李凱，趙德有，黎勝，劉松，邢金有

（1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；2大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連116024）

基于測試和動(dòng)力特性推算的減振評估方法

李凱1，趙德有2，黎勝2，劉松2，邢金有2

（1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；2大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連116024）

文章提出了基于振動(dòng)測試和動(dòng)力特性推算的振動(dòng)評估方法，探討了船舶振動(dòng)治理中無法進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算時(shí)所可采用的有效措施。針對典型有害局部振動(dòng)問題，通過振動(dòng)測試和三維有限元計(jì)算，找出主要的激勵(lì)源，進(jìn)而提出了合理的減振措施；基于文中提出的響應(yīng)推算方法對不滿足頻率儲備要求的減振措施進(jìn)行評估，響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果滿足振動(dòng)衡準(zhǔn)，使該船得以順利交船。在減振措施及效果評估方面取得了有益的經(jīng)驗(yàn)，并對今后的船舶減振設(shè)計(jì)提出了建議。

船舶振動(dòng)；柴油發(fā)電機(jī)平臺；頻率儲備；動(dòng)力特性推算；診斷；治理

0 引言

結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)中的首要問題是避免共振，即使結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率計(jì)算值與激勵(lì)力的頻率值有一定頻率儲備值。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中振動(dòng)頻率儲備值的合理確定有很重要的意義。因此在國內(nèi)外造船界，無論是民用，還是軍用船舶的規(guī)范和設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則都要對結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率儲備做出某些規(guī)定，要求在設(shè)計(jì)船舶時(shí)嚴(yán)格遵守[1-2]。

實(shí)踐表明，有些船舶采用了高轉(zhuǎn)速、大功率動(dòng)力設(shè)備，所引起的激勵(lì)力的頻率很高，并且設(shè)備的重量非常大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率值完全滿足頻率儲備值有困難。

針對不滿足頻率儲備的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題，通常的方法是進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)來評估。但這是在激勵(lì)力、阻尼參數(shù)以及邊界條件明確的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。而目前很少有文獻(xiàn)對于不滿足頻率儲備要求，且無從進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)的振動(dòng)問題進(jìn)行較細(xì)致的分析和處理。

本文提出了基于振動(dòng)測試和動(dòng)力特性推算的振動(dòng)評估方法，探討了船舶振動(dòng)治理無法進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算時(shí)所采用的一些有效措施，并通過一例局部有害振動(dòng)診斷和治理來說明具體減振措施和效果。

1 振源診斷與振因分析

船舶振動(dòng)的診斷通常包括以下內(nèi)容：激勵(lì)源的調(diào)查、測試與分析；振動(dòng)的范圍和性質(zhì)的分析；振動(dòng)部位的模態(tài)分析。激勵(lì)源的調(diào)查，包括對主機(jī)、螺旋槳以及輔機(jī)的情況與特點(diǎn)的分析，如主輔機(jī)型號、不平衡力（或力矩）的階數(shù)和大小，以及螺旋槳的葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速以及尾部伴流場的情況。上述分析可為振動(dòng)的頻譜分析確定主要激勵(lì)頻率提供重要信息[2]。

振動(dòng)測量可以對主要激勵(lì)作用下振動(dòng)的范圍、大小和嚴(yán)重程度提供結(jié)論。而通過對測量信號的頻譜分析、傳函分析以及傳函相干分析可以確定主要振源以及振源的主要頻譜分量，為改善主要振源和采取必要措施提供依據(jù)。通過對振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，可以判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生區(qū)域性或者整體性的共振，為改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.1 試航測試結(jié)果

某國外引進(jìn)的VLCC改裝船，在改裝前進(jìn)行試航時(shí)，機(jī)艙發(fā)電機(jī)平臺振動(dòng)噪聲非常大，使得相關(guān)工作人員無法正常工作，船東方先前組織了實(shí)船航行狀態(tài)下，主機(jī)轉(zhuǎn)速為74.3 rpm的振動(dòng)測試，平臺最大振動(dòng)響應(yīng)值達(dá)到10.5 mm/s，不滿足ISO6954-2000振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了查明本船的振動(dòng)原因，作者對改裝船原有設(shè)計(jì)資料進(jìn)行分析，主要激勵(lì)源參數(shù)見表1，并對船體狀態(tài)和振動(dòng)進(jìn)行了觀察和測試[1]。測量使用的測量儀器為VA-10便攜式測振儀，船舶?？吭阱^地，主機(jī)和螺旋槳均關(guān)閉，故未進(jìn)行船舶航行狀態(tài)下的測量。本次測量了機(jī)艙二平臺和柴油發(fā)電機(jī)基座縱向、垂向和水平方向的響應(yīng)值并進(jìn)行譜分析[3]，主要測點(diǎn)位置見圖1。

