基于SEA的海洋平臺(tái)典型艙室噪聲預(yù)報(bào)及設(shè)備優(yōu)化布置研究

吳 彬 謝曉忠 陳 林 李 卓 孫 豐

（1.中國特種飛行器研究所 荊門448035；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

引 言

海洋平臺(tái)是海洋油氣勘探、開發(fā)的主要設(shè)備，為了保證平臺(tái)作業(yè)正常進(jìn)行，平臺(tái)上布置了原油主機(jī)、壓縮機(jī)、控制閥門、空冷器、泵、柴油機(jī)、風(fēng)機(jī)、火炬、空調(diào)以及其他橇裝設(shè)備等。這些機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生大量振動(dòng)與噪聲，其振動(dòng)會(huì)引起鋼性結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一次和二次振動(dòng)噪聲，振動(dòng)頻域涉及低頻、中頻和高頻。這些噪聲是影響安全的重要隱患，對(duì)作業(yè)人員的施工環(huán)境和安全造成危害，并影響平臺(tái)施工作業(yè)的正常運(yùn)行［1-3］。因此，對(duì)典型艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)并針對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)平臺(tái)設(shè)備的安裝布置合理優(yōu)化具有重要意義［4］。

鑒于ANSYS在有限元建模、VA ONE在全頻段噪聲預(yù)報(bào)中的巨大優(yōu)勢(shì)，本文采用通用有限元軟件ANSYS建立不同工況下的艙室-出風(fēng)管系統(tǒng)模型，而后將模型導(dǎo)入到VA ONE中，建立SEA模型，進(jìn)而施加載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量計(jì)算。最后對(duì)三種工況下的艙室噪聲進(jìn)行對(duì)比分析，并得出相關(guān)結(jié)論，為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物中設(shè)備的優(yōu)化布置提供依據(jù)。

1 統(tǒng)計(jì)能量法基本理論

統(tǒng)計(jì)能量分析方法從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，以能量為基本變量，重點(diǎn)研究穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)的平均振動(dòng)能量。SEA將復(fù)雜系統(tǒng)（包括機(jī)械的或聲學(xué)的系統(tǒng)）劃分為不同的模態(tài)群，并從統(tǒng)計(jì)意義上把大系統(tǒng)分解成若干便于分析的可貯存能量的獨(dú)立子系統(tǒng)，以每個(gè)子系統(tǒng)的能量為基本參數(shù)，建立每個(gè)子系統(tǒng)之間的能量平衡關(guān)系，以此來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的聲振環(huán)境［5-8］。

假設(shè)將一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)（聲學(xué)系統(tǒng)）劃分為N個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，創(chuàng)建成如圖1所示的SEA模型。

圖1 統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)

對(duì)于第i個(gè)子系統(tǒng)，其內(nèi)部損耗功率

式中：ηi為內(nèi)損耗因子，定義為子結(jié)構(gòu)在單位頻率（振動(dòng)一次）、單位時(shí)間損耗能量與平均儲(chǔ)存能量之比；ηis為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)本身材料內(nèi)摩擦構(gòu)成的結(jié)構(gòu)損耗因子；ηir為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)振動(dòng)聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)邊界連接阻尼構(gòu)成的損耗因子。

式中：ηij、ηji分別為從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j、從子系統(tǒng)j傳遞到子系統(tǒng)i的耦合損耗因子。

式中：Pi,in為外界對(duì)子系統(tǒng)i的輸入功率。

當(dāng)為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí) =0，上式可變成：

代入互易原理公式ηiηij=ηjηji，即可得統(tǒng)計(jì)能量法的基本關(guān)系式：

2 噪聲預(yù)報(bào)SEA模型及工況設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文采用以板面創(chuàng)建聲腔子系統(tǒng)的方法，在ANSYS中進(jìn)行幾何建模時(shí)，Shell結(jié)構(gòu)分為兩種：一種為結(jié)構(gòu)板，即實(shí)際存在的板；另一種為虛擬板，即用于構(gòu)建聲腔、實(shí)際并不存在的板，這一種板在VA ONE中聲腔建好后必須刪除。

