英语原文共 60 页
超级游艇结构的振动:舒适性规则和预测计算
D. Boote amp; T. PaisUniversity of Genova, ItalyS. Dellepiane
Cantieri Navali Benetti, Livorno, Italy
摘要
现代超级游艇的舒适度一直是船级社关注的焦点，他们颁布了新的规则和条例来评估噪音和振动的最高水平。这些规则通常被称为“舒适性等级规则”，它包含了各种游艇区域噪声和振动测量的一般标准和最大值，以及这些测量值所属的极限值。舒适级规则遵循1984年制定的ISO标准，最近在ISO 2000《机械振动-客船和商船居住性振动测量、报告和评估指南》中删除。在这项由Azimut|Benetti造船厂和热内亚大学军舰建筑部门协作执行的工作中，提出要完整地审查现有的规则，以一艘60米长的超级游艇为例，为研究船体和上层建筑的动力特性对其进行详细的有限元分析。
1介绍
振动和噪声是游轮和大型游艇的关键部分。对后者而言，当前的全球危机以及随之而来的需求萎缩加剧了船厂之间的竞争，他们不断寻找新的解决方案，以降低建设成本，提高产品质量和创新。当性能不是寻求新客户的主要目标时，技术办公室的最大努力主要集中在与项目的美学影响(内部和外部)和舒适性相关的其他方面。从这个角度来看，无论是在项目的初始阶段需要对尚未定义的结构响应有初步的信息时，还是在施工过程中以防结构的任何部分出现一些临界行为时，振动和噪声是设计师最难处理的问题。
由于在建造后改变船体结构的动态运行状况的客观困难，运用有限元预测分析来确定船体和当地的结构的固有频率是十分重要的。
2 .船上的舒适性
大型游艇的噪声和振动要符合舒适性要求的问题是由船东说明书要求、船级社规范建议的。这项主题最初是由1984版的ISO6954所规定的，之后由新的、更严格的ISO2000标准规定。最近，大多数主要的船级社都采用了新的基于最大震动和噪声水平的舒适等级规则。Baker和McSweeney(2009)以目前与噪声和震动有关的ABS规则为例进行了完整的分析并发表在《舒适游艇船级符号指南》（2008），考虑到两种符号的选择：
COMF(Y)建立了一个仅基于环境噪声和振动舒适标准，而COMF (Y)稍微增加了一些对噪音和振动要求更高的标准，并为评估晕车提供了额外的标准。然而，ABS游艇舒适性指南最近在一些方面进行了修订。在表1中，报告了适用于在港口航行和休息时长度在45米以下和以上的游艇新的综合报告;在该表中，我们假设以下单位来测量振动强度：
alpha; =由测点处各轴(alpha;, alpha;, alpha;)加速度加权均方根值(RMS)的均方根平方和计算出的多轴加速度值;
upsilon; = 结构速度的谱峰，单位为mm/s
表1.根据ABS COMF(Y)级最大船身振动，适用于长度在45米以下和以上的游艇
其他船级社也制定了类似的规则来评估游艇和超级游艇的舒适度。以下是一些重要的报告：
bull;法国船级社(2011)，E部分，第5节，“补充”对游艇的需求;
bull;挪威船级社(Det Norske Veritas, 2011)，第6部分，第12章，的噪音和振动;
bull;德国劳埃德船级社(2003b)，第1部分，第16章，“和谐船级社”;《劳埃德船级社》(Lloyd #39;s Register, 2011)，第6章，“乘客”船员住宿舒适;
bull;意大利船级社(2011a)， E部分，第5章，甲板上的舒适性。
法国船级社、劳埃德船级社和意大利船级社的最大允许级别的一些实例的振动情况如表2所示。
表2.根据法国船级社、劳氏船级社和意大利船级社的游艇舒适规定的最大船身振动
从结构的角度来看，振动可以在全局和局部水平上进行评估。众所周知的是在第一种情况下，施工后几乎不可能采取任何纠正措施，因此在设计阶段进行详细的分析是必不可少的。虽然基于集中质量变截面梁的简化方法仍然是计算船体第一阶固有频率的一个有价值的工具，但大开口的存在，如尾部和侧车库门，使船体的动态行为变得相当复杂。在这种情况下，只有对整个结构进行有限元建模才能获得可靠的结果。事实上，船体的固有频率很低，而且通常离激励力的固有频率很远。