圖1 主要測點(diǎn)示意圖Fig.1 The Locations of the measurement points

進(jìn)行了四種運(yùn)行工況的測量，分別為：

（1）3號柴油發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，1號和2號發(fā)電機(jī)關(guān)閉

圖2 測點(diǎn)a垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.2 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point a

圖3 測點(diǎn)d垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.3 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

（2）3號和1號柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，2號發(fā)電機(jī)關(guān)閉

圖4 測點(diǎn)b垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.4 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point b

圖5 測點(diǎn)d垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.5 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

（3）3號、1號和2號柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行

（4）3號和2號柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，1號發(fā)電機(jī)關(guān)閉

圖6 測點(diǎn)d垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.6 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point d

圖7 測點(diǎn)c垂向振動(dòng)速度響應(yīng)譜分析Fig.7 The spectral analysis of vertical vibration response at measurement point c

將測試結(jié)果綜述如下：

（a）在測試過程中，站在柴油發(fā)電機(jī)組平臺上有明顯的振感，并伴有較大的噪聲；特別在測點(diǎn)b和測點(diǎn)d有較大的垂向振動(dòng)響應(yīng)。

（b）通過分析振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果可知，柴油發(fā)電機(jī)組平臺垂向振動(dòng)速度響應(yīng)最大綜合值達(dá)8.95 mm/s，不滿足ISO6954-2000振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求[4-5]。由譜分析結(jié)果可以看出，在頻率24 Hz處振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)明顯的峰值。

1.2 振動(dòng)診斷

1.2.1 測試結(jié)果分析

該船柴油機(jī)型號：5L28/32，發(fā)火順序?yàn)椋?-2-4-5-3，轉(zhuǎn)速：720 rpm，設(shè)備重量：35 000 kg，該機(jī)組剛性固定在船體基座上。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組型號及發(fā)火順序，可知該型號柴油機(jī)存在較大的二階垂向不平衡力矩，頻率為24 Hz，從各測點(diǎn)的譜分析（圖2-7）頻率成分可以看出，主要響應(yīng)峰值頻率為24 Hz。參考表1可知，響應(yīng)峰值頻率與柴油發(fā)電機(jī)二階不平衡力矩頻率比較吻合。

表1 主要激勵(lì)源Tab.1 Main excitations

圖8 柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型Fig.8 Finite element model of the Diesel-generator and platform

1.2.2 柴油發(fā)電機(jī)平臺振動(dòng)固有

頻率計(jì)算

為進(jìn)一步驗(yàn)證激勵(lì)源，采用三維有限元方法[6-9]計(jì)算了柴油發(fā)電機(jī)平臺的固有頻率為24.889 Hz（表2），柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型如圖8所示，振型如圖9所示，可以初步確定柴油發(fā)電機(jī)的二階垂向不平衡力矩激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率比較接近。結(jié)合之前實(shí)船航行測試結(jié)果以及表1可知，前后兩次振動(dòng)測試的結(jié)果基本一致，只是實(shí)船航行狀態(tài)測試值稍大。螺旋槳和主機(jī)的激勵(lì)力不會(huì)引起平臺結(jié)構(gòu)的共振，但會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)。因此判斷引起平臺振動(dòng)和噪聲的主要振源為柴油發(fā)電機(jī)的二階不平衡力矩。

表2 柴油發(fā)電機(jī)平臺結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率計(jì)算結(jié)果[7]Tab.2 Calculation results of the platform

圖9 柴油發(fā)電機(jī)平臺垂向振動(dòng)振型圖，f=24.889 HzFig.9 Vibration mode of Diesel-generator platform,f=24.889 Hz

