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1、浮式生产储油船上层建筑振动噪声数值预报 上海交通大学船舶与海洋工程学院 杨德庆 金咸定 中国船舶与海洋工程设计研究院 周永青 提 要 研究浮式生产储油船(FPSO)工作环境下振动噪声混合数值预报技术,将声学计算基本理论方法(有限元/边 界元方法与统计能量分析方法)拓展于宽频带多噪声源的海洋工程设计中,以满足国内船舶设计建造、 使用等部门 对减振降噪技术的迫切需要。 关键词:浮式生产储油船 振动 噪声 声学边界元法 第一作者简介:杨德庆,男,副教授。1968年生,1988年大连 理工大学结构力学专业博士研究生毕业,主 要从事船舶结构力学教学与研究工作。 1 前 言 海底石油及天然气储量约占世界总
2、储量的2/ 3 , 随着能源消耗加剧,对海洋石油的开采变得日益重 要。FPSO作为高技术、 高附加值的新型海上石油 开采关键设施,已为世界海上油田开发的主流方式。 FPSO与海洋平台相比具有初投资少、 建造周期短、 迁移方便、 可重复使用等优点。FPSO技术采用浮 式生产储油船为基式,在海上对开采的石油进行油 气水分离,同时进行含油污水处理、 动力发电及供 热、 原油产品的储存和外输,它是集生产和生活系统 为一体的海洋石油生产基地。 鉴于人员长期生活在FPSO上,国际船舶和海 洋工程设施规范对FPSO居住舱和工作环境噪声提 出了严格的要求。FPSO开发设计过程中必须预报 舱室和工作环境噪声,进
3、而采取减振降噪措施以满 足规范要求。经验预估方法难以满足国际规范对声 学设计要求,FPSO噪声预报数值计算技术亟需建 立。目前我国油气勘探开发正加紧进行,FPSO的 开发设计将迎来全面发展,FPSO噪声预报数值计 算技术成为我国海洋石油勘采设备开发中应解决的 关键技术,关系到结构设计、 入级与安全生产,也是 指导减振降噪设计的依据。 上海交通大学船舶与海洋工程学院同中国船舶 与海洋工程设计研究院合作,开展了FPSO振动噪 声数值计算预报方法研究,探索将基于声学边界元 +结构有限元的耦合噪声分析技术应用于船体实际 分舱和上层建筑等复杂结构。对空气和结构振动噪 声源在FPSO船体结构中的传播进行预
4、报,这在国 内是首次研究。探讨了以下问题: (1)噪声数值计算基本理论在FPSO声学预报 中的应用研究; (2)提出FPSO舱室、 周围环境噪声预报流程和 有关数值计算方法; (3)国外噪声分析软件LMS/ SYSNOISE引进、 消化和应用; (4)对某FPSO的声学设计采用本文提出的方 法进行预报。 2 FPSO振动噪声预报流程与计算方 法 2. 1 船舶噪声计算基本方程与求解 在瞬态声源激励 q ( ?r , t)作用下产生的瞬态声 场中,声压 p( ?r , t)满足波动方程: ? 2 p( ?r , t) - 1 c2 52 p( ? r , t) 5t2 = q(?r , t) (
5、1) 若声源激励为简谐激励,即 q ( ?r , t)=? q ( ? r) e iwt ,则所产生的声场为稳态声场。此时波动方程可 简化为Helmholtz方程: ? 2 p( ?r ,) + k2 p( ?r , ) = ? q( ?r)(2) 由结构振动产生的结构声的声压也满足上述方 程。在船舶结构声学和水声学计算中常考虑 Helmholtz方程。方程(1)为双曲型方程,方程(2)为 椭圆型方程。 相应的声学边界条件如表1所示。 表 1 类型波动方程Helmholtz方程 Dirichlet B. C. p( ? r , t) =? p ( ? r , t) p( ?r ,)=? p(
