船舶试验典型振动问题的控制方法

V ol 38No.Z1
Apr.2018
噪
声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第38卷第Z1期2018年4月
文章编号：1006-1355(2018)Z1-0278-05
船舶试验典型振动问题的控制方法
付
佳，徐智言，盛利贤
（上海外高桥造船有限公司，上海200137）
摘要：由于某超大型液化气船在船舶试航期间出现明显振动问题，为了保证船舶顺利交付，急需在有限时间内提出经济有效的振动控制方案。

通过应用有限元软件对局部振动结构进行模态分析，将计算结果与激励频率范围进行对比，并结合试航试验结果，找出引起局部振动的主要激励源。

采用避开结构固有频率的方法，结合修改时间与优化成本，最终提出经济有效的结构优化方案。

通过再次试航试验，结果表明修改后的结构振动响应有显著减少，验证了优化方案的有效性。

关键词：振动与波；船舶振动；模态分析；振动控制；实船试验中图分类号：U661.44
文献标志码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.058
The Control Methods for the Typical Vibration Problems in
Ship Trial
FU Jia ,XU Zhiyan ,SHENG Lixian
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.Ltd.,Shanghai 200137,China ）
Abstract There are some vibration problems of the very large liquefied petroleum gas carrier during the sea trials.In order to ensure the delivery of ship,an economical and effective plan for vibration control is needed to be presented urgently.In this paper,the finite element method is used to analyze the mode of local paring the calculated results with the range of excitation frequency and the data of ship trial,the main excitation source that causes the local vibration are found.By using the method of avoiding the natural frequency of the structure as well as considering the modification time and optimal cost,the economical and effective plans are presented.In the second ship trial,the results show that the vibration response is reduced obviously after modification and the feasibility of this plan is verified.
Keywords :vibration and wave;ship vibration;modal analysis;ship trial
船舶在运营过程中，会受到外界激励力的影响产生不同程度的振动，当振动过于剧烈时，会对船体结构、设备仪器以及船上人员的舒适性带来损伤。

通常情况下，设计人员会从设计、建造、运营3个阶段对船体振动展开计算分析与控制工作。

但是，由于影响船舶振动的因素繁多，一些振动问题在船舶设计与建造阶段未能发觉，当船舶进行试航试验时才被发现。

在试航阶段解决船舶振动问题时，设计人员必须考虑优化成本与修改时间等影响因素，因此对在试航期间发现的振动问题提出振动控制方案
收稿日期：2018-03-15
作者简介：付佳（1989-），女，辽宁省葫芦岛市人，硕士，主要
研究方向为船舶结构设计、船舶振动噪声分析控制。

E-mail:just_fujia@
存在一定难度。

以某超大型液化气船为例，该船在试航期间发现驾驶室与首备件舱口角隅在主机转速为89r/min 附近时会发生明显振动现象，为了减小振动幅度，满足船东与市场要求，将对上述两部分开展减振处理。

本文应用有限元计算软件对驾驶室与首备件舱口角隅进行振动模态与固有频率分析，所得计算结果与试航实测结果对比吻合，从而找出引起局部结构振动的主要原因。

通过避开共振频率范围的方法，结合结构修改成本与时间，提出了一种经济有效的结构优化方案。

最后通过再次实船试航试验证明优化方案的有效性，结果令船东较为满意。

目前国内文献更关注船舶在设计阶段的分析预报，而针对船舶试航期间发现振动问题并提出振动控制方案的文献较少。

事实上，很多船舶在试航期
第Z1期间才会发现局部结构振动问题。

本文将根据船舶试航期间实测结果提出局部结构修改方案，主要目的是介绍船舶试航期间发现局部振动问题的整体解决思路与技术手段，并为其他船舶解决振动问题提供参考。

1船舶概述
超大型液化气船（Very Large Liquefied petroleum gas carrier ，简称VLGC 船）是一种主要运输以丙烷和丁烷为主要成份的石油碳氢化合物或两者混合气等其他化工产品的船舶。

