国内第一代LNG船振动治理及基于试验的减振评估

60卷第2期(总第230期) 2019年6月
中国造船
SHIPBUILDING OF CHINA
Vol.60No.2(Serial No.230)
Jun.2019
文章编号：1000-4882(2019)02-0131-07
国内第一代LNG船振动治理及基于试验
的减振评估
刘阳，张晓形，沈宁，潘伟昌
(沪东中华造船(集团)有限公司，上海200129)
摘要
船体局部振动过大的主要原因是激振力过大或激振力频率与结构固有频率过于接近.振动可能是由激振力直接引起的，也有可能是受船体其他局部结构振动的牵连而引起的.国内第一代LNG船上层建筑的振动超过了标准规定的轻微振动的限值，经分析是受旎部过大的振动的牵连而造成的.根据该船的实际情况，提出了一个易于实现的加强旎部的方案，并通过试验评估减振效果.该方案实施后解决了旎部振动过大问题，
也使上层建筑的振动降低到轻微振动的水平.这表明，只要抓住振动的主要原因，然后采用恰当的措施，就可以获得事半功倍的效果.
关键词：激振试验；船体振动；牵连振动
中图分类号：U661.44文献标识码：A
0引言
液化天然气(liquefied natural gas,LNG)船是运输温度为零下163°C的液化天然气的专用船舶，是能源输送中从发送站至接收站的海上运输工具，是保障我国能源战略安全必不可少的重要装备。

在目前所有货运船舶中，LNG船的技术最复杂，难度最高，而且对船舶的振动环境也有较高的要求，一般控制在轻微振动级。

对于这种船舶，在设计阶段应进行周密的振动预报山，尽可能在设计阶段采取措施，避免实船建造后出现振动过大的情况。

但在设计阶段用于振动分析的一些要素，如船体刚度分布、质量分布等与实船状态不完全一致，船的振动阻尼也难以精确确定，振动分析的结果与实船存在一定偏差。

我国建造的第一代LNG首制船，2007年建成后各项性能指标都达到设计要求，但上层建筑的纵向振动水平超过了轻微振动标准，錠部垂向振动过大，需进行治理。

对于已建成的船舶作振动治理，会受到各种条件限制，需研究各种可能的改善方案，选择一种或几种最有效、最经济的治理措施〔％国内第一代LNG首制船的振动治理采用了旎部结构加强措施。

由于醍部加强措施只能略微提高娓部振动固有频率，无法达到规范规定的频率储备10%~30%的要求，加强效果需作量化评估。

为此发展和采用了基于试验的振动响应评估方法。

进行了国内首次大型船舶激振机激振试验⑶，给岀了振动评估路径，推导了基于试验的振动响应预报公式。

该方案实施后达到了预期的效果。

收稿日期：2018-07-09；修改稿收稿日期：2019-03-15
132中国造船学术论文1LNG船的基本参数
该船赠柱前倾具有球鼻赠，4个液货舱均为双层八面体结构，在平板型船錠安装一个铲形舵。

机舱、机舱棚、烟囱、居住舱室及驾驶室均布置在醍部。

主机为蒸汽透平，锅炉为双燃料锅炉，可以使用燃油或天然气作为燃料，也可同时使用燃油和天然气的混合物作为燃料。

采用单个四叶固定螺距螺旋桨,转速83r/min,直径8.8m。

总布置如图1所示。

由于主机采用蒸汽透平，该船的主要激振源为螺旋桨,在最大持续功率(maximum continuous rating,MCR)时，叶频激振频率为5.53Hz,倍叶频激振频率为11.06Hzo
2振源与振因分析
为了查明目标船上层建筑和系泊甲板振动的原因，进行了实船激振试验和多工况航行振动试验，同时又进行了振动有限元分析。

2.1航行振动试验
为评估实船在各个推进功率及螺旋桨转速范围内整体振动特性，对目标船进行了总振动测量。

从最低稳定转速开始逐步增加转速，直至最高转速，对典型测点进行数据采集。

处理后得到各测点在不同转速下的响应值以及与振动峰值所在的转速。

总振动测量结果可用瀑布图表示，它涵盖了各个频率以及各级转速下船体结构的整体振动特性，图2为D1甲板上一个测点的瀑布图。

可以看到，在0.8Hz 处有一不受转速而移动的峰值，它是由波浪激起的船体梁两节点垂向振动的固有频率，其余主要为叶频和倍叶频响应，且在桨最高持续转速83r/min时最大。

局部振动测量采用便携式振动测量仪，各测点测量结果可直接与ISO6954-2000或ISO6954-1984⑷中规定的限值进行比较，该项测量可较为直观的反映船舶的振动水平。

