固定式導管架平臺結構的振動分析方法研究

張延輝（海洋石油工程股份有限公司，上海 200335）

施工管理

固定式導管架平臺結構的振動分析方法研究

張延輝（海洋石油工程股份有限公司，上海 200335）

為提高海上固定式導管架組塊上工作人員居住和工作環(huán)境，在組塊結構設計或改造階段，基于結構振動分析原理，分析過程中尋求一種高效的載荷施加方法可以有效的減少分析時間，也更接近組塊的實際受力狀態(tài)。通過結構的動力學分析，對結構進行預判，進而提出改進的措施。

固定式導管架；振動分析；有限元方法；瞬態(tài)響應分析

隨著國際上對船員及海上工作人員工作環(huán)境要求的提高，對船員工作環(huán)境和居住環(huán)境提出了更高的要求。這就對船舶和海上工作平臺設計人員提出了更高的要求，特別是位于船舶機艙上部的上層居住區(qū)域和海上工作平臺的居住區(qū)域以及振動設備所在區(qū)域，在船舶和海上工作平臺的詳細設計階段，利用有限元軟件對結構進行振動分析是很有必要的。

1 理論基礎及常見的動力分析方法

結構模態(tài)分析：模態(tài)分析是由來確定結構物振動特性的一種技術，主要求出結構物的固有頻率、固有振型及振型參數(shù)。模態(tài)分析實際上就是計算結構振型特征方程的特征值和特征向量。

典型的自由的、無阻尼振動的運動方程為：

諧響應分析用于確定結構物在承受隨時間按照間諧規(guī)律變化的載荷時，結構物的穩(wěn)態(tài)響應，在進行諧響應分析時，不考慮激振開始時的瞬態(tài)振動，只考慮結構物的穩(wěn)態(tài)受迫振動。

瑞麗阻尼認為整體阻尼矩陣是由質量矩陣和剛度矩陣按比例組合構造而成的，即

式中：α和β為阻尼系數(shù)，一般情況下不能直接得出，由振型阻尼比 ξ和固有振動頻率得出。工程實際中，一般由結構的前兩節(jié)固有振動頻率和阻尼比得出：

在實際的工程分析中，瑞麗阻尼理論已能夠解決大部分的工程分析。

譜分析是將結構物模態(tài)分析的結果與已知的譜聯(lián)系起來來計算模型的位移和應力的工程分析技術。

除常用的抽簽法，還有一種簡單隨機抽樣方法，稱為隨機數(shù)法，教師按照教材的做法告訴學生怎么做就可以了，基本上是一種機械化操作方法．客觀地說，抽簽法或許有一定的實用價值，但隨機數(shù)法的實際應用價值有待檢驗，現(xiàn)實中誰會真的對著一張隨機數(shù)表去抽樣？不過作為抽樣方法之一，讓學生有所了解未嘗不可．

2 載荷分類及載荷的施加

動載荷按其隨時間的變化規(guī)律可以分為周期性載荷、沖擊載荷和隨機載荷等。

周期性載荷：其特點是在多次循環(huán)中載荷相繼呈現(xiàn)相同的時間歷程，如旋轉機械裝置因質量不平衡而引起的離心力。海洋石油平臺上的壓縮機振動和船舶上用的主機振動都屬于這類載荷；

式中：

上式表示單自由度系統(tǒng)對間諧振動荷載 F0sin( )ωt的位移響應函數(shù)。式中有三部分的組成，前兩部分稱為振動的過渡階段，只是在振動最初的一段時間起作用。最后一項為以激振力頻率ω的簡諧振動，這部分振動不衰竭，稱為穩(wěn)態(tài)振動。從上式可以看出，前一項的值與初始條件有關，與設備的激振力沒有關系，稱為零輸入響應，后面的兩項組合稱之為零初始響應。

沖擊載荷的載荷大小在極短的時間內有較大的變化。沖擊波或爆炸是沖擊載荷的典型來源。隨機載荷在其時間歷程內不能用確定的時間函數(shù)而只能用統(tǒng)計信息描述。由大氣湍流引起的作用在飛行器上的氣動載荷和由地震波引起的作用在結構物上的載荷均屬此類。對于隨機載荷，需要根據大量的統(tǒng)計資料制定出相應的載荷時間歷程（載荷譜）。

本次計算中的振動源來源是空氣壓縮機，屬于周期性振動，施加的振動荷載如下：

式中：Fn：施加振動載荷的幅值；f：振動載荷的振動周期；t：時間。

3 振動的要求

對于振動核準的要求，或者說人類能承受多大的振動一直是研究的主題，一班來講，振動對操作者會造成心理上煩惱，或者對結構、機械或設備產生不利影響，進而造成設備的損壞。

關于振動的評估，國際標準化組織（ISO）ISO6954-2000機械振動的測量報告和評價指南中關于可居住商船有以下的要求：頻率在1Hz到80Hz之間，對于工作區(qū)域舒適度的要求為：加速度不高于286mm∕s2，速度不高于8 mm∕s。

