0 引　言

船舶是一种完全自由地悬浮在水面上的弹性体，航行过程中，不可避免地受到各种激励的作用而发生总体的或局部的振动^[1]。船舶的强烈振动可能会引起船员与乘客的不适，造成船体结构在高应力区产生疲劳裂纹，也会影响船用设备的寿命。因此，船舶振动问题受到了研究人员的重视。宋宇等^[2]分析了某自卸运砂船的振动特性，给出了改善上层建筑振动的方案；刘美彤等^[3]针对散货船上建振动提出了多种振动控制方案，并在减振效果、质量控制、舱室布置等维度对各减振方案进行对比；孙芳胜等^[4]研究大型集装箱船绑扎桥的振动响应；张润华等^[5]采用振动控制避开共振频率范围的方法提出多种振动控制方案，并通过航行测试验证了振动控制方案的有效性；邱吉廷等^[6]研究了主机顶撑的布置形式及工作模式对船体振动控制的影响。

某敞口集装箱船在试航过程中，绑扎桥、桥翼、舵机间出现了较大振动。针对这些振动问题，本文进行了强迫振动分析和局部振动分析，找出发生强烈振动的原因，并给出了相应的振动控制方案，对后续敞口集装箱船的减振设计具有借鉴作用。

1 概　述

敞口集装箱船是在一个或多个舱不设置舱口盖的集装箱船，具有装卸效率高、停泊时间短、港口费用低的特点，在短航线和江海直达航线运营具有较大的经济优势。为满足干舷的设计要求，敞口集装箱船通常采用货舱区甲板与尾部甲板错层的结构设计。这种设计导致主船体结构对上层建筑的支撑刚度较低；同时尾部结构高度有限，船体结构刚度较小，固有频率较低，容易与主机及螺旋桨的激励频率相遇，存在共振风险。某敞口集装箱船在试航过程中，绑扎桥、桥翼、舵机间出现了较大振动。本文采用有限元法对该船进行了振动响应分析，找出引起振动的主要原因，并给出了相应的振动控制方案。

1.1 基本参数

本船为尾机型船舶，上层建筑在机舱上方，尾部甲板设置绑扎桥，主要设计参数如表1所示，主机参数如表2所示，螺旋桨参数如表3所示。为满足敞口集装箱船的干舷要求，本船的货舱区甲板与尾部甲板采用错层设计。同时，本船具有1A冰级船级符号，设有全封闭桥楼。

1.2 激励源

主机和螺旋桨在运行时激起的激振力是引起船体振动的主要原因。柴油机在运转中，由燃烧气体产生交变的气体力，以及交变的往复惯性力和离心力，而这些力和力矩可能会引起船体振动^[7]。本船的主要主机激振力如表4所示。

螺旋桨激励可分为两类：1）脉动压力，螺旋桨运转时引起螺旋桨附近水线面以下船体表面的水压力产生脉动；2）轴承力，由于伴流的不均匀性，各叶片的工作状态随伴流变化而变化，导致各叶片承受的力呈周期性变化^[7]。其中脉动压力是引起尾部及上建区域振动的主要因素。本船的主要螺旋桨脉动压力如表5所示。

2 振动数值分析模型

振动分析采用一个三维有限元模型。所有的船体主要结构构件比如甲板、纵横舱壁、纵桁、横梁、外板都采用平板应力单元建立。甲板骨材、支柱和加强筋都采用梁单元建立。上层建筑也采用板单元和梁单元建立。模型采用肋距X纵骨间距尺寸建立。

全船有限元模型如图1所示，绑扎桥模型如图2所示。

3 绑扎桥振动分析及控制

随着集装箱船装箱数的增加，绑扎桥层数不断增加，绑扎桥的刚度变弱，固有频率不断降低。根据LR规范^[8]，在试航和压载工况时，绑扎桥不设绑扎，绑扎桥更容易出现强烈振动问题，引起绑扎桥结构产生裂纹，进而引起疲劳破坏，桥上的照明灯损坏等问题。

根据试航反馈，上建后方的绑扎桥振动较为恶劣。因此，本文选取该桥进行绑扎桥振动研究。

3.1 固有频率分析

基于LR规范要求，对绑扎桥进行模态分析，评估绑扎桥的固有频率能否避开主机及螺旋桨激振力的频率。该桥的典型振动模态如图3所示。

根据LR规范中的评估要求，绑扎桥的固有频率需要避开80%NCR–10%MCR～MCR+10% MCR转速范围的激振力频率，否则需要进行强迫振动分析。对于本船来说，从图3的绑扎桥振动模态结果可知，本船绑扎桥的固有频率无法避开主要激励源的激振频率，需要展开进一步的强迫振动响应分析。

3.2 强迫振动分析

根据强迫振动分析结果可知，绑扎桥的振动响应由主机H型激励引起，最大受迫响应值出现在船长（X）方向。图4为绑扎桥4层平台的振动响应曲线，由振动响应曲线可知，振动响应高峰对应的主机转速为45 r/min，最大响应计权均方根结果（R.M.S）为24.16 mm/s，对应的绑扎桥的振动固有频率为4.51 Hz。

3.3 振动控制方案

结合绑扎桥的结构特点和强迫振动响应结果可知，引起绑扎桥振动的主要原因是绑扎桥层数多，绑扎桥刚度较小，固有频率较低，绑扎桥二阶振动频率与主机H型激振力频率相遇，发生了共振。考虑到绑扎桥的设计一般由设备厂商提供，修改绑扎桥本身结构来减振的加强措施实施起来较为困难。因此，本文采取调整绑扎桥下方加强结构的方式，改变绑扎桥船体结构的耦合刚度，进而改变绑扎桥船体耦合模态的固有频率，以期能降低绑扎桥振动响应幅值。本文采用的振动控制方案汇总如表6所示。从共振理论可知，频率错开设计包含2种设计方法，一是提高结构的固有频率以避开激振频率（方案1），二是降低结构的固有频率以避开激振频率（方案2、方案3）。

