0 引　言

随着当代社会的发展和技术的进步，船舶的制造由实用为主逐渐向高精尖的方向发展，追求更高的航速、更大吨位的载重量和整体轻量化，致使船型要增宽、对应的主机功率要增大、船身板材构件也要减薄变小。然而板材的轻量化可能会使船体结构的刚度不够，进而导致船舶振动加剧。在航行过程中，船舶因为螺旋桨、主机以及其他外界激励的影响会出现自由振动跟强迫振动。外界激力超过一定频率会引起船舶部分构建产生局部振动，当激励频率与船体固有频率一致使便会产生共振，这对船舶危害非常大，即使船舶不会出现共振的情况，但过强的强迫振动也会造成船体的破坏。

国内外对于船舶的振动研究很多，王崇磊^[1]通过有限元软件MSC.Patran对2400 t集装箱船进行全面振动分析研究；李文华等^[2]运用组合模型对油船振动分析并验证了这一方案的可行性；杜松林^[3]针对内河船经常出现的局部振动情况进行了深入分析并提出来对机械设备采用弹性材料连接或支持、柴油机选取多缸机型以及合适安装位置等多种减震措施；黄天星等^[4]用GL.LocVibs软件对1700TEU船上层建筑驾驶舱出现的局部振动问题进行分析，通过更换骨材使振动问题得到解决。其他的相关研究与计算方法也有很多，如通过计算与试验进行对比研究、利用计算程序研究、使用振动耦合的计算研究等^[5-12]。

船舶上层建筑是构成船体结构的主要部分，也是船员主要活动场所，还有控制航行与导航以及其他很多的精密仪器设置在上层建筑里。虽然船舶航行无法避免船体振动，但是过高的激振力会降低船的稳定性，使船体结构更易疲劳受损，不利于船员的身心健康，极大降低航行过程中的舒适度。船上操作仪器可能会受振动影响而失灵，不能正常工作。某新型“集散两用”船既可以用作集装箱船，还可以用作散货船，有2个上层建筑，分别位于船首和船中。其中船中上层建筑结构及位置都比较特殊，较船首上层建筑高度更高，体积更大且两侧有2个大开口货仓，这种情况下螺旋桨和主机对船中上层建筑的振动影响更大，所以有必要对此“集散两用”船的船中上层建筑进行振动特性分析，针对振动影响较大的部位，提出合理可行的优化建议，更好地消除振动对船体的影响，保障行船安全。

1 基于有限元分析法研究上层建筑振动的理论

在水面上航行的船舶可以看成一个完全漂浮在水面上具有弹性的变截面空心梁，在其他激振力的影响下会产生整体还有局部的振动。船舶在运行中会因为螺旋桨或者主机等设备在不同转速下运转产生的周期性激振力而引发稳态强迫振动，另外波浪的抨击、其他物体对船体的冲击会使船舶瞬态振动，因为这些只是非周期性的激振力而且作用时间短暂。船舶振动一般最需要解决的就是稳态强迫振动问题，但是工况复杂，需要考虑的因素较多。有限元分析法的特点是能将复杂难解的问题转变成简单的求解问题，所以选择有限元分析法可以把该新型“集散两用”船船中上层建筑的振动研究问题进行简化求解，求得的解近似真实解，虽然会有一定的误差存在，但不会影响整体的研究结果。

2 上层建筑总体和局部振动特性计算要求 2.1 有限元模型

使用有限元分析法对某新型“集散两用”船的船中上层建筑进行振动特性分析，采用MSC.Patran软件建模，x轴由艉指向艏，y轴指向左舷，z轴垂直向上，采用密度为7 850 kg·m⁻³，弹性模量为206 MPa，泊松比为0.3的钢板。船中上层建筑共9层，总长48 200 mm，总宽9 000 mm，总高30 100 mm。外围舱壁厚度为8 mm，支撑舱壁厚度为6 mm,轻型舱壁厚度为4.75 mm。模型载荷按照实际质量分布施加。船中上层建筑模型如图1所示。

