平臺(tái)上層建筑局部振動(dòng)預(yù)防方法研究

馮 琦， 鄭 偉， 趙丕東， 郭培軍

(1. 上海宏華海洋油氣裝備有限公司， 上海 201206； 2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116006)

平臺(tái)上層建筑局部振動(dòng)預(yù)防方法研究

馮 琦1， 鄭 偉1， 趙丕東2， 郭培軍1

(1. 上海宏華海洋油氣裝備有限公司， 上海 201206； 2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116006)

介紹了一種針對(duì)平臺(tái)上層建筑局部振動(dòng)的預(yù)報(bào)方法。以宏華海洋研發(fā)的一型自升式多功能支持平臺(tái)為例，利用有限元法，預(yù)報(bào)其上層建筑局部振動(dòng)。預(yù)報(bào)中除考慮了常規(guī)主機(jī)及推進(jìn)器激振頻率外，還考慮了泥漿泵及大型風(fēng)機(jī)的影響。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)了上層建筑結(jié)構(gòu)多處局部結(jié)構(gòu)固有頻率位于激振區(qū)間內(nèi)。通過結(jié)構(gòu)修改，改良了局部振動(dòng)性能，預(yù)防了共振的產(chǎn)生，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

有限元法 平臺(tái) 上層建筑 局部振動(dòng)預(yù)報(bào) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

平臺(tái)上層建筑(生活樓)區(qū)域是平臺(tái)工作人員主要的工作休息場(chǎng)所。過度的振動(dòng)及噪聲會(huì)使船員感到不適，產(chǎn)生疲勞，甚至影響身體健康。同時(shí)，振動(dòng)會(huì)影響船上設(shè)備、儀表的正常工作，降低使用精度，縮短使用壽命。而且，振動(dòng)會(huì)使高應(yīng)力區(qū)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)疲勞損壞。因此，控制平臺(tái)上層建筑的振動(dòng)具有重要意義。

和船舶類似，平臺(tái)上層建筑的振動(dòng)也分為整體振動(dòng)和局部振動(dòng)，本文關(guān)注局部振動(dòng)。局部振動(dòng)是由各種激振源(如主機(jī)、輔機(jī)、泥漿泵等)激勵(lì)引起的上層建筑局部板、板格、板架等的振動(dòng)。當(dāng)前，平臺(tái)上層建筑設(shè)計(jì)時(shí)一般僅考慮強(qiáng)度要求。有特殊需求時(shí)，會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)公式[1](如CCS[2]、DNV[3]相關(guān)預(yù)報(bào)方法, GL局部振動(dòng)計(jì)算軟件Loc Vibs)對(duì)相關(guān)影響區(qū)域振動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。但該方法計(jì)算公式存在大量簡(jiǎn)化，且計(jì)算僅僅能對(duì)矩形板及板架進(jìn)行計(jì)算，存在較大局限性。一旦實(shí)船測(cè)試中出現(xiàn)振動(dòng)過度的情況，只能被動(dòng)補(bǔ)救，導(dǎo)致大量的返工，增加成本。如某型30 000 t散貨船就出現(xiàn)過上層建筑局部振動(dòng)過大問題[4]。

本文將以我公司設(shè)計(jì)的一型自升式多功能支持平臺(tái)為例，利用有限元法進(jìn)行上層建筑局部振動(dòng)特性預(yù)報(bào)。再參照文獻(xiàn)[2]中船舶及平臺(tái)振動(dòng)控制主要途徑內(nèi)的調(diào)頻方式，修改結(jié)構(gòu)后進(jìn)行二次預(yù)報(bào)，如此循環(huán)直到結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)滿足要求。

2 平臺(tái)上層建筑局部振動(dòng)激勵(lì)源分析

算例平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 算例平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù) 單位：m

局部振動(dòng)的激勵(lì)源種類繁多，主機(jī)、輔機(jī)、泥漿泵、推進(jìn)器及大型風(fēng)機(jī)等設(shè)備是主要激勵(lì)源。通常，波浪由于周期較大，激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于上層建筑局部固有頻率，同時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)上層建筑局部共振也幾乎沒有影響，因此本次計(jì)算中不予考慮。本算例的激勵(lì)源如表2所示。

