改装FPSO模块化生活楼振动与舱室噪声研究

许 靖，张晨阳，白新建，郝金凤，封 毅

(1.中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081;2.天津修船技术研究所，天津 300456)

FPSO(浮式生产储卸装置)集油气处理、原油储存与外输、发电、供热、人员居住于一体，具有适用水深范围广、抗风浪能力强、可重复使用等特点，是当今海上油气开发的主力装备，受到业界广泛关注。与新建项目相比，改装FPSO具有工期短、投资少等优势，石油公司和船东更倾向于用改装FPSO进行海上油气田开发。目前，改装FPSO在现役FPSO中的比例约占三分之二。因此，FPSO改装具有很大的市场潜力［1－2］。

模块化设计建造技术能够显著提高生产效率、降低成本，在船舶行业得到了广泛研究和应用，我国在此方面已取得明显成绩。借鉴国内外船舶行业多年积累的技术经验，并结合自身特点，研究适合FPSO改装的生活楼模块化设计建造技术，可提升我国在FPSO改装建造国际市场上的竞争力，促进我国海洋工程装备制造业的发展［3］。

生活楼是FPSO上重要的生活起居、工作、娱乐等功能场所，过度的振动和噪声会使人员感到不适，甚至影响身心健康。同时，振动会对平台上仪器、设备正常工作造成影响，降低其使用性能及寿命。另外，振动会加剧结构的疲劳损伤，危害生活楼的结构安全。国际海洋工程设施规范对FPSO的居住舱、工作环境等提出了严格要求。因此，在设计阶段对生活楼的振动及舱室噪声进行预报是必要的，以便有的放矢地提出应对措施［4］。

1 生活楼振动计算

1.1 计算方法

鉴于有限元方法是目前公认的求解结构振动问题的有效方法，在船舶行业应用广泛，本文采用有限元方法计算生活楼的振动。

有限元法是一种近似的数值计算方法。首先，将一个表示结构或连续体的求解域离散为有限个单元，并通过边界节点相互连接组成离散化模型。然后，通过每个单元内的近似函数表示求解域内的待求未知场变量，近似函数可由未知场函数在单元节点上的数值和相应的插值函数表示。由于相邻单元在同一节点上具有相同场函数数值，故将其作为数值求解的基本未知量，由此将原待求场函数的无限自由度问题转化为场函数节点值的有限自由度问题。最后，采用与问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量的方程，经过求解得到问题的解。

1.2 结构振动基本方程

结构系统振动的有限元动力学方程为:

式中:［M］为结构质量矩阵;［C］为结构阻尼矩阵;［K］为结构刚度矩阵; {P}为结构载荷向量;{ü}为加速度向量;{u·}为速度向量;{u}为结构位移向量。

计算生活楼总振动时，结构阻尼矩阵和载荷向量为零，则有限元动力方程为:

由方程 (2)得到的特征值即为生活楼的固有频率，特征向量即为振型。

1.3 附连水质量

已有研究表明，附连水质量参与船体振动等效质量改变，能够降低船体自由振动频率，对船舶自由振动的影响不容忽视。目前，附连水质量计算主要有两种方式:①刘易斯－陶德公式法，根据沿船长方向的质量分布、横剖面面积、吃水等条件计算各位置不同阶次附连水质量，并以质量点的形式施加到模型水面下单元上;②流固耦合方法，通过模拟结构和流体相互作用，将流体的作用力施加到结构表面，考虑船体外水质量的影响。本文采用更为精确的流固耦合方法计算FPSO船体附连水质量，利用MSC.Nastran软件中的流固耦合计算功能实现。

1.4 结构模型

根据母型船船体及模块化生活楼设计图，采用大型有限元软件MSC.Patran建立模型，其中，甲板、纵/横舱壁等板结构用壳单元模拟，桁材、扶强材、柱等用梁单元模拟，设备、液货、压载水等利用质量单元通过多点约束 (MPC)施加到相应位置。模型的边界条件，是在船体向船艏方向端面铰支约束。计算模型如图1所示。

