任康旭， 姚 雯， 李澤成， 田 穎

(1. 上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082)

FDPSO總振動(dòng)與艙室噪聲研究

任康旭1， 姚 雯1， 李澤成2， 田 穎1

(1. 上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082)

該文以浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FDPSO)為研究對(duì)象，建立全船有限元模型，采用有限元法計(jì)算了壓載和滿載工況的總振動(dòng)。其次利用基于統(tǒng)計(jì)能量法的自研軟件建立了船舶艙室噪聲計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明，居住區(qū)域的艙室噪聲滿足MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但是部分艙室噪聲已經(jīng)接近甚至達(dá)到噪聲限值。

總振動(dòng)；船上噪聲；艙室噪聲；有限元法；統(tǒng)計(jì)能量分析

0 引言

浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FDPSO)是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)的一種新型浮式海洋工程裝備，通過在FPSO 船殼的月池上添加鉆探設(shè)備，增加鉆探功能，集鉆探、生產(chǎn)、存儲(chǔ)及裝卸為一體，具有單獨(dú)開發(fā)油田的能力，從而大大縮短了油田開采的周期，其設(shè)計(jì)與建造反映了一個(gè)國(guó)家在海洋油氣開發(fā)裝備上的研發(fā)水平。隨著海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)趨向節(jié)能、環(huán)保、人性化，船舶設(shè)計(jì)除滿足功能使用外，對(duì)船上主要生活區(qū)和主要工作艙室提出了更加嚴(yán)格的噪聲控制要求，船舶噪聲不僅會(huì)影響艙內(nèi)各種儀器、設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)聲振疲勞破壞，對(duì)長(zhǎng)期居住在艙室的船員來說，輕則影響到生活和工作環(huán)境的舒適度，重則危害船員身體健康，船員如果長(zhǎng)時(shí)間處于高噪聲環(huán)境，容易產(chǎn)生疲勞，降低工作注意力和效率，甚至?xí)g接引發(fā)海上事故，并對(duì)船員的聽力造成永久性的損傷。因此，國(guó)際海事組織(IMO)和各國(guó)船級(jí)社都有明確的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，尤其在驗(yàn)船時(shí)船東對(duì)船舶振動(dòng)噪聲有更高的要求。

此外，船體的振動(dòng)還會(huì)引起船上儀器設(shè)備的正常使用及造成船體結(jié)構(gòu)的局部疲勞損壞。而且，船體輻射到水下的噪聲會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，對(duì)海洋生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要的影響。同時(shí)，隨著船舶及海洋工程技術(shù)的不斷發(fā)展及世界航運(yùn)業(yè)的要求，船舶建造呈現(xiàn)大型化，船舶的動(dòng)力設(shè)備也越來越大型化，作為船舶噪聲源的各個(gè)設(shè)備的噪聲控制問題越來越受到船舶設(shè)計(jì)部門與制造部門的關(guān)注。對(duì)于高科技與全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的21世紀(jì)，人們對(duì)舒適性要求越來越高，環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)船舶的低振動(dòng)低噪聲設(shè)計(jì)與制造逐漸成為船舶高性能的重要標(biāo)志。

1 總振動(dòng)計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

該文采用有限元法(FEM)作為FDPSO總振動(dòng)計(jì)算的求解方法，有限元法是公認(rèn)的求解船舶振動(dòng)問題的有效方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶行業(yè)。

有限元法的基本思想是里茲法加分片近似。首先，將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干子域(單元)，并通過邊界上的節(jié)點(diǎn)相互連結(jié)為組合體。其次，用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示全求解域內(nèi)待求的未知場(chǎng)變量。而每個(gè)單元內(nèi)的近似函數(shù)，可由未知場(chǎng)函數(shù)在單元各結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和與其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)來表達(dá)。由于在連接相鄰單元的結(jié)點(diǎn)上，場(chǎng)函數(shù)應(yīng)具有相同的數(shù)值，因而將它們用作數(shù)值求解的基本未知量，這樣便將求解原來待求場(chǎng)函數(shù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)換為求解場(chǎng)函數(shù)結(jié)點(diǎn)值的有限自由度問題。最后，通過和原問題數(shù)學(xué)模型等效的變分原理或加權(quán)余量法，建立求解基本未知量的代數(shù)方程組或常微分方程組，求解該方程組便得到問題的解。

