改装舰艇艉部振动数值预报方法

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中图分类号：U661.44；TH132.41 文献标识码：A DOI编码：10.3969.issn.1006-1335.2013.02.039Numerical Prediction Method for Stem Vibration ofRefitting Naval ShipsME1 Yong-juan ，CAO Zhi-gang ，YANG De-qing ，JIN Xian-ding(1.China Ship Development and Design Center，Shanghai 201 108，China；2.School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)Abstract：Numerical prediction of hul vibration，including stem vibration and superstructures vibration，is one of theimportant problems in warships refiting.With the prediction，we can evaluate whether the vibration levels satisfy naval shipspecifications.False prediction can lead to performance declination or reduce the warships to scrap.Taking an impoaeddesoyer as al example，the procedure and method of general numerical prediction of hul vibration for naval ships wereproposed.The problems of selection of finite element model types of hull structures，determination of voyage conditions，velocity tuning technology for vibration loads，demands on parameters of vibration measurements on the original ships，modification of structural dynamic models of the hull structure，and the evaluation of vibration levels according to thespecifications were discussed.The verification of the proposed procedure was presented using experimental and numericalmethods，Key words：vibration an d wave；naval ships；retiring；dynamic model modifcation。

随着海军装备发展水平的提高，我国陆续设计建造了多种新型水面舰艇，也引进国外若干大型舰艇，舰艇设计技术大幅进步。在此基础上对部分引进的大型舰艇，如航母等，进行国产化改装，对某些在役 国产舰艇进行改造 ，提升其 隐身性 能或 战斗力 。改装后，舰艇艉部结构刚度、设备(武器)收稿 日期：2012.05.09；修改日期：2012-09-18基金项 目：国家自然科学基金资助项 目(11072149)作者简介：梅永娟(1969-)，女，上海人 ，高级工程师，从事船舶结构设计工作。

E-mail：163251012###99.com质量和分布都可能发生较大变化，可能导致艉部振动响应过大，因此需要预报艉部振动响应是否满足舰艇振动限值要求，为改装决策提供技术支持。预报失误将导致整舰报废或者战斗力下降。但总体上讲，有关舰艇改装艉部振动通用数值预报方法及流程还没有规范 -1]，有关振动预报计算模型类型选择，计算针对的航行状态及排水量，振动载荷的调速处理技术，船体动力学模型修正的内容，总振动及局部振动计算结果对应衡准的判断等，都缺乏明确界定。本文以某引进水面舰改装为例，探讨舰艇改装艉部振动数值预报通用方法及流程。该方法流程结2013年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期合实验数据，对指导舰艇改装有借鉴价值。

1 改装舰艇艉部振动数值预报方法与流程1.1 改装舰艇振动数值预报流程目前有关舰艇改装的全船或艉部振动通用数值预报方法及流程没有行业标准。由于在设计阶段无法通过测量手段获得改装后振动响应准确值，因此根据原型船振动测试结果，修正原船船体振动数值分析模型，在原船修正模型上再按改装设计建立改装后船体振动数值分析模型，进而开展模态与响应计算预报，是较为可行的途径。根据多年研究经验，我们提出图1所示改装舰艇振动数值预报方流程，该流程也适用于针对改装后舰艇上层建筑或艉部等部位局部振动问题进行有限元分析。

1.2 艉部振动数值预报计算模型选择进行舰船振动特性与响应数值分析常用方法是有限元法，对应的船体动力学有限元模型包括-维全船船体梁模型、二维全船平面有限元模型、全三维整船有限元模型和三维杂交模型(如船体艉部三维模型和舯、艏部船体梁模型相结合的整船混合有限元模型) ，81上述模型各有优缺点，适用于不同设计分析诚。-维全船船体梁模型用于总体设计阶段，可以快速预报出整船低阶振动特性，供动力设备选型。全三维整船有限元模型适合于详细设计阶段，用于全船整体及局部振动响应精确预报和减振设计。对从国外引进的大型舰艇进行国产化改装时，设计部门-般难以获得比较详细的全船结构设计图纸，只有典型部位剖面设计图，这时局部结构三维有限元部分船体梁杂交模型就是必然的选择。

1.3 排水量状态及航行状态选择对于商船，振动计算针对的排水量状态重点考察满载与压载两种情况，航行状态包括经济航速状态、满载航速状态和最大航速状态等。对于军用船舶，振动计算针对的排水量状态包括满载排水量与正常排水量载，航行状态包括巡航航速、全速和指定的若干航速状态等。不同航速对应的螺旋桨激振力和主机激振力差别很大，不同排水量状态下船体结构动力学特性及振动响应差别较大。因此，艉部振动数值计算预报中，首要前提是确定排水量状态及航行状态，这撒于所获得的原型船振动测试结果所对应的排水量状态及航行状态。原则上应取有振动测试数据对应的排水量状态及航行状态，满载和全速航行状态是振动载荷较大工况状态，应优先考虑。