2.2 船中上层建筑振动频率储备要求

对于船体的振动性能评估时，船中上层建筑首阶固有频率避错开激励振动频率需要一定的储备频率，这样才能避免发生强烈的共振，造成船体结构、仪器使用、船员健康等伤害。船中上层建筑振动的固有频率值应和激励频率值错开至少15%；船中上层建筑局部板架振动的固有频率计算值相比干扰频率，一般设定低避错开至少30%，高避错开至少20%，可以由下式表示：

上层建筑整体频率避错开应满足

$ {f_i} \geqslant 1.15{f_e} \; {\rm{or}}\; {f_i} \leqslant 0.85{f_e} ，$

(1)

上层建筑局部频率避错开应满足

$ {f_i} \geqslant 1.2{f_e} \; {\rm{or}}\; {f_i} \leqslant 0.7{f_e}，$

(2)

船舶振动频率的储备要求：

$ \left( {\frac{{{f_{_e}} - {f_i}}}{{{f_e}}} \times 100\% } \right) \geqslant \eta。$

(3)

式中：f_e为上层建筑的固有频率，Hz；f_i为激励频率，Hz；η为储备频率。

2.3 振动激力

该新型“集散两用”船在运输过程中主要受到来自螺旋桨和主机的振动激力，激励频率如表1所示。

2.4 质量分布

船体各部位的质量分布对船舶振动有着决定性的影响，为了更好地模拟该集装箱船船中上层建筑的质量分布，使计算结果更具真实性，对每层甲板施加质量载荷可以根据每层实际的质量分布情况，采取对每个区域进行相应的密度调整方法实现。把需要施加的质量转换成密度，在原来板材的密度基础之上进行密度的加减，这样相同区域的面积通过改变密度使整体质量发生了变化。还可以用施加质量点的方法对每层不同区域设置相应的质量载荷。

3 船中上层建筑振动特性分析及评估

研究船中上层建筑的振动时，不能把上层建筑当做一个独立结构研究，船舶结构是具有关联性的，而且不利于确定边界条件。为了保证计算结果最终的准确性，需要将部分主船体结构考虑进去，振动模型范围为：纵向为上层建筑区域向前向后延伸一个货舱处；垂向至船底部处；横向取整船宽。在模型截取断面施加简支约束。该新型“集散两用”船的船中上层建筑振动研究有限元模型如图2所示。

根据船中上层建筑的有限元模型，其振动频率的计算公式如下：

$ {F_1} = \frac{1}{{2{\text{π}} }}\sqrt {\frac{{a{b^2}}}{{c{d^2}}}}，$

(4)

$ {F_2} = \frac{1}{4}\sqrt {\frac{{x{y^2}}}{{e{z^2}}}} \cdot s ，$

(5)

$ F = \frac{1}{{F_1^2}} + \frac{1}{{F_2^2}}。$

(6)

式中：a为弹性常数；b为船中上建长度；c为船中上建质量；d为回转半径；x为船中上建高度；y为剪切刚度；z为剪切面积；e为剪切模量；s为船舶弯曲的变形修正系数。

3.1 船中上层建筑整体振动特性评估

根据所列的激励频率，船中上层建筑整体振动的储备频率评估结果及振型图分别见表2及图3～图5。

由表2可以看出，船中上层建筑在振动频率为2.813 Hz时发生横摇，与1阶主机激励频率避错开34%，其最大振动部位在上层建筑最顶层的驾驶室处；船中上层建筑在振动频率为10.336 Hz时绕z轴转动，与4阶螺旋桨激励频率避错开29%，其最大振动部位在上层建筑顶部靠左舷处的围栏位置；船中上层建筑在振动频率为12.164 Hz时发生纵摇，与7阶主机激励频率避错开17%，其最大振动部位在上层建筑顶部靠右舷部位的外伸平台。综上，利用有限元计算得出的船中上层建筑整体振动频率均满足与激励频率避错开至少15%的储备要求。通过整体振动的变形图可以看出，不管是发生横摇、纵摇还是绕z轴扭转，船舶振动对上层建筑的影响随着高度的增加而逐渐增大，所以在船中上层建筑局部振动特性分析时会着重查看最高几层的振动情况，尤其是对高层处船舶振动对舱室内人员活动、仪器摆放区域的影响。