上述两项试验均在试航时进行，在螺旋桨转速为83r/min时，目标船的振动水平最高。

表1列出了该工况两个典型位置的振动响应幅值。

船长室在居住舱中振动最大，垂向振动速度1.43mm/s,横向振动速度1.26mm/s,纵向振动速度5.93mm/s。

图3为船长室纵向振动频谱图。

系泊甲板尾端测点全船振动最大，垂向振动速度19.27mm/s,横向振动速度0.81mm/s,纵向振动速度4.59mm/So 应船东要求，按ISO6954-1984的相关规定，为了使居住舱室满足轻微振动的要求，船长室纵向
60卷第2期(总第230期)刘 阳，等：国内第一代LNG 船振动治理及基于试验的减振评估方法133振动速度峰值需降至4 mm/s 以下⑶。

至于系泊甲板尾端振动响应幅值，ISO6954-1984虽无要求，但体 感较差，需降至可接受的水平。

50 60
频率/Hz
图3船长室纵向振动频谱图
图2典型测点瀑布图表1典型位置振动测量结果
序号测点位置振动频率/Hz -振动速度峰值/(mms'1)
垂向横向纵向限值
1船长室 5.53
1.43 1.36 5.9342系泊甲板尾端
5.5319.270.81 4.59—2.2激振试验
为校核有限元计算模型，需测量实船上层建筑和旎部的固有频率，为此进行船体激振试验。

该试 验采用6t 激振机，安装在錠部甲板中线上，并将激振机下甲板作局部加强。

振动传感器布置在上层建 筑、錠部、直升飞机平台等部位，如图4所示。

134中国造船学术论文
激振机转速从30r/min逐步增加到83r/min,记录各测点的振动响应，整理后得到各测点随激振机转速而增加的振动加速度响应曲线。

共振峰值对应的激振机转速为测量点所在结构的固有振动频率。

图5和图6为典型测点的响应曲线。

由图5醍部垂向振动加速度曲线可知，在6.82Hz处有一个明显的共振峰，它是靛部垂向振动固有频率。

仔细观察该曲线，在5.8Hz处还有一个小峰值，该频率与螺旋桨额定转速（83r/min）时的桨叶激励频率接近。

激振机的激振力是由偏心块旋转产生的，其大小与转速平方成正比，在6.82Hz时的激振力约为5.8Hz时的激振力1.5倍。

若用此激振力激振,并将加速度曲线改为位移曲线，这个小峰就会明显起来，故5.8Hz应是錠部首阶垂向振动的固有频率，是造成醍部共振的原因。

图5驢部各层甲板加速度响应曲线图6上层建筑纵向加速度响应曲线
从图6所示的上层建筑纵向加速度曲线可看到，上层建筑首阶纵向振动固有频率为9.28Hzo同时注意到上层建筑纵向加速度响应曲线在5.8Hz处也出现小峰，这是由旎部垂向振动牵连引起的，是上层建筑纵向振动超过了轻微振动标准的原因，应于以特别关注。

首阶固有频率试验值列于表2o
表2上层建筑和驢部的首阶固有频率单位：Hz
计算值
位置试验值
原设计改进后
上层建筑9.289.219.45
錠部 5.80 5.73 5.96
2.3有限元分析
通过激振试验得到上层建筑和醍部的固有振动频率，为通过有限元分析研究这个重要参数提供试验值。

有限元分析可计算结构改变对这个参数的影响，为后期实船的振动治理提供量化评估依据。

根据本船实际情况，在振动分析时釆用船体后部模型。

该模型包括上层建筑、机舱、舵机舱、直升机平台和邻接机舱的半个货舱。

图7所示为振动有限元模型，在计算时考虑附连水对固有频率的影响。

模态分析结果列于表2。

由表2可见，上层建筑的首阶纵向振动固有频率为9.21Hz,錠部的首阶垂向振动固有频率为5.73Hz,与试验值吻合。

图8为上层建筑的纵向振动模态，图9为錠部的垂向振动模态。

60卷第2期（总第230期）刘阳，等：国内第一代LNG船振动治理及基于试验的减振评估方法135
图7振动有限元模型
图8上层建筑纵向振动模态图9錠部垂向振动模态
3振源分析和减振方案评估
3.1振因分析
本船振动是由螺旋桨诱导力激起的，可从振源及结构两个方面进行考虑。

由航行振动试验数据的频谱分析得知，与上层建筑纵向振动和靛部垂向振动最大值对应的频率均为螺旋桨叶频。

其中，上层建筑纵向振动固有频率远高于螺旋桨叶频，其自身特性不会导致大的振动；上层建筑纵向振动水平超过了轻微振动限值，应为过大尾端垂向振动牵连引起的，而尾端垂向振动过大则是由于激励频率与錠部垂向振动固有频率较为接近的缘故（两者错开4.9%）o釆取合适的结构措施提高錠部结构的固有频率，可降低錠部垂向振动，同时改善上层建筑纵向振动。

