王贵彪，崔雪亮，李国强，杨卫华，张海波

(1.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022；3.舟山市定海区渔船检验站，浙江舟山 316000)

休闲渔业作为现代渔业五大产业之一，是传统渔业的拓展与发展，是渔业发展到一定程度的必然产物，也是促进传统渔业向现代渔业的转型的一大助力[1-3]。而休闲渔船作为休闲渔业的一个重要载体[4]，是促进渔业发展转型调整的一个重要举措。与客船及捕捞渔船不同，休闲渔船既带有一定的捕捞演示功能，又具有休闲娱乐的功能，对船型的振动特性提出了更高的要求。此外，现有休闲渔船中大部分由捕捞渔船改装而来，而渔船行业科技力量又相对缺乏，对船型的激励振动不够重视，导致游客的休闲体验度不高。因此，需要对休闲渔船的振动特性进行分析与研究，并对振动响应明显的部位进行改进，同时提出针对现有休闲渔船合理可行的改装措施，从而提高游客休闲体验的舒适度。

本文以某即将完工的32 m 钢质休闲渔船为研究对象，利用MSC.Patran 软件建立全船的三维有限元模型，对船型的固有频率以及主机和螺旋桨激励下的全船振动响应进行了评估，分析了该船型尤其是休息娱乐处所的振动特性，对振动响应幅值较大的区域进行了增加混凝土压载，增设支柱、强横梁等可行性改装，既能够为现有休闲渔船的振动改进提供思路，也可为类似休闲渔船的设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 船型简介

目标船型为钢质、单甲板、单底、单桨、单舵、舯后机型、横骨架结构、电焊焊接式休闲渔船，其船型如图1 所示。其主要参数如表1 所示。

表1 船型主要参数表Tab.1 Table of main parameters of ship

利用MSC.Patran 建立的三维全船有限元模型如图2 所示。模型采用右手笛卡尔坐标系建立，其中X正方向为沿船长方向指向船首，Y 正方向指向左舷，Z 正方向为沿型深竖直向上。外板、甲板、甲板室围壁、肋板、主要构件的腹板等采用三节点或者四节点的板单元模拟，而扶强材、肋骨、横梁以及主要构件的面板等采用梁单元模拟。

图2 三维有限元模型Fig.2 3D finite element model

1.2 质量分布情况

船体重量的准确模拟是进行振动计算一个必要条件，对计算结果有着重要影响[5]。休闲渔船船体质量主要包括钢板材料重量、舾装与设备重量、鱼获物和人员的重量、油水重量以及混凝土压载的重量等。本文通过定义材料密度来实现船型材料的重量；通过在相应位置的质量点加载来模拟船型上设备、渔获物、人员以及混凝土压载的重量；通过在液舱内建立的MPC 点施加质量点来模拟燃油与水的重量。

而在船型附连水质量的计算中，既可采用经验公式法计算并加载至相应的船外壳上，也可在NASTRAN 中定义并计算。本文采用后者即虚拟质量法[6-7]通过MSC/NASTRAN 定义湿表面单元及船型相应的吃水来自动实现不同吃水情况下的附连水质量计算[8]，准确地定义了两种工况下的不同附连水质量。

2 固有特性分析

船体总振动的固有频率准确预报是判断其与船型主要激励力发生共振与否的前提与基础[9]。由于休闲渔船的工况类似渔船，故根据排水量选取满载返港和空载到港两个典型工况作为研究的对象[10]。下图为船型满载返港工况的振型，表2 为船型2 种工况下垂向、水平和扭转自由振动的固有频率。

表2 自由振动模态Tab.2 Modal of free vibrations

图3 一阶垂向振型Fig.3 First modal shape of vertical

图4 一阶水平振型Fig.4 First modal shape of horizontal

图5 一阶扭转振型Fig.5 First modal shape of torsion

本船型螺旋桨的频率为30 Hz，而主机频率为22.5 Hz。主要激励力的频率均错开10%以上，不会发生严重的共振情况。同时，2 种工况下船型的固有频率基本一致，这是由于休闲渔船油、水以及渔获载重量较少从而导致其不同工况下空船重量区别较小。

3 激励响应分析

3.1 激振力计算

螺旋桨、主机和波浪是船舶航行时的主要激励源，而其中又以螺旋桨和主机的激励最为明显[11-12]。

3.1.1 螺旋桨激振力

本文根据挪威船级社的方法[13]估算船型的脉动压力峰值，其表达式如下所示，式中各表达式含义可参照文献[14]，本文不再赘述。其加载效果如图6 所示。

图6 螺旋桨脉动压力加载示意图Fig.6 Sketch map of fluctuating pressure of propeller

式中:n 为螺旋桨转速，r·min-1；Dp 为螺旋桨直径，m；Z 为螺旋桨叶数；ds为叶片位于正上方时，0.9 螺旋桨半径处距船体距离，m；K0为系数，当ds/R≤2 时，K0=1.8+0.4 ds/R，当ds/R>2 时，K0=2.8；△Pc为计及空泡影响的脉动压力峰值，Pa；Vs为船速，m·s-1；ha为桨轴沉深，m；Kc为系数，当ds/R＜1 时，Kc=1.7-0.7 ds/R，当ds/R≥1 时，Kc=1.0。