图1 振动计算模型

1.5 计算结果及分析

生活楼总振动是指纵向振动、横向振动和扭转振动。本文对 FPSO在 13.93 m、17.12 m 和23.2 m吃水状态下的生活楼振动进行了计算，由于不同吃水下的振动形态相似，篇幅有限，文中只给出13.93 m吃水状态下生活楼总振动振型云图，如图2～图4所示。

计算得到的模块化生活楼总振动固有频率如表1所示。

图2 一阶纵向振动 (吃水13.93 m)

图3 一阶横向振动 (吃水13.93 m)

图4 一阶扭转振动 (吃水13.93 m)

由表1可以看出，相同船体吃水情况下，生活楼的一阶纵向振动频率最低，一级横向振动频率次之，一阶扭转振动频率最高;随着船体吃水增加，生活楼相同振型对应固有频率降低，说明有更多附连水参与了结构振动。

根据《船上振动控制指南》［5］要求，生活楼总振动低阶固有频率在激励源频率85% ～115%范围应该避免。经过与FPSO主要激励源危险频率范围进行对比，模块化生活楼总振动性能满足要求。

2 生活楼舱室噪声计算

2.1 计算方法

统计能量分析法 (SEA)用统计的观点，从能量的角度分析复杂结构在外载荷作用下的响应，很好地解决了声场与结构间的耦合问题，能够快速、准确地模拟声学特性。该方法把研究对象作为多个子系统的集合，将结构系统和声系统以同一变量来描述，得出统计意义上的系统特性，目前在船舶舱室噪声分析中应用广泛，本文采用该方法对FPSO生活楼的舱室噪声进行计算。

统计能量分析法的计算精度受3个主要参数的影响，即模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子。对于板、声腔等子系统，模态密度可以根据解析公式获得，内损耗因子一般根据试验方法获得，耦合损耗因子可用解析法获得。

VA One软件能够进行全频域声学分析，满足大型船舶舱室噪声分析要求，在建模中可以方便地设置参数模拟甲板敷料、舱室隔音绝缘材料等，本文采用该软件对生活楼进行建模和计算。

2.2 统计能量分析法基本原理

统计能量分析法将能量守恒方程应用于每一个子系统，即子系统消耗的能量加上传递给其他子系统的能量等于输入给该子系统的能量［6］。为直观表述，图5给出了两个相互耦合的线性单自由度子系统。

2个相互耦合子系统的能量平衡方程如下:

图5 双子系统SEA模型

对于3个及以上子系统组成的复杂系统，能量平衡方程表示为:

式中:ω为分析频带内中心频率;ηi为第i子系统内损耗因子;ηij为振动能量从i系统传至j系统的耦合损耗因子;ni为第i子系统模态密度;Ei为第i子系统能量;Pi为第i子系统的输入能量。

对于多个子系统构成的复杂系统，通过求解各子系统的平均能量，进而求得子系统空间或时间的振速、声腔子系统声压等。

对于每个结构或声学子系统，都具有一个与时间或空间平均振动速度或声压成比例的稳态能量关系:

第i个结构子系统振动速度均方值:

第i个空间声场子系统声压均方值:

式中:Ei、Mi、Zc分别表示第i子系统的能量、质量和空间声场的声阻抗。

2.3 国际海事组织(IMO)对舱室噪声要求

按照IMO A 468(XII)《船上噪声级规则》要求，不同功能舱室的噪声水平不得超过相应的噪声限值要求。根据最新决议MSC.337(91)内容，1万吨以上船舶不同舱室噪声限值如表2所示。

表2 不同舱室噪声限值 dB(A)

2.4 生活楼舱室噪声计算模型

统计能量分析法给出的是舱室噪声在空间和频域的平均量，而不是舱室子系统内部某个局部位置的声场分布，所以，与有限元模型不同，统计能量分析法的计算模型只需把闭合舱室子系统及与其他子系统的联系表征出来即可，不需要精确描述船体几何特征。

为准确反映FPSO激励源对生活楼主要舱室空气噪声影响，本文建立了全船分析模型。在建模过程中，对模型进行了适当简化，首先采用MSC.Patran软件建立结构有限元模型，然后将模型导入VA One软件完成生活楼舱室噪声统计能量分析模型建模。整个计算模型共有9 176个子系统，其中，板壳子系统8 843个，声腔子系统333个，计算模型如图6～图8所示。