1.2 基本方程

結(jié)構(gòu)整體的有限元?jiǎng)恿W(xué)方程為：

(1)

式中：{r}為結(jié)構(gòu)整體的位移向量；[M]為結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量矩陣；[C]為結(jié)構(gòu)整體的阻尼矩陣；[K]為結(jié)構(gòu)整體的剛度矩陣；{P}為結(jié)構(gòu)整體的載荷向量。

計(jì)算FDPSO總振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的阻尼矩陣和載荷向量均為零，于是得到模態(tài)分析的有限元方程為：

(2)

求解該方程得到的特征值為FDPSO的固有頻率，特征向量為FDPSO的振型。

1.3 附連水質(zhì)量

FDPSO單位長(zhǎng)度的附連水質(zhì)量按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：mv為垂向總振動(dòng)時(shí)單位長(zhǎng)度上的附連水質(zhì)量；mh為水平總振動(dòng)時(shí)單位長(zhǎng)度上的附連水質(zhì)量；αv為淺水修正系數(shù)，與水深和剖面水線半寬之比有關(guān)；αh為狹窄航道修正系數(shù)，與船舶中縱剖面至岸壁的距離和吃水之比有關(guān)；Ki為與振動(dòng)階數(shù)i有關(guān)三維流動(dòng)修正系數(shù)，垂向振動(dòng)時(shí)按船長(zhǎng)和船寬之比計(jì)算，水平振動(dòng)時(shí)按船長(zhǎng)和吃水之比計(jì)算；Cv、Ch分別為垂向振動(dòng)的附連水質(zhì)量系數(shù)、水平振動(dòng)的附連水質(zhì)量系數(shù)，取決于剖面水線寬度與吃水之比以及浸沒剖面面積系數(shù)；ρ為水的密度；b為剖面處的水線半寬；d為剖面處的吃水。

圖1 總振動(dòng)計(jì)算模型

1.4 計(jì)算模型

根據(jù)圖紙建立FDPSO三維全船有限元模型，總振動(dòng)計(jì)算模型如圖1所示，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行FDPSO總振動(dòng)計(jì)算。該模型除了沒有考慮居住區(qū)域和鉆井模塊之外，其余船體部分(板、加強(qiáng)筋等)都根據(jù)圖紙建模和賦予屬性，作為計(jì)算船體總振動(dòng)的模型還是比較適用的。該計(jì)算模型的X向正向?yàn)榇L(zhǎng)方向，Y向正向?yàn)榇淖笙戏较?，Z向正向?yàn)榇母叨确较颉?/p>

1.5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到FDPSO各階振型的附連水質(zhì)量見表1。附連水質(zhì)量與振型直接相關(guān)，垂向振動(dòng)的附連水質(zhì)量遠(yuǎn)大于水平振動(dòng)的附連水質(zhì)量。

采用有限元軟件計(jì)算得到的FDPSO總振動(dòng)的固有頻率見表2，相應(yīng)的振型云圖如圖2～圖7所示。

表1 FDPSO的附連水質(zhì)量

表2 FDPSO總振動(dòng)的固有頻率

圖2 等向視圖的一階垂向振動(dòng)振型 圖3 Y向視圖的一階垂向振動(dòng)振型

圖4 Z向視圖的一階水平振動(dòng)振型 圖5 等向視圖的二階垂向振動(dòng)振型

圖6 Y向視圖的二階垂向振動(dòng)振型 圖7 Z向視圖的二階水平振動(dòng)振型

2 艙室噪聲計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)是處理中高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲問題的有效方法，因此該文采用統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)作為FDPSO艙室噪聲計(jì)算的求解方法。

