散货船体总振动固有频率预报
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一、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受到不同程度的振动。轻微的振动是允许的，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，往往是满足实际情况的，但是对四节点以上的振动还有很大误差。本文采用有限元法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。利用MSC.PATRAN/NASTRAN对某散货船进行全船的建模及后处理分析，采用有限元方法对两种典型工况（满载离港、压载到港）进行全船振动分析，计算合理，对该船舶建造后船舶性能评定有重要参考指导意义。
依据82 000D WT散货船总布置图、装载手册和结构设计图样，采用全船有限元分析方法，选取船舶营运期间可能出现的均质装载出港（HOMOS_D）、隔舱装载出港（ALT_ORE_D）和轻压载到港（N B_A）三种典型装载状态，分别进行了全船自由振动计算和分析；并与船体主要激励源：波浪激振频率、主机2阶频率、螺旋桨激振频率等进行详细的比较和分析；主要是通过研究全船结构的自由振动特性，避免主要激励源与船体自身结构的共振破坏。
最后进行了尾部上层建筑、烟囱结构自由振动计算与分析，并与螺旋桨激振频率进行比较，避免局部所关心结构与主要激励源的共振破坏。
二、船体自由振动计算
1.全船有限元模型
82 000D W T散货船全船及局部结构的自由振动分析均采用有限元方法，借助大型通用软件MSC/PATRAN&NASTRAN完成。
船体梁自由振动有限元模型依据各专业相关设计图样建立，结构建模和载荷施加过程中采用牛、米、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：X 方向为船长方向，指向船艏；Y 方向为船宽方向，自中纵剖面指向左舷；Z 方向为型深方向，自基线指向甲板。
有限元模型中包括了船体的外壳、甲板、纵横舱壁、强框架、内底、纵桁和肋板等板结构，采用CQUAD4及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来模拟，并考虑适当的骨材合并；小的开孔结构等通过调整全船结构质量时进行调整，且尽量依据实际形状模拟大的开孔结构。
单元网格的划分，纵向一般为强框间距；横向和垂向参考骨材的布置，一般是强构件距离，垂向双层底内实肋板和纵桁用一个单元；上层建筑局部范围内的结构考虑到局部振动分析的需要，单元网格为骨材间距，全船有限元结构模型如图1所示。
在船体各装载状态的重量调整中，船体自身重量的调整是通过调节单元结构的材料密度和施加典型质量点或者三维体单元来实现；调整后的各装载状态模型总重量与重心位置与装载手册中的比较如表1。
船体附连水振动质量在MSC/NASTRAN内是通过定义有限元模型湿表面单元和吃水高度来自动实现其计算，其理论是用Helmholtz方法即源汇法（也叫边界元法）解流体运动的拉普拉斯方程。
2.在NASTRAN中设置虚拟质量法分析参数并提交分析作业
单击工具栏中的Analysis按钮，打开Anaysis窗口。
（1）依次设置action、object及method的属性为analyze、entire model及full run，如图2中所示。
（2）单击图2中所示的“Direct Text Input”，打开如图3所示的Direct Text Input窗口。
（3）在“Bulk Data Section”文本框中输入以下数据：
Param，vmopt，1
Mfluid，1，，13.0，1025.0，11，，n，n
Elist，11，1，thru，5448
注意：卡片m f l u i d中第四域中13.0表示水深，第五域1025.0表示海水的密度，注意这两个域的数据单位和格式，必须是实数形式。单击OK按钮返回analysis窗口。
（4）设置完成“Bulk Data Section”数据段后，就可以选择“subcase”并生成bdf文件提交运算，这步操作和平常提交NASTRAN计算是一样的。
3.全船自由振动计算结果
全船自由振动计算并不施加任何边界条件，模拟船体自由漂浮于海水中；各装载状态下的船体梁自由振动频率如表2，振型示意图如图4～图24所示。
三、尾部上层建筑、烟囱自由振动计算
1.尾部上层建筑、烟囱有限元模型
尾部上层建筑、烟囱结构的自由振动计算主要是考虑到其固有频率有可能与螺旋桨叶频和倍叶频耦合，引发共振。
尾部上层建筑有限元模型范围：垂向向下延伸至A平台；纵向向前延伸至第七货舱前端壁。
边界条件：四周简支约束，即T x=T y=T z=0。有限元模型和边界条件示意图如图25所示。
2.尾部上层建筑、烟囱自由振动计算结果
通过计算，得到尾部上层建筑、烟囱自由振动固有频率，如表3和图26所示。
四、结语
本文利用MSC/Patran软件建立全船三维有限元模型，进行82 000吨散货船总振动及上层建筑振动性能预报。计算得出的船体固有频率可作为设计时的参考。