图6 舱室噪声计算模型整体视图

图7 舱室噪声计算板壳子系统离散视图

图8 舱室噪声计算声腔子系统离散视图

模块化生活楼位于FPSO尾部甲板，共有4层，通过底部框架与船体连接。计算考虑的主要噪声源包括:生活楼舱室内空调、洗衣设备、淡水机等，生活楼下方机舱内的各类泵、机械设备、液压单元，以及位于船体主甲板的功能设备等。加载后的模型图如9所示。

2.5 生活楼舱室噪声计算结果

本文研究对象FPSO模块化设计生活楼主要包括居住、办公、餐饮、娱乐等居住和服务场所，所以主要关注的是上述区域的舱室空气噪声。

图9 舱室噪声计算声腔子系统离散视图

计算得到的舱室噪声分布情况如图10、图11所示。

图10 全船舱室噪声分布云图

图11 模块化生活楼舱室噪声分布云图

模块化生活楼各层舱室噪声计算结果如表3～6所示。

表3 一层舱室噪声计算结果 dB(A)

表4 二层舱室噪声计算结果 dB(A)

表5 三层舱室噪声计算结果 dB(A)

表6 四层舱室噪声计算结果 dB(A)

由表3～6知，模块化生活楼各舱室的噪声满足IMO《船上噪声级规则》最新决议 MSC.337(91)对舱室噪声限值要求，即满足IMO A 468(XII)要求。

为更好地了解模块化生活楼舱室噪声性能，本文与母型船整体式板架结构生活楼舱室噪声进行了对比。由于缺少母型船舱室面积、体积等参数，采用同类型舱室噪声取均值的方法，对模块化生活楼和母型船生活楼舱室噪声进行比较。舱室噪声对比具体如表7所示。

表7 舱室噪声比较 dB(A)

由表7可以看出，模块化生活楼舱室噪声整体上优于母型船生活区同类型舱室，即具有更好的舒适性。分析其原因，一方面，模块化生活楼各独立模块之间通过节点连接，与船体通过立柱连接，降低了设备振动传递效率，减少了结构噪声产生;另一方面，在设计过程中，采用了低噪声设计方案，舱室、甲板的敷料使用得当，起到了良好的吸声、消声及隔声效果。此外，相邻独立模块间的空气层具有吸声作用，削弱了舱室间噪声的相互影响。

5 结束语

本文以某型改装FPSO模块化设计生活楼为研究对象，分别采用有限元方法和统计能量方法，建立生活楼结构振动和舱室噪声分析模型，并对生活楼的总振动和舱室噪声进行计算分析。得到主要结论如下。

1)为准确预报模块化生活楼的整体振动特性，计算模型范围应包含部分相近的船体结构;附连水质量可降低结构振动固有频率，生活楼总振动分析须考虑附连水质量的影响。

2)模块化生活楼的结构形式可降低设备振动的传递效率，有利于减少结构噪声的产生;相邻模块间的舱壁独立，其间的空气层有吸声作用，舱室间噪声相互影响较弱;舱室甲板、舱壁敷料设计合理，具有较好的吸声、消声和隔声效果。

3)为FPSO改装开发的模块化生活楼结构总振动性能和舱室噪声满足要求，且生活区舱室噪声总体上优于母型船同类舱室。

本文研究结果表明，模块化生活楼的舒适性良好，在海洋工程领域具有重要的推广应用价值。

［1］袁中立，李春.FPSO的现状与关键技术［J］.石油工程建设，2005，31(6):24－29.

［2］李正建，王捷.FPSO的改装市场 ［J］.中国修船，2002(1):1－4.

［3］刘富祥，白雪，张媛.海洋平台模块化设计方法研究［J］.船舶工程，2011，33(S1):229 － 243.

［4］杨德庆，金咸定，周永青.浮式生产储油船上层建筑振动噪声数值预报 ［J］.上海造船，2003(2):15－19.

［5］杨光，林一，刘亚冲，王翀，王春雪.大型集装箱船上层建筑整体振动的分析方法 ［J］.船舶与海洋工程，2014(3):15－20.

［6］姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用 ［M］.北京:北京工业大学出版社，1995.