3.1.2 主机激振力

目前，渔船及休闲渔船上安装的主机基本为柴油机，而柴油机工作时是往复的机械运动，其运动部件的惯性力所引发的不平衡力及力矩就会产生主机激振力，根据本船采用柴油机对应型号的相关资料，以及文献[15]所提供柴油机总激振力的具体计算方法，将计算所得的激振力通过MPC 点以正弦力的形式施加在主机座上，其方向为Z 轴方向，如图7 所示。

图7 主机激振力加载示意图Fig.7 Sketch map of excitation force of main engine

3.2 阻尼与边界条件

阻尼是结构能量耗散的一种数学近似，本文根据以往计算的经验取阻尼为0.03。而在边界条件约束上，本文采用弹簧约束进行约束。由于脉动压力和主机激振力都是垂向的，而轴承力的纵向和横向的力较小，因此，设置的弹簧约束在垂向最多，横向最少。

3.3 响应分析

利用MSC.Nastran 软件对船型模型进行瞬态响应计算，模态阻尼系数根据相关规范取值0.03[16-17]。为准确描述船型整体的振动特性，在机舱、休息室、5 人室、大客厅、小客厅、驾驶室、观光区、捕捞体验区选取8 个样点进行分析，其具体位置如图8 所示。读取结果中振动加速度最后5 s 的数据，并将其数据经过均方根计算得到有效值，结果如表3 所示。

图8 样点具体位置示意图Fig.8 Specific position sketch of sample point

表3 不同工况各节点加速度响应幅值(mm·s-2)Tab.3 Amplitude of acceleration response at different working conditions

休闲渔船空载到港和满载返港的加速度响应幅值较为接近，并没有其它船型对应工况体现的差距大，这是由于休闲渔船的作业海域较近[18]，燃油及淡水舱容积不大，且渔获物数量有限[19]，造成两种工况下重量相差不大，振动的特性较为接近。全船除机舱外，空载到港工况下的振动响应幅值均大于满载返港，这是由于这两工况下，机舱的质量基本不变，而位于机舱前后端的油舱和水舱质量大幅减小，导致机舱的振动效果在满载返港时更为显著。

由于休闲渔船并没有相应的振动规则及评价，故本文参照《机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》[20]进行，具体评价准则如表4 所示。

表4 船舶不同区域适居性评价准则Tab.4 Criteria for evaluating the habitability of ships in different areas

由对比可以发现，本船型各区域的振动响整体上均处在规定的范围内，但是由于机舱内、大客厅和捕捞体验区分别离主机激励和螺旋桨激励较近，而观光区下甲板围壁为提高游客的舒适度均采用了大面积的幕墙玻璃导致甲板室刚度大幅降低等原因，以至机舱、大客厅、观光区和捕捞体验区的样点均比较接近对应区域等级严重振动的下限值。而根据船东的经验，大客厅、观光区和捕捞体验区为游客最为偏爱的处所，也是休闲渔船船型带给游客最重要的体验之一。因此，需要对这些区域进行局部的减振改进，以提高游客的休闲体验舒适度。

4 局部减振措施分析

鉴于船型已基本完工，大幅修改艉框尺寸、更换主机及螺旋桨等已不现实。考虑可操作性及经济性，本文采取了以下几种措施来减小船型的局部振动响应:

(1)捕捞体验区下方舵机舱增加混凝土压载1 t，机舱舱底增加混凝土压载5 t。除保证船型稳性安全外，也增加了机舱、舵机舱的整体质量，加大了其阻尼；

(2)在机舱内增设2 对支柱，增大机舱的结构刚度，如图9 所示；

图9 机舱内新增支柱Fig.9 Additional pillars in engine room

(3)在观光区底部的甲板额外增设1 根甲板纵桁以及4 根强横梁，尺寸同原甲板纵桁和强横梁，以提高甲板室的结构刚度，改变驾驶甲板的固有频率，如图10 所示。

图10 观光区底部甲板改进方案Fig.10 Improvement plan of bottom deck of sightseeing area

为验证结构改进的效果，分别对船型满载返港和空载到港两工况进行振动响应分析，其结果如图11所示。

由图11 可以发现，在改装后，机舱、大客厅、观光区和捕捞体验区样点的加速度响应幅值有明显的下降，其下降幅度基本都达到了10%。而对于其它区域，振动响应也略有下降。通过针对性地改进后，全船振动响应幅值基本处于合理的范围内，达到了改善对应区域振动响应情况的目的。

图11 减振效果对比Fig.11 Comparison of vibration reduction effect

5 结论

由于休闲渔船具有载客及休闲娱乐的功能，对其船型的振动性能有着比渔船更高的要求。本文针对某即将完工休闲渔船，利用MSC.Patran 软件建立了该船的整船有限元模型，分析了其固有振动特性以及主要激励力作用下的全船振动响应。同时，对部分振动响应幅值较大的区域进行了减振改进，仿真模拟结果显示效果良好。

(1)通过船型固有振动频率和主要激励源的频率对比分析，本船型不会发生严重的共振情况。同时由于休闲渔船自身的特性，其空载到港和满载港工况下的固有频率并无明显的区别。

(2)在空载到港和满载返港的工况下，除个别区域加速度响应幅值接近严重振动的上限值，各区域的振动响应均满足相关标准的要求。鉴于船型建造接近完工，通过在舱底增加混凝土压载、增强观光区甲板结构的强度、机舱内增设支柱等有效措施，有效地降低了相应区域的振动响应，可为现有休闲渔船的减振改进提供依据，也可为同类型船型的设计提供借鉴。