采用有限元对各控制方案进行固有频率分析，得到各控制方案绑扎桥的固有频率，汇总如表7所示。可知，通过调整绑扎桥下方加强结构，改变主甲板支撑结构的刚度，能够一定程度上改变绑扎桥的固有频率；但是，受绑扎桥在船长方向上窄高的结构特点影响，绑扎桥的纵向振动模态固有频率较低，即使调整绑扎桥下方结构加强形式，也无法让绑扎桥的固有频率避开激励源的频率，绑扎桥仍存在共振风险。

为量化各加强方案的减振效果，采用全船有限元模型进行强迫振动响应分析。改进前后测点的最大振动响应计权均方根值如表8所示。

对比振动响应结果可知，方案1增加了一道横梁，虽然可以提高绑扎桥的固有频率，但无法避开激励源的激振频率，无法避免共振发生。同时，由于绑扎桥固有频率提高，共振点后移，激振力增加，响应幅值反而增加。

方案2和方案3在原始设计的基础上，分别移除了绑扎桥下方的部分或全部短纵桁，降低了绑扎桥的固有频率。从受迫振动响应的结果可知，这2种方案可以降低绑扎桥振动响应，达到了很好的减振效果。这说明，在无法避免共振风险时，在保证局部结构强度的前提下，适当减少加强结构，可以让共振发生在激振力较小的转速，进而降低振动的响应幅值，达到控制振动的效果。

4 桥翼振动分析及控制

本船具有1A冰级船级符号，设有全封闭桥楼，全封闭桥楼的振动区域为工作区域，与普通设计相比，振动要求更加严格。试航时，本船的桥翼区域发生了较大的振动。因此，本文对桥翼区域的振动响应进行分析，并给出减振方案。

4.1 强迫振动分析

根据强迫振动分析，得到桥翼的振动响应曲线如图5所示。由响应结果可知，在主机H型激振力作用下，桥翼存在较大的X向振动问题。本船的货舱区甲板与尾部甲板错层，导致主船体结构对上层建筑的支撑刚度较低。同时，全封闭式桥楼结构增加了桥楼的质量，降低了桥翼的固有频率，增加了桥楼的振动风险。

4.2 振动控制方案

一般情况下，船舶的减振手段主要有3种：一是改变局部结构设法避开共振状态；二是减小螺旋桨的激励；三是主机减振^[1]。本船存在的桥翼振动问题主要是主机H型激振力引起，因此，本文从改变局部结构及主机减振2个方向出发，提出了3种减振方案（见表9），希望能得到控制桥翼振动的有效措施。

根据强迫振动分析，在主机及螺旋桨激振力作用下，各减振方案下桥楼的振动响应结果如表10所示。

通过各振动控制方案的减振结果对比可知，无论是增加撑杆还是增加纵舱壁，对于封闭式桥楼的振动控制效果均可以忽略不计，想要通过改变局部结构的方式达到控制桥楼振动的目的较为困难。增加主机液压顶撑，减小主机振动能从振源处减振，可以达到很好的减振效果。

5 舵机间振动分析及控制

本船的尾部结构扁平，导致尾部结构刚度较小，易发生局部振动；尾尖舱兼做压载舱，压载水的附连效应进一步降低了舵机间板格的固有频率；同时，螺旋桨激励较大，而舵机间处于螺旋桨正上方，直接受到螺旋桨激励的影响，容易发生局部振动。图6给出了试航时实测得到的舵机间Z向振动频谱曲线。由振动频谱可知，造成舵机间局部振动的主要激励源为螺旋桨二阶及螺旋桨三阶激振力。

全船强迫振动响应分析能考虑板架级别局部结构振动导致的响应，但对于板格和筋级别局部结构振动导致的响应受限于网格尺寸要求无法考虑。因此，对于舵机间的局部板格振动问题，采用解析方法和经验性的边界条件进行固有频率分析。分析舵机间的固有频率可知，原设计下舵机间结构的固有频率（22 Hz）无法避开螺旋桨三阶激振频率（22.43 Hz），存在局部振动风险，与实测结果吻合。在舵机间下间隔增加两档开孔板，减小板格跨距，可以提高板格的固有频率（35 Hz），降低舵机间发生局部振动的风险。

6 结　语

本文针对某敞口集装箱船试航过程中出现的振动问题，进行总振动分析和局部振动分析，并给出了对应的减振方案，得到以下结论：

1）集装箱船的绑扎桥整体纵向刚度较小，绑扎桥纵向振动模态的固有频率难以避开主机及螺旋桨的激振频率，存在振动风险。

2）绑扎桥的固有频率主要受自身结构影响，增强支撑结构的方法对绑扎桥的固有频率影响有限。在无法避免共振风险时，在保证局部结构强度的前提下，适当减少加强结构，可适当降低结构固有频率，让共振发生在激励较小的转速，振动响应幅值也能得到一定的降低。

3）全封闭桥楼降低了桥楼的固有频率，增加了振动风险。改变局部结构的方式难以解决桥楼振动问题。采用主机减振，增加主机横撑的方式可有效控制桥楼振动问题。

4）尾部结构高度有限，刚度较低，固有频率低。舵机间位于螺旋桨正上方，容易与螺旋桨激振力发生共振。螺旋桨二阶、三阶激振力对舵机间的局部振动都有一定的影响，可在设计阶段合理设置隔板，提高舵机间板格的固有频率，避开螺旋桨的激励频率。