表2 主要激勵(lì)源

3 平臺(tái)初始局部振動(dòng)預(yù)報(bào)

3.1 局部振動(dòng)預(yù)報(bào)方法

平臺(tái)上層建筑的局部振動(dòng)預(yù)報(bào)一般分兩步走。首先是先進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的固有頻率計(jì)算，如果計(jì)算頻率和激振源頻率相近，再修改結(jié)構(gòu)調(diào)整固有頻率，或者再通過強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算出關(guān)注節(jié)點(diǎn)響應(yīng)速度及加速度。對(duì)比ISO6954-2000(GBT7452-2007)《機(jī)械振動(dòng)客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量報(bào)告和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》要求，對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終完成局部振動(dòng)特性的預(yù)報(bào)。

3.2 計(jì)算的理論依據(jù)

上層建筑的局部振動(dòng)實(shí)際上由多個(gè)振動(dòng)源的振動(dòng)耦合而成，其控制方程為

首先計(jì)算結(jié)構(gòu)本身固有頻率時(shí)，控制方程中C不考慮，該問題即是求[K]{φ}λ=[M]{φ}的特征值問題。有限元計(jì)算的核心是模型剛度和質(zhì)量的正確模擬。其次，進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算，一般而言，主機(jī)、推進(jìn)器等激勵(lì)作用是諧和變化的，可以用模態(tài)疊加法求，對(duì)控制方程中X起主要作用的是振動(dòng)的前N階振型，即

式中：[φ0]為振型矩陣；{x}為時(shí)間函數(shù)列向量；此方程最終可分解為N個(gè)相互獨(dú)立的方程，可以最終求出X。

3.3 模型處理及質(zhì)量分布

通過較為精確的模型可以模擬結(jié)構(gòu)剛度。我們采用MSC.Patran&Nastran對(duì)模型進(jìn)行建模及計(jì)算。由于計(jì)算對(duì)象為整個(gè)上層建筑區(qū)域，考慮上層建筑下端較為真實(shí)合理的約束，因此模型范圍從主甲板下1 000mm至上層建筑頂部。利用shell及beam單元模擬，板單元大小為1/4肋距1/4縱骨間距。在結(jié)構(gòu)精確建模的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整材料密度的方式，實(shí)現(xiàn)模型質(zhì)量及重心與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量及重心一致。對(duì)于非結(jié)構(gòu)的附屬質(zhì)量進(jìn)行如下處理：集中質(zhì)量采用點(diǎn)質(zhì)量模擬，非集中質(zhì)量在投影區(qū)域施加均布載荷。圍壁板不施加附加質(zhì)量。模型下端采用簡(jiǎn)支約束。

整個(gè)上層建筑計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 上層建筑計(jì)算模型

3.4 上層建筑結(jié)構(gòu)頻率預(yù)報(bào)

3.4.1 局部結(jié)構(gòu)頻率預(yù)報(bào)[5，6]

一般來(lái)講，結(jié)構(gòu)在低階頻率下共振會(huì)有較大影響，在高階頻率時(shí)，其振動(dòng)的阻尼較大，一般不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振，故預(yù)報(bào)僅考慮一階固有頻率影響。

應(yīng)用軟件模態(tài)計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，本文分別對(duì)上層建筑羅經(jīng)甲板層、第二層甲板層、第一層甲板層結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)報(bào)。計(jì)算發(fā)現(xiàn)羅經(jīng)甲板層甲板板、縱向右舷距中1 500mm圍壁、第二層甲板層甲板上多處集中載荷位置(應(yīng)急發(fā)電機(jī)安裝位置、駕駛臺(tái)、電池間、醫(yī)療設(shè)備安裝位置等)、距中3 610mm圍壁等結(jié)構(gòu)局部固有頻率都在推進(jìn)器葉頻22.9Hz的共振頻率區(qū)間，具體如表3所示。第一層甲板層所有結(jié)構(gòu)都避開了推進(jìn)器葉頻的共振影響區(qū)。(根據(jù)CCS《船上振動(dòng)指南》要求，對(duì)上層建筑保留10%～15%余量，本文取15%。)

