300 000 DWT FPSO振动特性分析

黄涣青 石科良 吴猛 朱继欣

摘    要：本文对300 000DWT超深水浮式生产储卸油装置（FPSO）在航行状态下的振动特性进行分析，包括主船体在满载和压载两种工况下的固有频率分析、生活模块及其各层甲板的局部模态分析、生活模块各层甲板在螺旋桨及主机激励下的响应分析，并根据计算结果得出结论。

关键词：FPSO;总振动;固有频率;响应分析

中图分类号：U661.44                              文献标识码：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

生活模块单元作为船员长期生活和工作的场所，振动问题将对船员健康产生不良影响。现代船舶多为尾机型船，螺旋桨和主机等主要振源位于尾部，在振源作用下船尾和生活模块容易产生共振现象。随着MLC 《海事劳工公约》2006和MSC.337 （91）（SOLAS） 《船上噪声等级规则》的正式生效，根据生活模块不同的舒适等级（如ABS HAB、HAB+、HAB++）制定了详细的振动、噪音要求。

振动控制的措施包括设计、建造及实船测量等方面。其中，前期设计是最重要的环节，在设计阶段充分考虑设备选型、舱室布置、减振措施，将有利于避免工期延误与资源浪费，缩短造船周期，降低造船成本。

2     大型船舶航行工况振动特性分析

在生活模块振动问题研究中，首先应考虑选择合适的计算模型。常见的模型有生活模块三维有限元模型，其包含尾部和生活模块区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实反映结构的刚度以及生活模块的边界条件等，是最为合理的模型，但计算工作量相对较大[1]。

计算模型确定后，可进行模态分析确定主船体和生活模块的固有频率，并将主要激励频率（如：主机、螺旋桨等）与之对比，使其错开一定范围，避免发生共振。否则需要进行响应分析的计算，并将计算结果与规范衡准[2][3][4]相比较，检验其是否满足振动要求，否则需要进行结构优化。

3     實例分析

以某300 000 DWT FPSO为例，进行航行状态振动特性分析。该FPSO主尺度如表1所示。

3.1   全船有限元模型

振动分析建立了包含甲板室、烟囱、尾楼甲板及首楼甲板的FPSO三维全船有限元模型。为了能够准确模拟甲板室及机舱区域响应分析，将此区域模型的网格尺寸设置为1个肋骨间距。

采用MSC. Patran进行建模：主船体各类板采用二维3、4节点壳单元模拟;其它纵骨、加强筋等用2节点梁单元模拟;点质量单元用于模拟模块载荷、货物载荷及设备载荷，并通过调节密度等使有限元质量模型与实际工况相符。

全船结构模型，如图1所示;满载及压载有限元质量模型，见表2。

3.2   全船自由振动计算

当船体振动时，水对船体的反作用力等效于增加了船体的质量，这种作用被称为附连水质量。由于船体振动时附连水质量和船体质量是同一个量级，因此该质量在振动分析时需要考虑。

虚拟质量法为通过在振动固有模态计算方程里考虑附加质量矩阵来模拟附连水质量对振动的影响，本计算通过在MSC.Nastran中添加“mfluid”卡片实现。

满载和压载工况前五阶固有频率，如表3所列;图2和图3分别为满载和压载工况对应的模态形状。

3. 3  各层甲板局部振动模态分析

将生活模块和机舱模型从全船模态中提出，单独分析自由振动：表4列出了生活模块和机舱纵向和横向振动的频率和模态;图4列出了生活模块1阶纵向模态。

要增加上建的固有频率，可以增加其连接刚度，将主横舱壁和上建的前端壁对齐，生活模块各层的后端壁也应尽量对齐，否则应适当加强。

3. 4  各层甲板局部振动模态分析

为了避免敏感区域受到激振力引起共振，对生活模块各层甲板平台进行了局部振动模态分析。

子模型从全船有限元模型中提出，并施加适当的边界条件来预报各层甲板的固有频率。

由于各层甲板的固有频率与螺旋桨激励频率相近，其结构在设计时应在一定范围内避免叶片次和2倍叶片次的激励，即干扰频率等于桨轴转速n乘以桨叶数z或桨叶数倍数高倍叶片次干扰力（见表5）。主机额定转速为70.1 r/min，本计算频率储备取15%[5]，当计算频率超出频率储备范围，则认为不会发生共振。

