整该船振动特性，本文参考设计时振动预报的计算方法，根据该船试验时的实际油水分布再次修改、建立全船有限元模型，并计算船体和居住区振动响应［6］。有限元计算结果见表3。

表3 调整油水前后有限元计算结果

通过分析有限元计算结果，该船的质量分布调整后，即在尾尖舱打满压载水，使船舶尾倾，居住区振动响应显著降低。尾尖舱打压载水前后，船体梁其他节点固有频率也会相应有5 cpm左右的变化，但是均远离固有频率不会对船舶产生有害振动。

5 结 语

船舶在营运过程中，像文中发现的危险转速在程序正常加载过程中是不可避免的，可正常通过，但不适宜长时间运行。船体梁的固有频率取决于船体梁刚性、质量分布、附连水质量，其中吃水越大船体梁固有频率越低，不同吃水下都会存在某一转速下的二次外部力矩激励频率与船体梁固有频率吻合的情况。

根据船体梁频谱响应的特性和本船试验时实际经历，居住区振动响应曲线较陡，当主机转速避开振动最高点2 r/min时，振动响应值会快速下降。因此建议在船舶设计和营运时应及时避开主机的危险转数，即前后调整两个转速就会有明显效果。如果很难避开主机该危险转数，届时建议通过调整目标船的质量分布，改变局部的刚性和附连水质量，进而实现减振效果，这种通过少量调整压载水分布来降低振动响应的方法将是常用的经济可行、简单有效的方法。