就局部振动而言，最关键的区域由甲板、舱壁和上层建筑组成。共振的危险存在于以主发动机、发电机、主螺旋桨和船首推进器为代表的四种主要振动源。
发动机和发电机通常安装在弹性材料上，这大大减少了它们对船体整体和局部振动的影响。相反，主螺旋桨在其叶片通过频率(BPF)对应的谐波下产生高动力，这取决于叶片的数量，轴速率和操作条件。Roy(2008)指出，对于大型机动游艇(长度在50 - 100米之间)，在巡航速度下叶片通过频率可在15-20 Hz之间，最大速度可达30-40 Hz。船体尾部和中部是船体暴露于螺旋桨激振力最大的部位，其动力响应主要取决于与螺旋桨之间的距离。还应考虑船首推进器;叶片通过频率BT远大于BPF(大于50hz)，但强度较小，主要影响船舶前部(见图1)。
设计人员采用了几种实用的方法，但作为一种通用的一般规则，为了确保桥面在速度范围内的任何一点都不会产生共振，设计理念应该是确保每个桥面面板的第一模态频率超过BPF。对于较大的结构部件，如甲板和舱壁，要达到这一目标并非易事，在这方面唯一可能的行动是增加结构刚度。虽然简单地增加板厚是不可取的，因为这会对船体重量造成过度的影响，但准确地选择甲板二次和一次结构可以提供更好的效果。
在上层建筑中，离螺旋桨的距离越远激励力越低，相对地减轻了这一问题;另一方面，大跨度的无支撑甲板降低了它们的固有频率，因此有必要增加笨重和不美观的支柱。即使如此，通常保持高于BPF的固有频率是不可能的，唯一的可能是保持低于巡航速度BPF。
实际上在这种情况下，详细的有限元分析是确定关键领域和提前找到可能的解决方案的唯一方法。
然而，显而易见的是，每一个针对结构减振的举动都会导致船体重量的增加;例如，对于一艘在90米至100米范围内的超级游艇，减轻振动所增加的重量估计超过100吨。
本研究的目的是验证一个游艇的上部结构甲板尾部区域的动力特性。在这个区域，“上甲板”和“遮阳甲板”的特点是有相当大的悬挑部分，加上较低的铝刚度，可能会给乘客带来接近螺旋桨所产生的激振力频率的恼人振动。本研究采用通用有限元法，分两阶段进行:第一阶段对游艇尾部进行详细建模，确定上部结构的固有频率;在第二阶段进行了一系列的瞬态分析，通过改变结构的强度和阻尼来研究结构的响应。并将计算结果与船级社规则规定的极限值进行了比较。
3有限元建模
本课题设计了一艘典型的长60米、宽9.5米的三层超级游艇，AZIMUT|BENETTI造船厂与Genova大学海军建筑系的一个联合研究项目提供了该产品。该船有钢船体和铝上层建筑;整个结构为纵向框架，腹板框架间距为1200mm。为了进行准确可靠的有限元计算，采用ANSYS version 13.0 (Swanson Analysis System Inc.， 2011)多用途代码完成了游艇结构尾部的详细数值模型。船体的几何形状和结构布局由之前渲染软件创建的三维模型中导入。
图1将船体分成若干区域进行局部振动评估
从研究开始，考虑到瞬态动力分析需要大量的计算时间，我们建立了船体结构的数值模型。为此进行了几次不同网格细化的试验，在结构定义和网格“重量”之间取得了很好的折中，即取对应于平均300毫米左右的面板对角线。
网格的创建使用ANSYS库的“SHELL63”元素进行电镀和主要加固，如keelson，地板和梁。对于二次加劲构件，简写为“BEAM44”元素是保持模型维度尽可能低的首选。采用SURF154单元对主甲板和上部结构甲板的质量和荷载进行模拟特别适用于动力分析。
完整模型的几何形状如图2所示，而内部结构的视图由图3中网格的纵剖面所示。图4和图5显示了底部和上部甲板结构的一些细节。该数值模型由5.9万个节点和6.15万个元素组成。
如图6所示，每层甲板上均施加了与整装重量(约300 N/m2)相对应的分布式荷载;在主甲板上还考虑了车库中起重机的集中荷载问题。投标车库位于主甲板下方的船尾区域(如图7所示)
图2.游艇尾部几何模型 图5.上层甲板结构详图
图3.纵截面的数值模型 图6.SURF154元件在甲板上施加的分布式负载