在共振区内加大固有频率与激励频率的错开度能产生明显的减振效果。

3.2艇部结构加强方案
为了分析结构加强对振动特性的影响，分别计算了将直升机平台加强和上层建筑与烟囱连接后的旎部振动固有频率及上层建筑纵向振动固有频率。

136中国造船学术论文
直升机平台为主甲板后延伸段，通过支柱与系泊甲板连接，直升机平台与系泊甲板之间无隔壁，无侧壁，直升机平台对靛部不提供垂向刚度。

为了使直升机平台参与錠部垂向变形，在可能的情况下,一些支柱向下延伸，并在支柱间增加斜撑。

对直升机平台本身增设加强筋。

结构加强后有限元分析结果列于表2。

由表2可见，将直升机平台加强并与下层甲板紧密连接后,錠部固有频率为5.96Hz,提高0.23Hz；上层建筑与烟囱连接后，上层建筑纵向固有频率为9.41Hz,提高0.2Hzo
3.3减振评估方法及方案减振评估
通过结构加强醍部垂向振动的固有频率提髙0.23Hz,与桨叶激励频率的错开度从4.9%提高到7.7%,但仍小于10%频率储备的要求，因此减振效果需作量化评估。

减振评估在前述试验和分析的基础上进行，由航行振动试验得到结构未加强的振动水平，由激振试验和有限元分析得到了加强前和加强后的振动特性，由此可推算结构加强后的振动水平。

在线性系统中，谐和力作用下的结构响应如振动位移，其振幅d为同
A=Afi(1)式中，心为将激励视为静力作用时的静位移，a为动放大系数。

a=]1=(2)
^(l-a2)2+4aV
式中，a=e/2,b=n/^=此处®为振动圆频率，2为结构固有圆频率，b为阻尼比，"为阻尼系数。

振动速度幅值可表示为V=Aa)=A s<oa.由此可知，振动速度与动放大系数成正比。

设结构加强前振动速度为汗，拆=人回心；结构加强后振动速度为冬，V2=A s2(o2a2.结构加强前后振动速度之比E=比=如些。

假定结构加强前后静位移变化不大，4产人2且®=贝0：
"比=鱼=札切+4輕⑶
v2«2Y(l-afF+4a%2
于是得:
结构加强前的振动响应速度％已由航行振动试验实测得到。

根据式(4)可求得结构加强后的船体振动速度冬。

结构加强前，%=e/2|=5.53/5.8=0.953；结构加强后，a2=®/22=5.53/5.96=0.928。

相对阻尼系数b x=Z>2=0.011o
将a2,b],$代入式(3),得£=1.51。

于是得到结构加强后上层建筑(船长室)的纵向振动速度/1=3.94mm,结构加强后系泊甲板靛端振动速度V2=V X/k=12.76mm。

解部结构加强后船长室纵向振动满足ISO6914(1984)关于轻微振动的要求。

系泊甲板錠端振动状况有较大改善。

整改后的再次航行振动试验表明，上层建筑纵向振动满足轻微振动要求，靛部垂向振动降至可接受水平，国内第一代LNG首制船顺利交付给船东。

60卷第2期（总第230期）刘阳，等：国内第一代LNG船振动治理及基于试验的减振评估方法137 4结论
（1）对于新设计船舶，应进行振动性能预报。

若条件具备，应进行船体激振试验，以校核有限元计算模型，提高预报精度。

（2）对于已建成的船舶，若出现振动问题，需寻找出原因，研究各种可行的方案，选择最有效和最经济的措施进行治理，做到一次治理彻底解决问题。

本船振动治理经验，可供类似情况的船舶振动治理时参考。

（3）本文基于试验的评估方法适用于结构加强方案的减振评估，其精度取决于加强前后包括阻尼在内的结构动态特性参数，因此除了进行实船航行试验，最好还要做船体激振试验。

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Vibration Reduction Measure for an LNG Tanker and Trial-based
Assessment Method
LIU Yang,ZHANG Xiaotong,SHEN Ning,PAN Weichang
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200129,China)
Abstract
Excessive vibration cropping up on a ship may be due to excessive excitation,or too small gap between the excitation frequency and the natural frequency of the ship.Vibration level of superstructure on an LNG tanker fabricated in China is over the limit of slight vibration,which is probably related to excessive vertical vibration of the aft body.In order to strengthen the aft body,an easy・to・realize countermeasure is presented and put into practice.Vibration reduction is evaluated with the assessing method proposed by the author.With the vibration of the aft body reduced,vibration level of the superstructure is reduced to the level of slight vibration,which gives a beneficial experience to ship engineers in solving similar vibration problems.
Key words：excitation test;hull vibration;implication vibration
作者简介
刘阳男,1984年生，高级工程师。

主要从事LNG船舶结构设计和建造关键技术研究。

张晓彤女,1969年生,
男,1971年生,潘伟昌男,1970年生,研究员级高级工程师。

主要从事船舶结构设计和建造技术研究。

高级工程师。

主要从事LNG船舶营销管理。

研究员级高级工程师。

主要从事LNG船舶设计和建造技术研究。

沈宁。