3.2 船中上层建筑局部振动特性评估

由于船舶在运行时无法避免局部振动情况，所以只选取振动频率最高的部位进行研究。船中上层建筑板架，不满足所列激励频率储备的结果振型图见表3及图6和图7。

8甲板在振动频率为13.986 Hz、9甲板在振动频率为14.915 Hz时，甲板的局部振动很大，均不满足与7阶主机激励频率低避错开30%的要求，而且8甲板振动过强部位在电梯开孔附近，很可能对电梯的正常运行构成安全隐患。为了保证安全还有驾驶室内仪器和船员尽可能不受影响，需要对此处进行结构减震处理。

4 船中上层建筑局部振动优化

结构方面的减震对策有很多种，通过加强局部板材的尺寸、加厚局部甲板、更换减震性能好的材料等方式都可以实现减震的目的，不过从造船的经济性和时间成本来说，该新型“集散两用”船的船中上层建筑振动过强部位选择加强甲板局部板材尺寸的方案更优，因为相比其他的改善措施来说不仅成本低，而且没有复杂的工艺技术，操作难度不大更容易实现。因此，将8甲板和9甲板振动强烈的区域沿船宽方向增设一道尺寸为385×10×150×15的T型材。经计算，对甲板板材加强后，甲板局部振动情况有所改善，加强方案及结果振型图如图8～图11所示。

通过在局部振动过大的区域增设一道385×10×150×15尺寸的T型材后，均满足板架振动频率与螺旋桨和主机低避错开至少30%，高避错开至少20%的要求。8甲板局部加强后最低振动特性提高到35.111 Hz，储备值从原来的1.18提高到2.4；9甲板局部加强后最低振动特性提高到31.230 Hz，储备值从原来的1.176提高到2.14。从结果数值可以看出，该船船中上层建筑局部振动储备值不足的部位经过局部骨材加强的方式，最低振动频率都有所提高，局部振动得到了明显的减震改善。

5 结　语

本文采用MSC·Patran软件建立“集散两用”船的船中上层建筑及相连部分舱段的有限元模型，通过有限元方法对该船船中上层建筑进行整体振动和局部振动研究分析，得出以下结论：

1） 船中上层建筑越高处，受到船舶振动的影响越大。不论是整体振动还是局部振动，基本上最大振动位置都是出现在高层部位。

2） 船中上层建筑的整体振动均满足与激励频率避错开至少15%的频率储备要求，船中上层建筑整体振动情况安全。

3） 船中上层建筑的局部振动情况有待改善。其中8甲板和9甲板的局部区域振动过强，会对船员的作息和对应位置仪器设备的正常工作造成不利影响，而且8甲板局部振动位置靠近客梯开口处，对电梯的安全运行也会造成威胁。

4） 通过对8甲板和9甲板不满足频率储备要求的地方进行局部板材尺寸加强，将其中一道尺寸较小的球扁钢跟换成尺寸为385×10×150×15的T型材，可有效提高该处的振动频率，达到减震的目的。加强后甲板的振动频率均满足与激励频率低避错开至少30%，高避错开至少20%的频率储备要求。在建造该新型“集散两用”船的船中上层建筑时，可以考虑在8甲板和9甲板对应的肋位处采取385×10×150×15尺寸的T型材作甲板支撑构件，以避免对上层建筑运行设备还有船员生活造成影响。