某200t级快艇总振动特性分析

李齐垚　石科良　祝文倩

摘 要：本文以某200 t级快艇为研究对象，采用全船有限元方法，分析了正常排水量状态下的自由振动，对该艇一至三阶垂向及水平固有频率进行了预报，并与主机及螺旋桨激励频率进行比较分析，确保频率储备满足规范要求，避免船体固有频率与主要激励源发生共振。

关键词： 全船有限元；自由振动；固有频率；共振

中图分类号：U661.44 文献标识码：A

Abstract： By using global finite element analysis method， this paper analyses the free vibration at normal load condition of a typical 200T high speed vessel， predicts the first to the third order vertical and horizontal natural frequency of the vessel in order to verify the vessel frequency tolerance satisfy the rules requirement and to avoid sympathetic vibrationbetween vessel natural frequency and propeller and engine excitation frequency.

Key words： Global finite element； Free vibration； Natural frequency； Sympathetic vibration

1 引言

船舶是一个弹性体，船舶航行时由于主机、螺旋桨等各种激励的作用会产生不同程度的振动。轻微的振动是允许的，但如果激振频率和系统的固有频率相等，或者激励幅值过大，都会引起共振或者剧烈的强迫振动，影响船舶的正常航行，因此进行全船的振动分析是很有必要的。

早期人们采用经验公式进行四节点以下的全船振动分析，结果往往是满足实际情况的，但是对四节点以上的振动则存在很大误差。本文采用有限元法对某200t级快艇进行全船的振动分析，它是目前较为准确的计算方法，能准确计算出船体的固有频率，但是耗费的时间和精力比较多。

本艇为高速艇，其刚度弱、激励大、频率高，船体振动较常规船舶更为突出，不仅影响船员工作效率和生活舒适性，而且由于高速艇船体构件尺寸小、板薄、振动幅值大、频率高，较常规船舶更易在应力过大部位产生疲劳破坏，从而影响结构强度和航行安全。

本文利用MSC.PATRAN/NASTRAN软件，依据本艇的总布置图、稳性计算书和结构设计图，采用全船有限元分析方法，选取正常排水量状态进行全船自由振动分析，对一至三阶垂向及水平固有频率进行了预报；并与船体主要激励源：主机激励频率、螺旋桨激振频率进行详细的比较和分析，避免船体固有频率与主要激励源发生共振。

2 模态分析基本理论

2.1 动力学方程

3.3 全船有限元模型

全船有限元模型依据各专业相关设计图建立。结构建模采用N（牛）、m（米）、s（秒）的国际单位制；模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系，即：X方向为船长方向，指向船首；Y方向为船宽方向，自中纵剖面指向左； Z方向为型深方向，自基线指向甲板。

有限元模型中：船体的外壳、甲板、纵横舱壁等板结构，采用CQUAD4或CTRIA3壳体单元模拟；所有承受载荷的板上骨材及加强筋等采用偏心的梁单元模拟；单元网格尺寸取1个纵骨间距。全船有限元结构模型，如图1所示。

3.4 质量分布

计算不仅考虑了船体结构的重量，还考虑了机械设备、辅料、压载水、货物、以及附连水重量的影响。

质量大的设备、压载水以集中质量的形式加载；舾装、轮机及电气等其他重量通过调节结构材料密度和在各层甲板上设置质量点的形式实现。调整后各装载状况下船体模型的重量重心与稳性计算书的误差在许用范围内。

船体附连水质量通过刘易斯方法计算得出，并以质量点的形式分别加载在每站的湿表面节点上。

3.5 固有频率预告结果及频率储备校核

全船振动模态计算时模拟船体自由漂浮于海水中，不施加边界条件。

根据规范对船体总振动频率储备的规定，引起船体总振动的干扰力，主要应考虑螺旋桨工作的产生的一阶和叶频干扰力以及主机的一阶、二阶不平衡力和力矩。500t以下排水型水面艇船体第一、二、三谐调固有频率计算值与干扰力频率分别错开3%～5%、5%～7%及7%～10%。

正常排水量状态船体梁自由振动频率储备如表1所示，振型如图2～7所示。

4 结论

本文采用全船有限元方法对某200t快艇固有频率进行预报，并与主要激励源比较，校核其频率储备。通过分析结果，得出以下结论：

（1）预报结果表明船体1～3阶垂向、水平固有频率储备满足规范要求，不会与主机和螺旋桨激励发生共振现象；

（2）该型艇在使用过程中未出现严重的振动现象，说明此方法预报船体梁固有频率满足工程精度要求。

（3）由于刘易斯方法计算附连水质量存在局限性，建议应用虚拟质量法或流固耦合方法与其进行对比验证。

参考文献

[1] 中国船级社.船上振动控制指南2000[M].人民交通出版社，2000.

[2] 金咸定，夏丽娟.船体振动学 [M].上海交通大学出版社，2011.

[3] 中国船舶工业集团.船体设计实用手册.结构分册[M].国防工业出版

社.2013.