1.4 航行振动调速试验时激振力的数值模拟舰船航行振动调速试验是指通过主机不断改变转速，测得各测点的响应。这时，螺旋桨激振力大孝螺旋桨轴承力/力矩和主机各阶次力/力矩是随其主机及轴的转速而改变的。最大持续功率下螺旋桨表面力和螺旋桨轴承力/力矩的计算公式和作用位置军规 已有规定，但其它转速下的载荷需要计算。

本文建议参照国外推荐的公式 ，螺旋桨激振力或主机力矩随转速变化可按下列公式计算FF (N/NP) (1)：Mm (N/Ne) (2)其中F --最大持续功率转速时的螺旋桨激振力，Ⅳ --最大持续功率转速时的转速，M --最大持续功率转速时的主机激振力矩。获得调速试验下各转速下激振力后，模型中各频率力和力矩以线频谱方式作用于不同频段。螺旋桨激励的激振点按螺旋桨叶盘面位置对应的节点施加，同时施加的还包括螺旋桨轴承力和力矩。频率响应计算中，模态阻尼系数 的取法建议按军规或德国劳 氏船级社的建议 IS]。图2给出德国劳氏船级社的模态阻尼系数曲线。

1.5 原船振动试验测试内容要求为了保证改装舰艇振动预报有限元模型的可靠性，必须根据原实船总振动特性及航行振动响应测试结果修正原船振动预报有限元模型，进而在原船修正模型上建立改装舰艇振动预报有限元模型。原船振动试验测试时，为了保证旧能获得精确的舰艇艉部振动模态和响应，建议在艉部布置适当多的测点，这-点不同于常规航行振动测量，必须增加测点、艇艉部振动模态和响应测量建议通过急速倒车进行。

1.6 舰艇艉部振动动力学模型修正舰艇艉部振动动力学模型修正主要有两次。对于动力学模型进行的第-次修正，即以原船体总振动动力学模型的模态(主要是固有频率)为目标的修正，也称模态指向修正，修正后原船体总振动动力学模型的模态与原实船测试结果在工程使用要求精度范围内吻合∩以调整的参数包括：船体刚度、船体质量和附连水质量及它们沿船长的分布等。鉴于船体结构是按照设计图纸建立，其质量特性和刚度特性是合理或基本合理较易判断，因此关于船体总振动模态计算模型调整中，建议主要调整附连水质量。

改装舰艇艉部振动数值预报方法 175对于动力学模型进行的第二次修正，即以船体总振动模型的响应为目标的修正，也称响应指向修正。基于航行振动测试结果，再次对经模态指向修正的原船模型进行修正，主要的调整参数是船体模态阻尼系数、激励力大孝测点处局部结构刚度和质量特性等。修正后原船体振动动力学模型在指定评价点的响应与原船测试结果在工程使用要求精度范围内应吻合。关于船体模态阻尼系数取法，军规和民船规范都有指南，建议按照德国劳氏船级社的取法以及军规修正，不要随意调整。激励力大孝测点处结构局部刚度和质量特性等尽量不要大调整 。

2 改装方案振动响应预测评估完成上述原船船体动力学模型修正、改装船船体动力学模型建立等工作，可以计算出原船和改装船总振动及局部振动结果，改装是否可行需要根据对应的衡准进行判断。本文建议从下面4个准则进1045.1-1990)评价原船和改装船的最大响应时，将计算点的最大振动响应(位移，速度或加速度均可)按大型频率标注到图上，便可直接评定响应属于 良好、可以接受或存在问题(不可接受) 。针对艉部垂向振动响应的评估，需将原船艉端基准点响应的测量值和原船及改装船有限元动力学模型(船体梁模型及艉段三维加前段-维梁的杂交模型)的响应计算值比较，以上两种模型均为经过模态指向修正和响应指向修正后的计算模型和参数。

2.4 依据原舰设计规格书振动响应评价某些舰艇在设计规格书内给出了具体的舰艇振动限值。规格书中规定的极限值，实际上是对于最高航速时轴频和叶频分量值的限值。轴频对应激起遍及全船的低频总振动，而叶频对应的是螺旋桨激振的艉部振动高频响应，主要是艉部区域的高频局部与总体的复合振动。该限值的要求应结合国军标限值，综合评价响应。

2.1垂向与水平振动固有特性的评估- 频率错开率 3 设计实例及讨论舰艇通规规定了频率禁区要求，排水型水面舰艇的-阶船体总振动固有频率应与主要激励频率错开8%～10%，2阶固有频率应与主要激励力频率错开1O%～12%。这是为了避免全船船体共振以及随之而产生的过度共振响应而提出的要求。