6、?r ,) Neumann B. C. 5 p( ? r , t) 5n = -5 vn(? r , t) 5t 5 p( ?r ,) 5n = -i ? vn(?r ,) Robin B. C. 5 p( ? r , t) 5n = -? A ( ? r) 5 p( ? r , t) 5t p( ?r ,)=? Z( ?r , ) v n(?r ,) 51上海造船 2003年第2期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式中k=/ c为波数,为圆频率,c为流体介质中 的声速,为流体介质的
7、密度,n为结构表面外法向 单位矢量,vn为结构表面外法向振速,? A ( ? r) 为结构 表面的导纳,? Z ( ?r ,)为结构表面的阻抗。若考虑 结构振动与声场流固耦合,还应加入结构振动方程。 对于自由空间和半自由空间情况,Helmholtz方 程的基本解场函数可由下列格林函数给出: 三维自由空间格林函数 G( ? r) = e -ikr / ( 4 r) , 半自由空间格林函数GH(? r) = e -ikr / ( 4 r) + RHe -ikr1 / ( 4r1)。 声学数值计算的主要任务就是求给定振动、 声 学和几何约束边界条件下上述偏微分方程组的解。 求解声学方程常用的方法有两
8、类:解析法和数值法。 其中解析法局限于求解较为规则简单结构在特殊激 励下的振动声学问题,如分离变量法、 摄动法。数值 法包括能量法、 有限元法、 无限元法、 边界元法、 双渐 近展开法及波动法等。 能量法适用于中高频激励下模态密集结构振动 与声的计算,如统计能量法SEA、 能量有限元法E2 FEA等。有限元法和边界元法适用于中低频激励 下复杂结构振动与声的计算。其中有限元方法多用 于室内噪声分析计算。可以运用有限元模拟各种声 学介质,譬如流体、 穿孔板等,计算固有频率和声模 态,在频域或时域中计算空腔的声模态和声振耦合 响应,并且考虑流体效应。无限元方法主要用于外 声场计算,能够考虑流固耦合。
9、边界元方法多用于 内声场和外声场计算。譬如,结构物表面或声场中 任意点在频域或时域中的响应;声传播时的声散射 物体;声学辐射模式;声传播途径分析和噪声声源分 析等。 从发展趋势看,声学有限元/边界元方法将拓展 SEA方法,所建模型具有船舶有限元模型所有的特 点,能够利用船舶强度和振动计算中所建立的有限 元模型,还能适当地估计加筋板中加强筋的噪声衰 减。鉴于统计能量法模型和有限元/边界元声学模 型的显著差异,尝试用有限元/边界元模型做中高频 率结构噪声的计算,其结果准确度有待于进一步证 明。 2. 2 FPSO声学计算特点 FPSO是一个复杂海洋工程结构物,通常无自 航能力,设计船长一般大于20
10、0m。上甲板尾部布置 用于穿梭油船串靠的系泊设备及卸油系统。生活区 布置在上甲板首部或尾部。在生活区的顶部设有一 信号雷达桅和由刚架组成的直升机平台。上甲板还 布置生产工艺、 热介质、 计量、 发电、 变压器、 空调和 控制室的模块。在船首设有单点系泊系统。所以, FPSO的基本特点是:无推进力、 特殊海况、 单点系 泊、 不进坞检修、 受载复杂、 系统和电站复杂、 安全性 要求高。 FPSO上与振动噪声有关的振源、 噪声源包括 电站、 变压器、 各种泵、 排风扇、 空调器、 油气水处理 动力机械等。从噪声源类型上看,包含了结构、 空气 和电磁噪声等,因此在计算过程中要对上述多个噪 声源产生的
11、噪声级进行迭加。由于FPSO是庞大复 杂的工程结构物,采用有限元方法进行结构动力响 应分析时,结构有限元模型规模很大、 激励源多,导 致计算费时较多。而在进行声学计算时也因规模的 问题,难以采用声学有限元方法求解。因此,声学边 界元法和统计能量法SEA成为首选方法。 进行FPSO振动声学计算时,除需要上述振源 和噪声源初始数据外,还需要FPSO结构布置图、 舱 室设计图、 船上隔声构造的典型方案图,门、 窗、 地 板、 隔板所用的材料表,及其几何、 物理参数、 表面质 量等。 2. 3 FPSO振动噪声预报流程 参考船舶噪声计算预报的一般流程,结合FP2 SO振动噪声的特点,我们提出如下的FP
