300 000 DWT FPSO振動(dòng)特性分析

黃渙青 石科良 吳猛 朱繼欣

摘? ? 要：本文對(duì)300 000DWT超深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）在航行狀態(tài)下的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，包括主船體在滿載和壓載兩種工況下的固有頻率分析、生活模塊及其各層甲板的局部模態(tài)分析、生活模塊各層甲板在螺旋槳及主機(jī)激勵(lì)下的響應(yīng)分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：FPSO;總振動(dòng);固有頻率;響應(yīng)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.44 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper analyzes the vibration characteristics of the 300 000 DWT ultra-deep water floating production oil storage and unloading unit （FPSO） under the navigation condition， including the analysis of the natural frequency of the main hull under both full load and ballast conditions， the local modal analysis of the accommodation module and its various decks， the vibratory response analysis of each deck of the accommodation module under the propeller and the main engine excitation， and draws the conclusion based on the calculation results.

Key words： FPSO;? Global vibration;? Natural frequency;? Response analysis

1? ? ?引言

生活模塊單元作為船員長(zhǎng)期生活和工作的場(chǎng)所，振動(dòng)問(wèn)題將對(duì)船員健康產(chǎn)生不良影響。現(xiàn)代船舶多為尾機(jī)型船，螺旋槳和主機(jī)等主要振源位于尾部，在振源作用下船尾和生活模塊容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。隨著MLC 《海事勞工公約》2006和MSC.337 （91）（SOLAS） 《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的正式生效，根據(jù)生活模塊不同的舒適等級(jí)（如ABS HAB、HAB+、HAB++）制定了詳細(xì)的振動(dòng)、噪音要求。

振動(dòng)控制的措施包括設(shè)計(jì)、建造及實(shí)船測(cè)量等方面。其中，前期設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段充分考慮設(shè)備選型、艙室布置、減振措施，將有利于避免工期延誤與資源浪費(fèi)，縮短造船周期，降低造船成本。

2? ? ?大型船舶航行工況振動(dòng)特性分析

在生活模塊振動(dòng)問(wèn)題研究中，首先應(yīng)考慮選擇合適的計(jì)算模型。常見(jiàn)的模型有生活模塊三維有限元模型，其包含尾部和生活模塊區(qū)域的有限元模型以及全船有限元模型等。相比之下，全船有限元模型可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的剛度以及生活模塊的邊界條件等，是最為合理的模型，但計(jì)算工作量相對(duì)較大[1]。

計(jì)算模型確定后，可進(jìn)行模態(tài)分析確定主船體和生活模塊的固有頻率，并將主要激勵(lì)頻率（如：主機(jī)、螺旋槳等）與之對(duì)比，使其錯(cuò)開(kāi)一定范圍，避免發(fā)生共振。否則需要進(jìn)行響應(yīng)分析的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范衡準(zhǔn)[2][3][4]相比較，檢驗(yàn)其是否滿足振動(dòng)要求，否則需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3? ? ?實(shí)例分析

以某300 000 DWT FPSO為例，進(jìn)行航行狀態(tài)振動(dòng)特性分析。該FPSO主尺度如表1所示。

3.1? ?全船有限元模型

振動(dòng)分析建立了包含甲板室、煙囪、尾樓甲板及首樓甲板的FPSO三維全船有限元模型。為了能夠準(zhǔn)確模擬甲板室及機(jī)艙區(qū)域響應(yīng)分析，將此區(qū)域模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1個(gè)肋骨間距。

采用MSC. Patran進(jìn)行建模：主船體各類(lèi)板采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬;其它縱骨、加強(qiáng)筋等用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M;點(diǎn)質(zhì)量單元用于模擬模塊載荷、貨物載荷及設(shè)備載荷，并通過(guò)調(diào)節(jié)密度等使有限元質(zhì)量模型與實(shí)際工況相符。

全船結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示;滿載及壓載有限元質(zhì)量模型，見(jiàn)表2。