图4.在底部区域的网格视图 图7.分散和集中负载的轻型车库(黄色块)
为模拟在主甲板下悬挂起重机的存在对主甲板加筋梁施加相应的荷载;起重机重量约25000 N，采用10个2500n的集中质量代替。考虑到水的附加质量，游艇的质量增加了排水量的80%。
数值模型已被限制在与第n.17节船体被“切开”的地方对应的范围内。位于这个截面上的所有节点都被完全夹住从而迫使结构表现为一个悬臂梁。限制条件位于研究区域足够远的地方;因此，可以假定其对分析结果的约束作用是不相关的。
4模态分析
如前几章所述，分析分两个阶段进行，第一个阶段通过模态分析研究了整个结构的固有频率;采用了ANSYS代码中的LANB方法，即Lanczos模式提取方法。这种求解器特别适合由壳层或壳与固体的组合组成的大型模型。
图8.主甲板第一固有频率:位移矢量图 图9.太阳甲板第一固有频率位移图
正如预期的那样，在主甲板和上层结构甲板上分别设置了最显著的振动模式。在不同的甲板上，以及在没有舾装的情况下(仅使用钢材)进行组装后的实测值与同一艘船在不同施工阶段的实测值进行了比较。用这种方法，可以在单一结构响应和连接船体的其他部分之间进行第一个令人关注的评估。在表3中，报告了计算和测量(组装)的最重要的自然频率。
表3.计算和测量主甲板和上层建筑甲板的固有频率
作者想要研究的另外一个方向是舾装对局部结构固有频率的影响。事实上在准备这篇论文的时候，游艇的舾装工作已经在进行中，无法进行任何测量。这将是关于这项研究的下一个活动的主题。
5瞬态分析
在确定了甲板的固有频率后，进行直接的时域动力分析以研究螺旋桨激振力对结构的响应。采用与螺旋桨圆盘相对应的尾板底板部分脉动正弦压力模拟螺旋桨的作用。
根据船厂提供的数据，假设螺旋桨最大压力为1 KPa，半载螺旋桨最大压力为2 KPa，全载螺旋桨最大压力为2 KPa。
施加的压力有正弦规律和两个不同的频率;第一个选择频率非常接近遮阳甲板的第一个自然频率(10hz)。假定的第二频率等于该游艇配备的螺旋桨的BPF (33 Hz)。另一个已研究的瞬态分析参数由结构的阻尼系数beta;表示。
文献中有许多来源提供了钢结构的阻尼值;它们通常与结构类型和应力强度有关。钢的焊接结构受到压力低,如本分析中所考虑的,阻尼系数的值可以认为等于beta;等于0.005
然而，在像大型游艇这样的复杂结构上，应力分布不太可能是均匀的，因此要确定整个船舶的单一阻尼值并不容易。为了量化这个选择对最终结果的影响,我们对相同的结构及其对应五个不同的beta;值:0.001,0.0025,0.005,0.010和0.025进行了一系列的计算。
螺旋桨压力作用于如图10所示的两个矩形区域。按图11所示的五个点的结构响应进行了监测。在只有一个点一直在监控主甲板的同时,阳光甲板和上层甲板位移被当做两个不同的点来考虑:在实验调查中，最大位移发生在船尾末端部分(点n.1)和甲板中心(点n.2)。
图10.螺旋桨产生压力的区域 图11.监测点进行结构动力响应分析
从ANSYS数据库中提取了5个监测点的所有结果。并根据CS规则的极限值，绘制并检验了位移、速度和加速度的时间关系曲线图。显然，所执行的计算是相对于游艇在“航行”的条件下。
例如图12、13和14中“上甲板点n.1”的结果。在螺旋桨通过频率为33 Hz、螺旋桨最大压力为2kpa以及考虑所有的阻尼系数的条件下将0.2秒内的位移、速度和加速度时间关系曲线图绘制出。
结构速度是描述振动最常用的方法，螺旋桨的两种不同装载条件和阻尼系数beta;的函数均以表格4、5中五个监测点的峰值速度表示。
图15、图16、图17分别给出了33 Hz的BPF、满载螺旋桨以及所有考虑的阻尼系数在监测点的速度时程图。
图12.上甲板监测点n.1垂直位移的 图13.上甲板监测点n.1垂直速度的
时间关系曲线图 时间关系曲线图
图14.上甲板监测点n.1垂直加速度的图 15.海底监测点垂直速度的时间关系曲线图
时间关系曲线图
图16.
资料编号：[4095]
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