表中，對人類在不同區(qū)域所能承受的速度、加速度和位移有了指導性的要求，該數(shù)值也被廣泛應用于不同結構物振動分析要求。

DNV船級社對振動的衡準為：對評估區(qū)域的速度不大于45mm∕s（頻率在4到200Hz）。

4 分析方法

分析采用最新有限元軟件ANSYS進行結構物的瞬態(tài)動力學分析，主要采用beam188、PIPE288、SHELL181單元對結構物進行建模，MASS21單元施加集中質量，對于模型中沒有建立的生活樓模塊、火炬臂模塊以及其他沒有模擬的模塊，單獨計算各自的重量和重心位置，采用剛性單元的形式施加集中質量。

阻尼系數(shù)對振動響應水平有重要影響。通常選擇阻尼系數(shù)范圍0.05至0.01。根據一些其他研究人員的論文和項目，參照已完成其他類似分析項目，在這種分析中，阻尼系數(shù)為0.02。在這樣的計算分析中，這鐘系數(shù)的選取方法是可行的。

5 計算分析

本次計算選取一座正處于服役狀態(tài)的海上固定平臺，由于生產需要此次改造設計中，在上甲板西北角新增3臺振動設備。通過振動分析，來探討此類海上固定平臺進行振動分析的方式方法，并對工作人員所在休息區(qū)和工作區(qū)的振動情況做出預判和針對計算結果提出有效的改進措施。

目標平臺上甲板面積約8300m2，平臺所處水深約189m，導管架采用8樁腿結構形式，該平臺屬于特大型導管架平臺，上部模塊重達4萬多噸，平臺上振動設備就有上百臺，本文將重點研究這些振動設備對平臺結構的影響，特別是大型振動設備引起的振動影響。

在結構振動計算時，必須全面了解結構的動態(tài)特性。通常結構的動態(tài)特性包括：模態(tài)頻率，模態(tài)振型，模態(tài)阻尼。通過對結構的模態(tài)分析，可以得到結構的動態(tài)參數(shù)，從而評價結構動態(tài)特性是否滿足規(guī)范要求。

振動荷載主要來自此次新增加的三臺壓縮機，單臺壓縮機操作重約130噸，由三個支撐件與組塊結構相連，并傳遞相應的振動載荷，振動載荷由設備廠家進行相應的分析，并提供與組塊結構連接處的響應荷載。

利用大型有限元軟件ANSYS建立平臺結構的全結構模型，分別采用beam188、PIPE288、SHELL181單元模擬平臺結構的工字型梁、管件構件、甲板板。平臺構件的重量以及靜荷載利用MASS21單元施加于附近的節(jié)點上，應保證施加后的載荷總和重控表數(shù)據一致，來保證計算模型與實際結構的統(tǒng)一。計算模型如下：

本次計算中，利用SACS模型導出索要計算工況的所有載荷類型，利用自編程序將其轉換成節(jié)點荷載，并將這些節(jié)點坐標與ANSYS模型節(jié)點的一一匹配，進而施加在ANSYS模型對應的節(jié)點上，保證施加后的載荷總和SACS模型數(shù)據基本一致。觀察計算得出的前50階模態(tài)和頻率，這些頻率值并沒有在激振頻率區(qū)域。

在工程分析中，結構的前幾階低階固有頻率及振型具有實際意義，一般情況下，前兩階為平臺單方向的平動振型，第三階開始為水平方向的扭轉振動。計算所得的前幾階模態(tài)結果為：1.0683,1.2289,1.2981,2.2167,2.3551。

圖1 一階模態(tài)（HZ=1.0683）

本次計算中提取出振動設備附近的節(jié)點速度、加速度和位移，同時兼顧到平臺其他工作區(qū)域的，通過對這些節(jié)點的速度、加速度和位移的評估，得知：最大速度的節(jié)點出現(xiàn)在上甲板振動設備附近的節(jié)點上，結果如下：

表一部分計算結果匯總

F Min：-4．30261e-002 Max：4．35207e-002 Min：-3．39846 Max：3．46941 Min：-142．633 Max：141．679 OK

6 結語

通過有限元軟件ANSYS導管架平臺的上部組塊三維模型，添加與設計重控報告相一致的載荷，對平臺結構進行了模態(tài)分析，從而得到上部組塊的整體結構固有頻率和固有振型。從模態(tài)振型圖中可以看出，上部組塊前三階振型符合預期，由此可以得知上部組塊結構設計合理，整體剛度及質量分布較為均衡。

振動分析所施加的振動荷載來自設備廠家的設備振動分析數(shù)據，振動設備的激勵源屬于高頻激勵，振動分析結果顯示，各個平臺甲板節(jié)點的最大速度和加速度都明顯小于規(guī)范要求的值，人體也不會感到不適。

振動分析考慮振動設備同時振動對結構物的影響，并沒有考慮各個設備振動的不同步對結構物的影響。

[1]ISO6954,Mechanical vibration--Guidelines for the mea?surement，reporting and evaluation of vibration with regard to habit?ability on passenger and merchant ships,2000.