2.2 螺旋桨脉动压力评估按照船舶振动理论，引起舰艇尾部振动的主要原因(或主要激振力)是螺旋桨的表面力叶频分量。

舰艇叶频脉动压力按GJB/Z计算公式P 5.733k kokdWI(ND ) (3)式 中 取 决于 d/D及桨 叶 数 的系 数 ， f0.12d/D0.021k ；k --经验 系数 ，取 k 2.25；k --撒于桨轴与离螺旋桨桨叶最朽离的艇底处的纵剖面线间夹角 的系数；k --撒于 叶梢 间隙比d/D的系数 ； - 轴功率 ，kW；螺旋桨转速，r/min； - 螺旋桨直径，m。

如果改装并不涉及艉部型线、螺旋桨、附体及推进装置，则螺旋桨最大叶频脉动压力分量值与原船相同〃议参照挪威船级社(DNV)关于商船表面脉动力衡准评价P <8 kPa (4)2-3 基于GJB/1045.1.1990舰艇艉部垂向振动响应评定采用 国军 标水 面舰艇 振动评 价基 准fGJB/上述流程、船体振动动力学模型与预报方法已经在多个船的改装及振动控制设计中得到应用验证，这里给出某引进水面舰改装后满载状态各航速下艉部振动数值预报算例u”。具体数值经过去密处理。按照图1技术流程，首先建立原船船体梁有限元模型(图3)、原船艉部三维有限元舯艏部船体梁杂交有限元模型(图4)〃立的改装船艉部三维有限元舯艏部船体梁杂交有限元模型见图5。经过模态指向修正后，船体固有频率测量值与计算值的误差比较和预报见表2。经过响应指向修正后原船杂交模型及改装模型的尾部评价点加速度的误差比较和预报评价结果见表3。图6是改装船对应的最高设计转速时尾部主甲板的强迫振动变形形状∩以看到，在某固定转速螺旋桨叶频激励下，艉部甲板上不同部位的振动加速度响应分布差别很大，这种响应其实是由船体梁总振动响应和尾部局部结构的振动响应复合叠加的形式。由于尾部结构局部模态的多样性，这种强迫振动响应的变形形状也呈现多样性和复杂性。局部振动响应的分量可能远大于总体振动的分量。因此，在船尾主甲板上的振动加速度的最高数值可能不在基准点处，而在甲板上的其它部位。

对照原舰设计规格书中的振动响应限值和国军标对尾部振动响应的评价基准，改装舰均能满足要求。综上，该改装是可行的。

2013年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期图 1改装舰艇振动数值预报方法流程Fig.1 Flowchart ofvibration prediction procedure for refitingnaval ships型 ，o86421O.5/ Loaded V/ 0图2模态阻尼系数随频率变化曲线Fig.2 Modal damping coeficients varying with frequency图 3船体梁有限元模型Fig.3 Finite element model for ship hul girder图4原船艉部三维有限元舯艏部船体梁杂交有限元模型Fig.4 Hybrid finite element model for the original ship图 5改装船艉部三维有限元舯艏部船体梁杂交有限元模型Fig.5 Hybrid finite element model for the refiting ship表 1船体固有频率测量值与计算值的误差比较和预报Tab.2 Error comparison of eigen frequencies of hul between measurement and computation results改装舰艇艉部振动数值预报方法 177图6改装船主甲板强迫振动变形Fig.6 Deformation of forced vibration on the main deck of therefitting ship4 结 语对改装舰艇艉部振动数值预报通用方法及流程进行了研究。采用三维杂交有限元模型(船体艉部三维模型舯、艏部船体梁模型相结合的整船混合有限元模型)，结合满载排水量状态舰船航行振动调速试验，借鉴民船及军船模态阻尼系数经验取法，根据原船振动测试数据修正原船杂交模型，建立改装模型，进而对改装模型进行振动响应预报。设计实例及多个实船数值表明，该流程是合理的，对于指导引进舰艇国产化改造工程设计和振动控制设计有借鉴意义。

0 -C>◇ ·： <>◇ <>◇ -： -C><>-0 -(>(上接第1 60页)的消失矩的db系小波；对 IMF1-IMF4进行小波降噪，分别作出前四个IMF的边际谱和所有IMF的边际谱，通过对比得知后者不仅正确的判断出了事先设置好的轴承内圈的故障，而且得到的故障频率无论是在整体上还是某-具体值较计算值都更准确。

实验证明了经过EMD分解得到的IMF，无论是低频还是高频成分均包含着有用的信息，剔除任-个会对分析结果造成-定的影响。