海洋平臺振動噪聲分析

摘" 要：該文介紹振動噪聲分析的內(nèi)容，并以某海洋平臺為例，對平臺主機基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和平臺艙室噪聲分析。分析結(jié)果表明，主機基座結(jié)構(gòu)的固有頻率完全超出主機的頻率范圍，主機基礎(chǔ)能夠避免與主機發(fā)生共振，且平臺艙室噪聲均能夠滿足規(guī)范要求。此外文中還給出減振降噪設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：海洋;振動;模態(tài)分析;艙室噪聲;頻率

中圖分類號：U661.44" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0046-04

Abstract： This paper introduces the content of vibration and noise analysis， and takes an offshore platform as an example to carry out modal analysis and platform cabin noise analysis of the main engine base structure of the platform. The analysis results show that the natural frequency of the mainframe base structure is completely beyond the frequency range of the mainframe， the mainframe foundation can avoid resonance with the mainframe， and the noise of the platform cabin can meet the requirements of the specification. The design scheme of vibration and noise reduction is also given in this foreign language.

Keywords： ocean; vibration; modal analysis; cabin noise; frequency

目前海洋平臺及船舶的振動噪聲問題得到了很大的關(guān)注，船舶的振動噪聲過大對船員健康、設(shè)備和結(jié)構(gòu)性能都會造成一定的危害和破壞，因此設(shè)計人員需要在海洋平臺及船舶在設(shè)計階段對可能發(fā)生的振動噪聲現(xiàn)象嚴(yán)重程度作出評估，以便采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計措施，使實際海洋平臺和船舶振動噪聲降至國際標(biāo)準(zhǔn)限度以內(nèi)，同時可降低后期的減振降噪改造成本，可以看出船舶振動噪聲分析在項目的整個設(shè)計過程都發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

一般情況海洋平臺的振動噪聲分析工作主要包括總體振動分析、局部結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、艙室噪聲分析和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲分析。海洋平臺振動噪聲測試工作主要有局部結(jié)構(gòu)振動測試、局部結(jié)構(gòu)噪聲測試。下面以某海洋平臺為例進(jìn)行主機基座結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及艙室噪聲分析。

1" 海洋平臺局部結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

以某海洋平臺主機基座結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行模態(tài)分析。為避免不良振動，所計算的主機基座結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)至少比主機的激勵頻率高20%或低20%。考慮振動控制方面，最好將主機基座的固有頻率提高到激振頻率以上。分析結(jié)果表明，主機基座結(jié)構(gòu)的固有頻率完全超出了主機的頻率范圍。該平臺主機的主要參數(shù)見表1。

為了進(jìn)行主機基座的振動分析，需要建立一個詳細(xì)的有限元模型。局部結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，其模型要比整體模型小很多，但要求其結(jié)構(gòu)建立的應(yīng)比較詳細(xì)。

主機基座有限元模型包括基座和基座附近的結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖紙，該船舶有6臺主機，需要對6臺主機基座進(jìn)行分析，但6臺主機基座結(jié)構(gòu)相似，因此計算中選擇了2臺具有代表的主機基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模型如圖1所示。

有限元模型使用的坐標(biāo)系如下。

X軸：縱向指向前方;

Y軸：橫向指向左舷;

Z軸：垂直向上。

在進(jìn)行模態(tài)分析時需要設(shè)定材料屬性。分析中所用鋼板的參數(shù)如下。

楊氏模量：2.10×105 N/mm2;

密度：7 850×10-9 kg/mm3;

泊松比：0.3;

剪切模量：7.5×1010 Pa。

材料屬性設(shè)置之后還需進(jìn)行邊界條件的設(shè)定。根據(jù)實際情況，船體中大多數(shù)板的邊界條件介于簡支和固定之間，大多數(shù)板更傾向于簡支。本文中主機基座的有限元模型邊界條件設(shè)定為簡支。

在有限元模型中，主機基礎(chǔ)網(wǎng)格采用4節(jié)點殼單元，并且適當(dāng)考慮了單元的尺寸，使分析結(jié)果具有滿意的精度。基座結(jié)構(gòu)的邊界條件模型如圖2所示。