表3 上層建筑局部振動(dòng)預(yù)報(bào)詳情 單位：Hz

3.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

利用有限元法，可以快速有效地預(yù)報(bào)出平臺(tái)上層建筑局部結(jié)構(gòu)固有頻率，針對(duì)各種不規(guī)則形狀板、板格及板架都能得出較為精確的結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原始設(shè)計(jì)中存在較多板架固有頻率位于可能共振的頻率區(qū)間內(nèi)，需要進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，或者修改結(jié)構(gòu)調(diào)整頻率。本文采用第二種方法處理。

4 上層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及局部振動(dòng)預(yù)報(bào)

針對(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)的共振影響結(jié)構(gòu)區(qū)域，采用增大型材規(guī)格以及增加T型材的方法，同時(shí)加強(qiáng)了局部結(jié)構(gòu)形式，并再次通過有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果(見表3)顯示新的固有頻率可以合理避開共振源共振影響頻率。表4中所列幾個(gè)典型位置的結(jié)構(gòu)修改前后的振型圖如圖2～圖6所示。

表4 上層建筑結(jié)構(gòu)修改后局部振動(dòng)預(yù)報(bào)詳情 單位：Hz

圖2 羅經(jīng)甲板層甲板位置1修改前后振型圖

圖3 羅經(jīng)甲板層1 500側(cè)壁位置1修改前后振型圖

圖4 第二層甲板層甲板位置1修改前后振型圖

圖5 第二層甲板層下3 610 S位置1修改前后振型圖

圖6 第二層甲板層下3 610 P位置1修改前后振型圖

5 結(jié)論

(1) 利用有限元方法，可以快速有效地對(duì)平臺(tái)上層建筑(生活樓)局部振動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)報(bào)，相對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，適應(yīng)面更廣，精度更高。

(2) 相對(duì)于傳統(tǒng)船舶類上層建筑的預(yù)報(bào)，本文涉及的激振源種類更多，并考慮了多個(gè)大型風(fēng)機(jī)及泥漿泵的影響。

(3) 模型質(zhì)量模擬，綜合運(yùn)用了密度調(diào)整和質(zhì)量點(diǎn)調(diào)整的方法，但未考慮附屬構(gòu)件(如天花板、甲板敷料等)對(duì)甲板剛度的貢獻(xiàn)作用，僅計(jì)入其質(zhì)量。所有文中計(jì)算出的固有頻率比實(shí)際固有頻率略低，會(huì)有額外的安全余量。

[1] 馬廣宗，蔡承德，虞銑輝.船舶振動(dòng)基礎(chǔ)與使用計(jì)算[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.船上振動(dòng)控制指南[S].2000.

[3] DNV. Prevention of Harmful Vibration in Ships[S]. 1983.

[4] 李衛(wèi)華，許晶.30 000 t散貨船上層建筑有害振動(dòng)的分析及評(píng)估[J].上海造船，2010，4：11-16.

[5] MSC.MSC Nastran 2003 Linear Static Analysis User’s Guide [S]. 2003.

[6] 李兵，尋正來(lái).大連遠(yuǎn)洋教學(xué)實(shí)習(xí)船有限元振動(dòng)分析[J].船舶設(shè)計(jì)通訊，2006,6:33-38.

Studies of the Prevention Method on Local Vibration of Jack-up Superstructure

FENG Qi1, ZHENG Wei1, ZHAO Pi-dong2, GUO Pei-jun1

(1. Shanghai Honghua Offshore Oil & Gas Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206， China;2. Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd., Dalian Liaoning 116006， China)

A prevention method on local vibration of jack-up superstructure is introduced in this paper. Finite Element Method (FEM) is used to predict the superstructure local vibration of a multi-function jack-up platform which is designed by Honghua Offshore. Besides the vibration effect of the main engines and thrusters, mud pumps and high-power fans are also taken into account. The calculation results show the natural frequencies of some local structures are close to that of the vibration sources. In order to avoid the resonance, the local structures are optimized and FEM calculation proves the method in this paper can make the natural frequencies acceptable in the superstructure.

Finite Element Method(FEM) Platform Superstructure Prevention on local vibration Structure optimize

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“自升式多功能服務(wù)平臺(tái)研發(fā)”(課題編號(hào)：BK20130399)。

馮 琦(1978-)，男，工學(xué)博士。

P752

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