2 綜合減振措施

由三維有限元計(jì)算結(jié)果（表2）可以看出，機(jī)艙第二平臺結(jié)構(gòu)不滿足柴油發(fā)電機(jī)二階激勵(lì)頻率的儲備要求，引起平臺結(jié)構(gòu)的有害振動(dòng)。該船柴油機(jī)存在較大的二階不平衡力矩，最理想的減振措施便是增設(shè)減振器。但是由于輔機(jī)設(shè)備重量很大，增設(shè)減振器之后柴油機(jī)航行穩(wěn)定性可能存在隱患以及施工難度、成本的考慮，船東沒有同意采用減振器方案，因此只有采取局部結(jié)構(gòu)修改措施，使結(jié)構(gòu)固有頻率與激勵(lì)頻率錯(cuò)開合理的距離，最終達(dá)到了減振目的。作者出于結(jié)構(gòu)安全性的考慮，采用提高結(jié)構(gòu)剛度的硬設(shè)計(jì)方法[7-8]。主要提出以下減振措施：

（1）柴油發(fā)電機(jī)平臺增設(shè)強(qiáng)橫梁，提高結(jié)構(gòu)剛度

在1號和2號柴油發(fā)電機(jī)組兩端點(diǎn)所在肋位，右舷L8到L17之間增加兩道強(qiáng)橫梁⊥900×12+200×20。在3號柴油發(fā)電機(jī)組兩端點(diǎn)所在肋位，右舷L12到L17之間增加兩道強(qiáng)橫梁⊥900×12+200×20。

（2）柴油發(fā)電機(jī)組平臺下加工字鋼支柱

由于三臺輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下濕重達(dá)120噸，僅通過增加平臺下強(qiáng)橫梁、縱桁來提高固有頻率并不明顯，因此，作者建議機(jī)艙柴油發(fā)電機(jī)組平臺下加若干工字鋼支柱，支柱需要生根坐在艙底大肋板上，以盡可能提高結(jié)構(gòu)固有頻率。

（3）增設(shè)箱梁結(jié)構(gòu)

采用增設(shè)箱梁結(jié)構(gòu)的方法,進(jìn)一步提高甲板結(jié)構(gòu)固有頻率。箱梁由兩道相鄰強(qiáng)橫梁或者縱桁通過面板焊接而成；在柱子頂端與箱梁結(jié)構(gòu)連接部位增加肘板以提高支撐剛度。箱梁示意圖見圖10。

圖10 柴油發(fā)電機(jī)組平臺箱梁示意圖Fig.10 Structural model of Diesel-generator platform after reinforcement

3 減振效果評估

3.1 柴油發(fā)電機(jī)平臺振動(dòng)固有頻率（結(jié)構(gòu)修改后）

上述提出的三項(xiàng)減振方案，重新進(jìn)行三維有限元建模[9]仿真預(yù)報(bào)，可使平臺的固有頻率提高到27.81 Hz，對柴油發(fā)電機(jī)二階激勵(lì)的頻率儲備系數(shù)達(dá)到1.16。修改后計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 修改后的柴油發(fā)電機(jī)平臺振動(dòng)固有頻率計(jì)算結(jié)果[7]Tab.3 The calculation results of the Diesel-generator platform(after reinforcement)

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)平臺的設(shè)備質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度的實(shí)際情況，通過結(jié)構(gòu)修改措施已經(jīng)達(dá)到了最大的頻率儲備值，但是仍然不滿足頻率儲備要求。由于缺乏實(shí)船準(zhǔn)確的激振力參數(shù)（動(dòng)力設(shè)備和螺旋槳等激勵(lì)源）以及真實(shí)邊界條件，本文無法進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)有限元計(jì)算。因此，如何預(yù)知結(jié)構(gòu)修改之后的減振效果成為一個(gè)棘手的問題。

3.2 基于測試數(shù)據(jù)和幅頻響應(yīng)特性的減振效果評估

面臨上述難題，本文作者另辟蹊徑，將激振力參數(shù)、阻尼比和邊界條件作為恒定的參數(shù)輸入灰箱，結(jié)合實(shí)船振動(dòng)測試數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性對減振效果進(jìn)行評估。

圖11 線性響應(yīng)系統(tǒng)Fig.11 A linear transform system

圖11中，F(xiàn)（t）表示輸入函數(shù)，指包含螺旋槳以及動(dòng)力設(shè)備的激勵(lì)；X（t）表示輸出，指船體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；H（ω）表示船體結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

則上述基本關(guān)系可簡化為：

引入頻率比γ=ω/ωn，系統(tǒng)剛度K，頻響函數(shù)H（ω）可化作：

圖12 動(dòng)力系統(tǒng)幅頻特性曲線Fig.12 Curves of Amplitude-Frequency Characteristic

結(jié)合平臺板架的結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，給定平臺板架的阻尼比為ζ=0.03。