本船的主要激励设备为螺旋桨与主机，其中螺旋桨为4叶单桨，试航试验转速为89r/min ，叶频为5.93Hz ，倍叶频为11.87Hz 。

主机为6缸柴油机，根据制造商资料，较大激励为2次不平衡力矩和6阶H 型倾覆力矩，对应频率为2.97Hz 和8.90Hz 。

2试航实测结果
船舶在试航期间会开展局部结构振动试验来判断船舶振动程度，其原理是通过传感器提取船舶正常航行时主要激励设备（例如主机、螺旋桨等）所引起的振动响应，再将各个激励相应分量按照相关方法进行加权平均处理，最终得到各个频率成分合成的响应值。

图1为船舶压载工况下，主机转速为89r/min 时驾驶室甲板纵向、横向、垂向3个方向的振动响应图，图中右侧表格为不同激励频率引起的振动
响应峰值。

从图1可以看出驾驶室甲板垂向振动幅值最大，激励频率出现在11.75Hz ，与螺旋桨倍叶频（11.87Hz ）相近，因此初步判断螺旋桨倍叶频激励为引起驾驶甲板振动剧烈的主要原因。

由于机舱3甲板首备件平台角隅不在ISO6954:2000标准考核范围内，仅有测量数据，纵向、横向、垂向振动响应值分别为1.39mm/s 、0.7mm/s 、14.81mm/s ，其中垂向振动响应值较大，需要对此处结构进行优化。

以上两处振动问题均为典型局部振动问题，本文将针对这两部分的振动问题展开分析并最终得到经济有效的振动控制方案。

3有限元模型
本文应用有限元软件MSC.Patran/Nastran 进行建模与分析工作，由于本船振动问题均出现在机舱与上层建筑，为了尽可能减少边界条件对其影响，保证计算准确度，同时节约建模时间，仅对机舱与上层建筑区域进行建模。

网格大小选取为纵骨间距，保证尽可能反映结构细节，机舱内设备依照实船施加结构质量点进行模拟，上建居装重量通过调节单元结构的材料密度来实现，即每层甲板增加40kg/m 2，边界条件为机舱前后端壁简支。

模型示意图如图2
所示。

图1主机转速为89r/min 时驾驶甲板实测数据
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第38卷
噪声与振动控
制图2上层建筑与机舱有限元模型
4局部结构优化方案
4.1驾驶室甲板振动控制方案
由于本船罗经甲板与驾驶甲板通过两根立柱进行连接形成一个整体振型，因此在进行结构修改时应将罗经甲板与驾驶甲板同时考虑。

对上述有限元模型进行模态分析，得到该结构1阶固有频率为10.60Hz ，是螺旋桨倍叶频的0.89倍，位于共振频率范围内（通常情况下，上层建筑有限元模型频率储备在±10%之间）。

因此，螺旋桨倍叶频激励力是引起驾驶室振动明显的主要原因，这与实测结果相符，证明计算模型与计算方法可靠，其相应振型如图3
所示。

图3罗经甲板与驾驶甲板1阶振型
针对驾驶甲板振动问题一般可从两个方面提出修改方案，即改变驾驶甲板板架固有频率或改善螺旋桨。

而在船舶试航阶段改善螺旋桨投入成本较大，并且船舶即将交付，没有充足的时间予以修改，因此只能从改变结构固有频率着手。

通过对本船驾驶甲板与罗经甲板结构进行分析，发现存在以下问题：驾驶甲板与罗经甲板跨度较大，甲板主要支撑构件刚度不够；右舷L4（S ）处T 型材尺寸小于左舷L4（P ）处T 型材尺寸，导致驾驶甲板右舷振动幅值高于右端。

针对以上问题，并结合施工难度与施工周期最终提出修改方案如下：
（1）罗经甲板L4处左右对称，将右端T 型材尺寸增大，与左端一致；
（2）驾驶甲板上位于立柱下方的FR39肋位处T
型材尺寸增大，即在板架中部且平行于板架长边增大T 型材尺寸可有效增加结构固有频率；
（3）在罗经甲板与驾驶甲板之间增加一根立柱，修改前后结构示意图如图4
所示。