在分析中我們只對計算出的固有頻率與相關(guān)激振頻率接近的部分進(jìn)行分析。

由于假設(shè)和邊界條件的近似、材料參數(shù)的不確定性等原因，有限元模型與物理模型之間存在不可避免的偏差。有限元模型只有在可靠性得到驗證的情況下才能用于結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的預(yù)測。為了得到更好的結(jié)果，我們會對有限元模型進(jìn)行修正。但目前還沒有模態(tài)模型來驗證有限元分析結(jié)果。所以，偏差是不可避免的。本文的計算結(jié)果可以作為參考。

計算結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)至少比激勵頻率低20%或高20%，頻率范圍考慮了邊界條件和結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量分布的不確定性。主機靠近主機基座結(jié)構(gòu)，因此計算中考慮了主機的激振力。

主機的激勵頻率和相應(yīng)的頻率限制見表2。

在下面的云圖中（圖3—圖5），詳細(xì)列出了模態(tài)分析的結(jié)果。

各階頻率見表3。

2" 海洋平臺艙室噪聲分析

海洋平臺總體噪聲分析應(yīng)用統(tǒng)計能量法進(jìn)行計算，其流程是根據(jù)所需的輸入輸出文件進(jìn)行模型的導(dǎo)入、建立子系統(tǒng)、連接子系統(tǒng)、舾裝系統(tǒng)模擬、聲源載荷輸入、求解及結(jié)果分析、噪聲評定規(guī)范和噪聲控制。

以某海洋平臺為例進(jìn)行艙室噪聲分析。首先在VAONE軟件中建立SEA模型（圖6）。

聲腔是SEA模型中用于預(yù)測聲壓級的體積建模子系統(tǒng)，在VAONE軟件中建立空腔子模型系統(tǒng)（圖7）。

選用舾裝的隔聲量是由專業(yè)檢測機構(gòu)提供的，具體的數(shù)值見表4。

噪聲源包括空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。空氣噪聲的數(shù)值主要考慮了主機、泥漿泵、空氣處理機。結(jié)構(gòu)聲主要考慮了主機、螺旋槳和泥漿泵。通過計算，得出噪聲的計算結(jié)果圖如圖8所示。

當(dāng)考慮某些區(qū)域?qū)θ寺犃Φ谋Ｗo(hù)情況，工作12 h的人員噪聲暴露限值為83 dB（A）。此外，在任何情況下，最大允許噪聲水平為130 dB（C）——峰值。這一限制也適用于封閉的“通常無人區(qū)域”。根據(jù)表5提供了一個人每天在不同噪音水平的地方逗留而不戴聽力保護(hù)裝置的最長時間的指導(dǎo)。

3" 減振降噪設(shè)計方案

3.1" 艙室布置

艙室布置的基本原則是居住艙室和工作場所等應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。按聲學(xué)特性布置聲源和艙室，在條件許可的條件下盡可能把高噪聲源集中布置便于采取隔離措施。按照區(qū)域分離原則改變傳統(tǒng)平臺艙室布置方案。

3.2" 噪聲源

減少激振力的振幅、減少系統(tǒng)各部件對激振力的響應(yīng)、改變設(shè)備的操作程序。可以采取的措施有在設(shè)備選用階段盡量挑選低噪聲的設(shè)備，還可根據(jù)振動、噪聲限值要求進(jìn)行隔振安裝。

3.3" 消聲器安裝

安裝消聲器可以降低通風(fēng)設(shè)備及管路系統(tǒng)引起的噪聲。風(fēng)機的進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離生活區(qū)和娛樂處所的地方，當(dāng)布置無法避免產(chǎn)生噪音影響時，對于通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音，可優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口的格柵尺寸，保持低的空氣流速，最有效的方法在于安裝設(shè)計合理的消音器。

3.4" 高隔聲構(gòu)件選用

在生活區(qū)采用高隔聲材料和浮動地板。圖9為高隔聲雙層壁板。

4" 結(jié)論

通過對某海洋平臺主機基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析以及對平臺艙室進(jìn)行噪聲分析可以看出，主機基座結(jié)構(gòu)的固有頻率在主機的頻率范圍之外，主機基座結(jié)構(gòu)可以避免與主機發(fā)生共振。平臺艙室的噪聲都能滿足規(guī)范要求。此外還給出了一些減振降噪的設(shè)計方案。

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基金項目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（GJJ2204822）

第一作者簡介：郭明慧（1989-），女，碩士，講師。研究方向為船舶結(jié)構(gòu)有限元分析、振動噪聲分析。