則未采取減振措施前，γ=ω/ωn=0.964，計(jì)算得系統(tǒng)的動(dòng)力放大系數(shù)α=10.947，根據(jù)實(shí)船測試結(jié)果，此時(shí)平臺最大振動(dòng)速度響應(yīng)為X=10.5 mm/s，聯(lián)立方程（1）和（2）式可得：

采取結(jié)構(gòu)修改措施后，同樣可以計(jì)算得到γ=ω/ωn=0.863，計(jì)算得系統(tǒng)的動(dòng)力放大系數(shù)α=3.82，聯(lián)立方程（1）、（2）式和（3）式可得結(jié)構(gòu)修改之后的振動(dòng)速度響應(yīng)為X=3.67 mm/s，由于結(jié)構(gòu)修改為硬設(shè)計(jì)，系統(tǒng)剛度K會(huì)變更大，所以實(shí)際的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)小于推算值X=3.67 mm/s。

通過對第二平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，提高了平臺結(jié)構(gòu)的固有頻率，使頻率儲備達(dá)到了15%以上。經(jīng)過動(dòng)力放大系數(shù)和阻尼推算，計(jì)算可得平臺響應(yīng)的最大值為3.67 mm/s，基本上滿足ISO6954-2000振動(dòng)衡準(zhǔn)的要求。

減振措施施工完畢后，經(jīng)過再次試航測試已滿足振動(dòng)要求，使該船得以順利交付船東。從而驗(yàn)證了本文提出的方法是可靠適用的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，阻尼系數(shù)的大小需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和積累數(shù)據(jù)，才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與建議

綜合本文的內(nèi)容可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論與建議：

（1）提出了基于振動(dòng)測試和動(dòng)力特性推算的振動(dòng)評估方法，突破了現(xiàn)行以頻率儲備控制為主的規(guī)范要求，對于無法滿足頻率儲備要求以及無法進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的振動(dòng)問題，通過本文方法可以有效推算減振措施的效果。

（2）結(jié)合船舶有害振動(dòng)診斷治理的工程實(shí)例，根據(jù)振動(dòng)測試和計(jì)算結(jié)果，判別振因，進(jìn)而從結(jié)構(gòu)上采取有效的綜合減振措施，經(jīng)過再次試航測試，滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求，使該船得以順利交付船東。文中所提出的一些振動(dòng)治理方法可以根據(jù)具體情況運(yùn)用到類似的船舶振動(dòng)問題中。

[1]金咸定,趙德有.船體振動(dòng)學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2000.

[2]趙德有,金維成,等.漁船振動(dòng)預(yù)報(bào)方法[M].大連:大連工學(xué)院出版社,1988.

[3]李德葆,陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

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[7]Li Kai,Liu Song,Xing Jinyou,Zhao Deyou.Vibration analysis report for the 2ND platform of the crude oil tanker[R].Department of Naval Architecture,Dalian University of Technology,2008.

[8]郭列,吳士沖.艦船結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)計(jì)算模型研究[J].船舶工程,2000,2:21-29. Guo Lie,Wu Shichong.Research of local vibration calculation model for naval ship structure[J].Ship Engineering,2000, 2:21-29.

[9]ANSYS v10.0,Theory Manual,ANSYS Inc[CP].

Diagnosis and treatments for harmful vibration based on the measurement and dynamic computation

LI Kai1,ZHAO De-you2,LI Sheng2,LIU Song2,XING Jin-you2
(1 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China;2 School of Naval Architecture, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

The diagnosis and comprehensive approach taken in reducing harmful vibration that not satisfy the frequency reservation are presented.The main excitation source can be identified through vibration testing and finite element analysis.Some effective and optimal treatments are proposed,such as reinforcing the platform with the pillar and box-girder,etc.In case that the reinforced structure does not satisfy the frequency reservation and the excitation force,damping rate and the boundary condition are unknown,it presents an evaluation method of vibration level based on the measured data and calculation of Amplitude-Frequency Characteristics,and computation results after modifications show remarkable improvements of vibration,finally,the ship was delivered to owner successfully.Also it gains beneficial experiences and suggestions for future vibration reduction design of ship.

ship vibration;diesel generator platform;frequency reservation;dynamic computation; diagnosis;treatments

U661.44

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.04.014

1007-7294（2015）04-0455-07

2014-06-08

國家自然科學(xué)基金資助（10972046）

李凱（1983－），男，博士，工程師，E-mail:kaili109@sina.con；黎勝（1973-），男，教授，博士生導(dǎo)師。