幾何模型建好后，再進(jìn)行有限元離散，如圖2、圖4所示。噪聲預(yù)報(bào)整體模型由聲腔子系統(tǒng)、板子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3、圖5所示。

艙室尺寸為3 m×3 m×3 m，由厚度為4 mm、彈性模量E=2.1×1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3的普通船用鋼Q235圍成，內(nèi)部進(jìn)行聲控處理，即在艙室內(nèi)壁敷設(shè)50 mm 厚的礦物棉與1 mm厚的硬橡膠吸聲組合材料，以達(dá)到吸聲、隔聲的目的［9-10］。

這種吸聲材料的總體特性如下：?jiǎn)挝幻娣e重量W=3.6 kg，總厚度為51 mm。其中硬橡膠的密度ρ=1 100 kg/m3，彈性模量E=2.3×109Pa，剪切模量G=7.72×108Pa，泊松比μ=0.489 6。室外空調(diào)出風(fēng)管長(zhǎng)0.5 m，管徑0.5 m，位于通過艙壁中心垂直于艙壁的直線上。

2.2 工況設(shè)置

為考察出風(fēng)口朝向?qū)ε撌以肼暤挠绊?，本文設(shè)計(jì)了一項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)，在密閉艙室外布置一臺(tái)分體空調(diào)室外機(jī)，距離艙室0.5 m。分體空調(diào)室外機(jī)空氣噪聲載荷如表1所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 SEA整體模型

圖4 艙室-出風(fēng)管（側(cè)向）有限元模型

圖5 艙室-出風(fēng)管（側(cè)向）SEA模型

表1 倍頻程下分體空調(diào)室外機(jī)空氣聲聲源級(jí)

工況設(shè)計(jì)如下：工況A，出風(fēng)口背向艙室；工況B，出風(fēng)口朝向艙室；工況C，出風(fēng)口側(cè)向艙室。如圖6所示：

圖6 對(duì)比試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果分析

在統(tǒng)計(jì)能量軟件VA ONE中，分別對(duì)工況A、工況B、工況C進(jìn)行計(jì)算［11］，計(jì)算結(jié)果如表2所示。在各個(gè)頻點(diǎn)下，不同工況的噪聲級(jí)曲線見圖7。由計(jì)算結(jié)果可以看出，分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口背向密閉艙室較之于朝向艙室，艙室噪聲降低5.5 dBA，較之于側(cè)向艙室，艙室噪聲降低2.1 dBA。分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口側(cè)向密閉艙室較之于朝向艙室，艙室噪聲也出現(xiàn)3.4 dBA的降幅。因此，分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口的朝向會(huì)對(duì)艙室噪聲產(chǎn)生較大影響，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量使出風(fēng)口背向艙室。

表2 工況A、B計(jì)算結(jié)果

圖7 各個(gè)頻點(diǎn)不同工況的噪聲級(jí)

4 結(jié) 論

本文基于統(tǒng)計(jì)能量法，利用VA ONE軟件對(duì)船舶與海洋工程典型艙室結(jié)構(gòu)在分體空調(diào)室外機(jī)空氣噪聲作用下的艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)。在保證結(jié)構(gòu)尺寸與載荷大小不變的前提下，改變分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口的朝向，分出風(fēng)口朝向、背向、側(cè)向三種工況，對(duì)出風(fēng)口的朝向?qū)ε撌以肼暤挠绊戇M(jìn)行了定量分析，通過研究發(fā)現(xiàn)：分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口背向密閉艙室較朝向艙室和側(cè)向艙室，艙室噪聲依次出現(xiàn)5.5 dBA和2.1 dBA的降幅。由此可以得出：分體空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)口的朝向?qū)τ谂撌以肼暰哂休^大影響，在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)初期應(yīng)盡量避免出風(fēng)口朝向艙室的情況，以降低相鄰艙室的艙室噪聲。

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