統(tǒng)計(jì)能量分析方法從能量的角度來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的聲振響應(yīng)。統(tǒng)計(jì)能量分析方法預(yù)報(bào)精度受三個(gè)主要參數(shù)的影響，即模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子。對(duì)于板、聲腔等子系統(tǒng)，模態(tài)密度可根據(jù)解析公式獲得，內(nèi)損耗因子一般根據(jù)試驗(yàn)方法獲得，耦合損耗因子可用解析法獲得。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心從二十世紀(jì)七十年代開始，致力于統(tǒng)計(jì)能量方法在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究，在八十年代末期初步形成了我國(guó)船舶艙室噪聲的專用數(shù)值計(jì)算方法，并不斷完善船舶艙室噪聲理論模型。近年來開發(fā)了船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)軟件，并獲得軟件著作權(quán)，該文采用該軟件進(jìn)行FDPSO艙室噪聲計(jì)算。

2.2 基本方程

圖8 兩個(gè)子系統(tǒng)能量耦合

對(duì)圖8所示的兩個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)能量耦合模型，可建立如下的能量傳遞平衡方程：

(4)

(5)

式中：ω為系統(tǒng)的分析頻率；P1、P2為時(shí)間平均的輸入能量；η12、η21為系統(tǒng)間耦合損耗因子；η1、η2為系統(tǒng)阻尼損耗因子；E1、E2為子系統(tǒng)能量；n1、n2為子系統(tǒng)模態(tài)密度。

同理，對(duì)于由個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，能量平衡方程擴(kuò)展可以表示為：

(6)

式中：ω為系統(tǒng)的分析頻率；ηi為第i個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子；Pi為對(duì)第i個(gè)子系統(tǒng)輸入功率；ni為第i個(gè)子系統(tǒng)模態(tài)密度；Ei為第i個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)能量；ηij為兩子系統(tǒng)之間的耦合損耗因子。

因此統(tǒng)計(jì)能量分析需明確四個(gè)參數(shù)：內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、模態(tài)密度、輸入功率，然后求得各子系統(tǒng)的平均能量，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)空間或時(shí)間的振速、聲腔子系統(tǒng)的聲壓等。

建立能量與響應(yīng)量之間的關(guān)系,由于每個(gè)結(jié)構(gòu)或聲學(xué)的子系統(tǒng)，都具有一個(gè)與時(shí)間平均和空間平均的振速或聲壓成比率的穩(wěn)態(tài)能量水平。

對(duì)于質(zhì)量為Mi的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)：

(4)

式中：Ei為第i個(gè)子系統(tǒng)的能量；Mi為第i個(gè)子系統(tǒng)的質(zhì)量。

空間聲場(chǎng)子系統(tǒng)的聲壓均方值為：

(5)

式中：Zc為空間聲場(chǎng)的聲阻抗；Mi為第i個(gè)子系統(tǒng)的質(zhì)量，即空間聲場(chǎng)的空氣質(zhì)量。

2.3 艙室噪聲限值要求

2014年7月1日起生效的MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》規(guī)定艙室噪聲以等效連續(xù)A聲級(jí)表示，艙室噪聲結(jié)果不得超過相應(yīng)的噪聲限值要求。對(duì)于1萬總噸以上的船舶，不同部位的艙室噪聲限值見表3。

表3 不同部位的艙室噪聲限值

圖9 艙室噪聲計(jì)算模型

2.4 計(jì)算模型

由于統(tǒng)計(jì)能量法給出的是艙室噪聲在空間和頻域的平均量，所以統(tǒng)計(jì)能量法不能預(yù)報(bào)艙室子系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)局部位置的聲場(chǎng)分布，但能較精確地從統(tǒng)計(jì)意義上預(yù)報(bào)出整個(gè)艙室的噪聲級(jí)。這是統(tǒng)計(jì)能量法區(qū)別于有限元法的地方，也是統(tǒng)計(jì)能量法的優(yōu)點(diǎn)。所以，統(tǒng)計(jì)能量法的計(jì)算模型不同于有限元模型，建模時(shí)只需把閉合艙室子系統(tǒng)及其與其它子系統(tǒng)的聯(lián)系表征出來即可，不需要像有限元模型那樣精確地描述船體幾何特征。