3.2? ?全船自由振動(dòng)計(jì)算

當(dāng)船體振動(dòng)時(shí)，水對(duì)船體的反作用力等效于增加了船體的質(zhì)量，這種作用被稱(chēng)為附連水質(zhì)量。由于船體振動(dòng)時(shí)附連水質(zhì)量和船體質(zhì)量是同一個(gè)量級(jí)，因此該質(zhì)量在振動(dòng)分析時(shí)需要考慮。

虛擬質(zhì)量法為通過(guò)在振動(dòng)固有模態(tài)計(jì)算方程里考慮附加質(zhì)量矩陣來(lái)模擬附連水質(zhì)量對(duì)振動(dòng)的影響，本計(jì)算通過(guò)在MSC.Nastran中添加“mfluid”卡片實(shí)現(xiàn)。

滿載和壓載工況前五階固有頻率，如表3所列;圖2和圖3分別為滿載和壓載工況對(duì)應(yīng)的模態(tài)形狀。

3. 3? 各層甲板局部振動(dòng)模態(tài)分析

將生活模塊和機(jī)艙模型從全船模態(tài)中提出，單獨(dú)分析自由振動(dòng)：表4列出了生活模塊和機(jī)艙縱向和橫向振動(dòng)的頻率和模態(tài);圖4列出了生活模塊1階縱向模態(tài)。

要增加上建的固有頻率，可以增加其連接剛度，將主橫艙壁和上建的前端壁對(duì)齊，生活模塊各層的后端壁也應(yīng)盡量對(duì)齊，否則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

3. 4? 各層甲板局部振動(dòng)模態(tài)分析

為了避免敏感區(qū)域受到激振力引起共振，對(duì)生活模塊各層甲板平臺(tái)進(jìn)行了局部振動(dòng)模態(tài)分析。

子模型從全船有限元模型中提出，并施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來(lái)預(yù)報(bào)各層甲板的固有頻率。

由于各層甲板的固有頻率與螺旋槳激勵(lì)頻率相近，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在一定范圍內(nèi)避免葉片次和2倍葉片次的激勵(lì)，即干擾頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速n乘以槳葉數(shù)z或槳葉數(shù)倍數(shù)高倍葉片次干擾力（見(jiàn)表5）。主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為70.1 r/min，本計(jì)算頻率儲(chǔ)備取15%[5]，當(dāng)計(jì)算頻率超出頻率儲(chǔ)備范圍，則認(rèn)為不會(huì)發(fā)生共振。

表5 螺旋槳激勵(lì)頻率及頻率儲(chǔ)備范圍

計(jì)算結(jié)果顯示，各層甲板固有頻率均在頻率儲(chǔ)備之外，但還是比較接近。為了更準(zhǔn)確作出振動(dòng)預(yù)報(bào)，對(duì)各層甲板進(jìn)行響應(yīng)分析計(jì)算驗(yàn)證。

3.5? ?響應(yīng)分析計(jì)算

主要分析FPSO生活模塊在滿載和壓載工況下，由螺旋槳引發(fā)的表面力、軸承力及主機(jī)不平衡力矩引起的H型和X型振動(dòng)的響應(yīng)。并將分析結(jié)果和ABS《居住處所振動(dòng)噪聲控制》[4]進(jìn)行對(duì)比，檢查各層甲板是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5.1 基本參數(shù)及計(jì)算方法

響應(yīng)分析主要評(píng)估FPSO在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下生活模塊各層甲板的響應(yīng)分析。本船主機(jī)和尾軸轉(zhuǎn)速范圍為56.08 r/min～74 r/min，額定轉(zhuǎn)速為70.1 r/min。計(jì)算螺旋槳的葉片次和2倍葉片次激勵(lì)，以及由主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的2次和4次垂向不平衡力矩、4次缸頻H型傾覆力矩以及X型傾覆力矩激勵(lì)。

計(jì)算需計(jì)及附連水質(zhì)量的影響，根據(jù)ABS《振動(dòng)計(jì)算指南》[6]的推薦值，本計(jì)算采取在整個(gè)計(jì)算頻率范圍內(nèi)臨界阻尼比取1.5%的常量。

3.5.2? 螺旋槳激勵(lì)