(a)
修改前罗经甲板
(b)
修改后罗经甲板(c)
修改前驾驶甲板
(d)修改后驾驶甲板280
第Z1
期(e)
修改前结构主视图
(f)修改后结构主视图
图4罗经甲板与驾驶甲板结构修改前后对比图
改进后，罗经甲板与驾驶甲板一阶固有频率为14.82Hz ，可避开螺旋桨倍叶频激励频率范围，并在螺旋桨倍叶频激励频率基础上留有25%的裕度。

修改后结构一阶振型如图5
所示。

图5修改后罗经甲板与驾驶甲板1阶振型
4.2机舱首备件平台角隅振动控制方法
如图6所示，机舱三甲板首备件平台角隅处有缸盖备件318，重量为2.405t ；缸套备件317，重量为3.480t 。

应用有限元计算软件对此角隅是否安装备件两种状态进行模态分析，结果显示：未安装两个设备时，此处角隅一阶固有频率为18.74Hz ，其振型如图7所示。

安装两个设备后，此处1阶固有频率为8.66Hz ，相应振型如图8所示。

该状态下1阶固有频率为主机缸频激励频率（8.90Hz ）的0.97倍，位于共振频率范围内。

同时此角隅位于主机顶撑附近，受到主机激励力传递的影响较大。

因此判断主机缸频激励为引起角隅振动剧烈的主要原因。

对首备件平台角隅周围进行加强，即将原有部分角钢修改为刚度更大的T 型材，修改前后结构如图9所示。

修改后，角隅1阶固有频率为13.55Hz ，在主机缸频激励频率基础上留有53%的裕度，
可避
图6
首备件平台角隅位置
图7未安装首备件平台角隅1
阶振型
图8安装首备件后平台角隅1阶振型
开主机缸频激励频率范围，修改后角隅1阶振型如图10所示。

由于两个备件重量相对于主机与发电机等大型设备较轻，在设计阶段进行振动分析时很容易被设计人员忽略。

但是通过本船实测结果表明，在大开口周围安装设备时，应充分考虑设备质量给板架带来的振动影响，设计人员在设计时应引起注意。

5改进效果分析
通过再次试航试验结果发现，进行修改后的结构振动幅值都有明显降低。

其中，驾驶室甲板振动响应值相较于修改前结构振动响应值减少了40%，机舱首备件平台角隅振动响应值相较于修改前结构
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第38卷
噪声与振动控
制(a)
修改前平台角隅
(b)修改后平台角隅
图9
首备件平台角隅修改前后模型对比
图10修改后首备件平台角隅1阶振型
振动响应值减少了75%，验证了修改方案的有效性。

表1为结构优化前后振动响应数值。

表1局部结构优化前后振动对比
结构名称驾驶室首备件平台角隅
优化前振动测量结果（mm/s ）
4.2014.81
优化后振动测量结果（mm/s ）
2.50
3.74
6结语
本文以某超大型液化气船为例，介绍了在船舶试航期间发现局部结构振动问题后的解决思路与分析方法。

本文应用有限元分析软件对振动剧烈结构进行模态分析，得到结构固有频率，并结合实船测试数据判断引起结构振动的主要原因。

通过采用避开
结构共振频率范围的方法，综合考虑优化成本与修改时间，最终确定结构优化方案。

通过再次试航试验结果验证优化方案的效果显著，同时也验证分析方法的可行性。

文中的两处振动问题都具有典型特点，总结如下：
(1)驾驶甲板与罗经甲板位于上层建筑顶部，所受外部压力从上至下逐层降低，结构强度也逐层减小。

但从振动分析角度出发，上层甲板较下层甲板受上层建筑整体振型影响更大，因此，设计人员在考虑结构强度的同时也应考核结构振动。

(2)船上设备繁多，在进行船舶振动分析时，容易忽略一些小型设备质量给船体结构带来的振动影响，通过本次试航结果发现，小型设备重量也会引起结构振动剧烈，设计人员应该引起重视。

本文虽然介绍了船舶建造完成阶段处理振动问题的思路与方法，但是相较在船舶设计初期发现并解决振动问题代价昂贵了许多。

因此，在船舶设计阶段应尽可能准确分析潜在振动问题，减小振动超标风险。

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