為了計(jì)算該船主要艙室的空氣噪聲，建立全船艙室噪聲計(jì)算模型，如圖9所示，采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲計(jì)算。

該文主要關(guān)注的是居住區(qū)域的艙室空氣噪聲。居住區(qū)域位于船舶尾部，從1甲板到4甲板。柴油發(fā)電機(jī)組位于船舶中部，離居住區(qū)域約110 m，位于居住區(qū)域下方的機(jī)艙區(qū)域噪聲源主要有泵艙、機(jī)械設(shè)備間、空調(diào)機(jī)室、液壓?jiǎn)卧g等。

2.5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到的全船艙室噪聲云圖如圖10所示，居住區(qū)域的艙室噪聲具體數(shù)值結(jié)果見表4～表7，由計(jì)算結(jié)果可知，F(xiàn)DPSO居住區(qū)域的艙室噪聲總體上處于良好噪聲控制水平，都滿足MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

圖10 艙室噪聲計(jì)算結(jié)果云圖

艙室名稱計(jì)算/dB(A)限值/dB(A)合格中央控制室6065是報(bào)務(wù)間5560是報(bào)務(wù)員間5355是候機(jī)室4860是

表5 3甲板的艙室噪聲計(jì)算結(jié)果

表6 2甲板的艙室噪聲計(jì)算結(jié)果

表7 1甲板的艙室噪聲計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

該文首先建立FDPSO全船有限元模型，采用有限元法計(jì)算了壓載和滿載狀態(tài)下的總振動(dòng)，壓載狀態(tài)下附連水質(zhì)量對(duì)總振動(dòng)的影響比滿載狀態(tài)下更大，垂向振動(dòng)的附連水質(zhì)量遠(yuǎn)大于水平振動(dòng)的附連水質(zhì)量。其次建立FDPSO全船統(tǒng)計(jì)能量分析模型，采用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算了主要居住艙室和工作艙室的空氣噪聲，計(jì)算結(jié)果表明該船居住區(qū)域的艙室噪聲滿足MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的船上噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但是部分艙室噪聲已經(jīng)接近甚至達(dá)到噪聲限值。

[1] IMO A.468 (Ⅻ). Code on noise levels on board ships[S]，1981.

[2] MSC 337(91). Code on noise levels on board ships[S]，2012.

[3] 姚德源，王其政. 統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[4] 李澤成. 船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法分析與評(píng)估計(jì)算[T]. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，2013.

[5] 李澤成，吳文偉. 船舶艙室聲學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)性文件[T]. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，2014.

[6] 吳文偉，殷學(xué)文. 大型油船艙室噪聲評(píng)估與控制[J]. 船舶力學(xué)，2014，18(12)：1524-1533.

Research on Global Vibration and Cabin Noise for FDPSO

REN Kang-xu1, YAO Wen1, LI Ze-cheng2, TIAN Ying1

(1. Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China 2. China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China)

Global vibration and cabin noise on Floating Drill Production Storage and Offloading (FDPSO) are researched in this paper. Firstly, based on finite element method, whole ship model is build to calculate global vibration. Secondly, based on statistical energy analysis theory, a numerical model is build to compute ship cabin noise. The evaluated results show that cabin noise in accommodation space is satisfied for noise limit requirement in MSC.337 (91) “Code on noise levels on board ships”, but there are some cabin noises approach to the upper limit.

global vibration; onboard ship noise; cabin noise; finite element method; statistical energy analysis

2015-03-28

任康旭(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0054-07

U69

A