螺旋槳回轉(zhuǎn)時(shí)，作用于螺旋槳附近船體表面上的變動(dòng)水壓力，稱(chēng)之為脈動(dòng)壓力。采用 Holden 方法[6]計(jì)算螺旋槳脈動(dòng)壓力，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)PCL程序?qū)毫?chǎng)施加于船體尾封板向首部延伸三倍螺旋槳直徑的濕表面處。表6為螺旋槳脈動(dòng)壓力最大值，圖5為滿載工況螺旋槳葉片次脈動(dòng)壓力加載示意圖。

作用于槳葉上的變動(dòng)流體力所引起的激振力通過(guò)軸系和軸承傳給船體，具體數(shù)值見(jiàn)表7;滿載工況葉片次軸承力加載示意圖，見(jiàn)圖6。

3.5.3? 主機(jī)激勵(lì)

主機(jī)激勵(lì)是引起船舶振動(dòng)主要激勵(lì)源之一。建立簡(jiǎn)化的主機(jī)模型，并將各種主機(jī)激振力作用于機(jī)體，引起主機(jī)發(fā)生振動(dòng)并經(jīng)過(guò)機(jī)架傳遞到船體上，引起船體振動(dòng)。主機(jī)的激勵(lì)力矩大小，與其發(fā)火次序、簡(jiǎn)諧次數(shù)、功率和轉(zhuǎn)速有關(guān)。其振動(dòng)的激勵(lì)頻率，是主機(jī)轉(zhuǎn)速乘以簡(jiǎn)諧次數(shù)。

主機(jī)主要激振力如表8所示，主機(jī)2次垂向力矩加載圖，如圖7所示。

3.5.4? 計(jì)算工況

根據(jù)FPSO的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，主要計(jì)算6個(gè)工況，其中滿載工況3個(gè)、壓載工況3個(gè)，如表9所列。

A～F分別表示：A——螺旋槳葉片次推力及扭矩;B——螺旋槳2倍葉片次推力及扭矩;C——主機(jī)2次垂向力矩;D——主機(jī)4次垂向力矩;E——主機(jī)4次X型傾覆力矩;F——主機(jī)缸頻H型傾覆力矩。

3.5.5 評(píng)估區(qū)域及計(jì)算衡準(zhǔn)

對(duì)每層甲板的關(guān)鍵房間和居住艙室進(jìn)行評(píng)估。

ABS《居住處所振動(dòng)噪聲控制》反映人對(duì)振動(dòng)敏感度的最新研究成果，適用于有關(guān)的振動(dòng)評(píng)價(jià)衡準(zhǔn)。振動(dòng)量級(jí)系指1 Hz～80 Hz頻率范圍內(nèi)的頻率加權(quán)振動(dòng)加速度或速度的均方根[7]。船上不同區(qū)域居住性衡準(zhǔn)，見(jiàn)表10。

3.5.6? 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)ABS《居住處所振動(dòng)噪聲控制》對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出生活模塊的響應(yīng)分析滿足ABS關(guān)于HAB+適居性標(biāo)志的要求?？偧訖?quán)值見(jiàn)表11，圖8和圖9分別為滿載工況下評(píng)估位置節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)值（y軸）和壓載工況下評(píng)估位置節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)值（z軸）：

4? ? ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)300 000 DWTFPSO自由振動(dòng)特性、局部振動(dòng)特性以及在螺旋槳和主機(jī)激振力作用下的響應(yīng)分析計(jì)算表明：本FPSO在航行狀態(tài)下的響應(yīng)分析結(jié)果滿足ABS適居性指南對(duì)于HAB+的振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。因此可以認(rèn)為，該FPSO生活模塊在航行狀態(tài)下的振動(dòng)性能良好。

在設(shè)計(jì)上建和甲板室時(shí)，應(yīng)綜合考慮艙室布置對(duì)振動(dòng)的影響;對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)遠(yuǎn)離振源或采取減振措施;各層甲板及上建整體的固有頻率應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)主機(jī)和螺旋槳的激勵(lì)頻率，避免共振。

參考文獻(xiàn)

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