12、SO振动噪 声预报流程: (1)确定FPSO在有关载荷条件下的振动源和 噪声源,并得到相关振动、 噪声源谱数据(如厂家提 供的设备倍频程振动谱、 空调设备噪声功率谱等;也 可以通过现场测量获得相关谱数据)。 (2)进行FPSO的振动预报,作为振动所造成 的结构噪声预报的基础。具体内容包括: a.建立FPSO结构有限元模型与质量模型(根 据设计图和布置图 ) ; b.给定船体振动激励源载荷、 船体材料或结构 的(模态)阻尼系数、 减(隔)振阻尼材料的损耗因子 和相关位移、 速度约束边界条件; c.在中低频域内,采用有限元法进行船体振动 频响分析(计算给定激励下船体结构响应参数,如位 移、 速度和
13、加速度响应等 ) ; d.在中高频域内,定义统计能量分析子系统模 型,采用统计能量法SEA进行FPSO船体振动频响 分析。 (3)进行FPSO的噪声预报。具体内容包括: a.建立FPSO声学有限元或边界元模型(根据 设计图和隔声方案 ) ; 61杨德庆等:浮式生产储油船上层建筑振动噪声数值预报 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. b.给定FPSO声学模型中相应表面及构件的 声学特性参数,如船体材料声阻抗、 吸声降噪材料的 吸声系数等;定义相关边界位移约束条件,将船体振 动频响分析结果(如
14、位移、 速度和加速度等)定义为 流体声学边界条件; c.定义空气噪声源; d.在中低频域内,采用有限元法/边界元法进 行船体噪声频响分析(计算所有选定的结构振动和 空气噪声激励下各舱室的噪声谱 ) ; e.在中高频域内,定义统计能量分析子系统模 型,采用统计能量法SEA进行FPSO噪声频响分 析。 (4)确定噪声传递路径,评价噪声水平。在给 定的倍频程和指定位置,计算其噪声谱,并与规格书 对比。 上述振动噪声预报流程是基于目前国际上声学 数值分析软件发展的先进成果提出的,它可以考虑 同一工况下含多个振源和同时含有结构噪声源与空 气噪声源的状况。 2. 4 FPSO振动噪声预报基本边界元数值方法
15、 2. 4. 1 振动噪声的间接边界元解法 设简谐激励作用下结构振动在外部流体介质B 中产生的辐射声压p ( r , ) , n 为结构表面S的外 法向单位矢量,vn为结构表面S的外法向振速。r = |Q-P|, Q为结构表面S上任意点,P为空间中 任意点。定义单层势代表结构表面S处的速度脉 动, = 5p + 5n - 5p - 5n = -i ( v + -v - )(3) 定义双层势代表声学边界表面S处的声压脉 动, = p+-p-(4) 上标+和-分别代表实际结构表面与辅助虚边界域 表面。 经变换后得到采用单层势与双层势表示的 Helmholtz间接边界积分方程: p( P)= S 5
16、G( Q , P) 5n ( Q)-G( Q , P)( Q) dS ( Q)(5) 对边界积分方程(5)利用边界元法进行离散,即 得间接法边界元求解方程。 2. 4. 2 考虑振-声耦合的声学基本方程 振-声耦合关系如图1示。结构振动导致产生 噪声,噪声通过声压变化反过来对结构产生影响。 声振耦合方程为 K +iC - 2(M + M A ) u = FS (6) 其中流体附加质量 MA( ) = 0LD( ) - 1Lt (7) 图1 振2声耦合关系示意图 式中 K、 C和 M分别为船体结 构刚度、 阻尼和质 量矩阵,u为船体 结构有限元节点位 移向量,fS为作 用于结构上的外载 荷向量,fp为声压对结构作用力向量。 3 FPSO上层建筑振动噪声预报分析 计算 三维有限元全船模型能真实模拟船体的空间结 构,准确反映各部件局部连接关系和载荷分布特点, 加之有限元法求解问题的范围广,它已成为船舶静 动力学分析