表5 螺旋桨激励频率及频率储备范围

计算结果显示，各层甲板固有频率均在频率储备之外，但还是比较接近。为了更准确作出振动预报，对各层甲板进行响应分析计算验证。

3.5   响应分析计算

主要分析FPSO生活模块在满载和压载工况下，由螺旋桨引发的表面力、轴承力及主机不平衡力矩引起的H型和X型振动的响应。并将分析结果和ABS《居住处所振动噪声控制》[4]进行对比，检查各层甲板是否满足标准要求。

3.5.1 基本参数及计算方法

响应分析主要评估FPSO在稳态振动下生活模块各层甲板的响应分析。本船主机和尾轴转速范围为56.08 r/min～74 r/min，额定转速为70.1 r/min。计算螺旋桨的叶片次和2倍叶片次激励，以及由主机运转时产生的2次和4次垂向不平衡力矩、4次缸频H型倾覆力矩以及X型倾覆力矩激励。

计算需计及附连水质量的影响，根据ABS《振动计算指南》[6]的推荐值，本计算采取在整个计算频率范围内临界阻尼比取1.5%的常量。

3.5.2  螺旋桨激励

螺旋桨回转时，作用于螺旋桨附近船体表面上的变动水压力，称之为脉动压力。采用 Holden 方法[6]计算螺旋桨脉动压力，将计算结果通过PCL程序将压力场施加于船体尾封板向首部延伸三倍螺旋桨直径的湿表面处。表6为螺旋桨脉动压力最大值，图5为满载工况螺旋桨叶片次脉动压力加载示意图。

作用于桨叶上的变动流体力所引起的激振力通过轴系和轴承传给船体，具体数值见表7;满载工况叶片次轴承力加载示意图，见图6。

3.5.3  主机激励

主机激励是引起船舶振动主要激励源之一。建立简化的主机模型，并将各种主机激振力作用于机体，引起主机发生振动并经过机架传递到船体上，引起船体振动。主机的激励力矩大小，与其发火次序、简谐次数、功率和转速有关。其振动的激励频率，是主机转速乘以简谐次数。

主机主要激振力如表8所示，主机2次垂向力矩加载图，如图7所示。

3.5.4  计算工况

根据FPSO的实际运营情况，主要计算6个工况，其中满载工况3个、压载工况3个，如表9所列。

A～F分别表示：A——螺旋桨叶片次推力及扭矩;B——螺旋桨2倍叶片次推力及扭矩;C——主机2次垂向力矩;D——主机4次垂向力矩;E——主机4次X型倾覆力矩;F——主机缸频H型倾覆力矩。

3.5.5 评估区域及计算衡准

對每层甲板的关键房间和居住舱室进行评估。

ABS《居住处所振动噪声控制》反映人对振动敏感度的最新研究成果，适用于有关的振动评价衡准。振动量级系指1 Hz～80 Hz频率范围内的频率加权振动加速度或速度的均方根[7]。船上不同区域居住性衡准，见表10。

3.5.6  计算结果汇总

根据ABS《居住处所振动噪声控制》对计算结果进行分析，可以得出生活模块的响应分析满足ABS关于HAB+适居性标志的要求。总加权值见表11，图8和图9分别为满载工况下评估位置节点加速度响应值（y轴）和压载工况下评估位置节点加速度响应值（z轴）：

4     结语

对300 000 DWTFPSO自由振动特性、局部振动特性以及在螺旋桨和主机激振力作用下的响应分析计算表明：本FPSO在航行状态下的响应分析结果满足ABS适居性指南对于HAB+的振动评价基准。因此可以认为，该FPSO生活模块在航行状态下的振动性能良好。

在设计上建和甲板室时，应综合考虑舱室布置对振动的影响;对于重点区域，应远离振源或采取减振措施;各层甲板及上建整体的固有频率应尽量错开主机和螺旋桨的激励频率，避免共振。

参考文献

[1] 金咸定，夏利娟. 船体振动学[M].上海：上海交通大学出版社，2011.

[2] 中国船级社. 船上振动控制指南[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] ISO.Mechanical vibration-Guidelines for the measurement，reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships[S].ISO 6954： 2000（E）.Switzerland： ISO，2000-12-15.

[4] American Bureau of Shipping， NOISE AND VIBRATION CONTROL FOR INHABITED SPACES [M]， July，2014.

[5] DNV， PREVENTION OF HARMFUL VIBRATION IN SHIPS [M]， July， 1983

[6] American Bureau of Shipping， GUIDANCE NOTES ON SHIP VIBRATION [M]， February， 2016.

[7] Biot M，Lorenzo F D.Noise and vibration on board cruise ships： are new standards effective[A].2nd International Conference on Marine Research and Transportation[C]/ / ICMRT'07 Ischia （ Naples），Italy，2007，28-30 ： 93-100