導管架結(jié)構(gòu)縮尺試驗模型研制及模態(tài)試驗

楊 蕾 ，林 紅，姜 昆

（1. 中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有動力特性（如固有頻率、阻尼因子和振型）進行識別的關(guān)鍵方式。對于海洋油氣開采的導管架平臺結(jié)構(gòu)而言，為保證其在長期服役過程中的安全運行，進行相應的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及動力特性描述至關(guān)重要。然而，考慮到大型導管架結(jié)構(gòu)的復雜性和龐大性特點，在進行模態(tài)分析及動力特性描述時，直接對原型結(jié)構(gòu)開展試驗是十分困難的，而縮尺模型試驗相對于原型結(jié)構(gòu)試驗可大大減少試驗規(guī)模、降低試驗難度，是一種更為經(jīng)濟可行的試驗方式。為此，針對縮尺結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試問題，結(jié)合大學生創(chuàng)新實驗，在理工科學生中開展縮尺試驗模型的模態(tài)試驗，能夠幫助理工科同學理解結(jié)構(gòu)的動力特征，培養(yǎng)學生的科學實驗能力。

目前，縮尺模型試驗在橋梁等土木工程領域中取得了較好的進展[1-2]，在海洋導管架結(jié)構(gòu)方面的研究不多[3-4]，且目前研究大多關(guān)注結(jié)構(gòu)的靜力相似，而對于結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗及動力相似性鮮有涉及。因此，為了提高導管架結(jié)構(gòu)靜、動力特性科學研究實驗基礎，并為導管架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析提供良好的大學生創(chuàng)新實驗平臺，本文提出導管架結(jié)構(gòu)縮尺試驗模型的設計制作思路，研制了縮尺試驗模型的模態(tài)試驗裝置，并開展模態(tài)試驗，驗證了縮尺模型的有效性?；谒⒌目s尺結(jié)構(gòu)模態(tài)實驗裝置，能夠有效開展理工科大學生相關(guān)的創(chuàng)新實驗教學，實現(xiàn)工程問題與大學生創(chuàng)新實驗項目的有機結(jié)合，對培養(yǎng)學生科學實驗和工程創(chuàng)新能力起到積極作用。

1 導管架結(jié)構(gòu)縮尺試驗模型的設計制作

1.1 海洋導管架平臺原型結(jié)構(gòu)

為有效引導理工科大學生接觸和了解實際工程問題，在此以渤海埕島CB302 真實海洋平臺作為原型結(jié)構(gòu)，該平臺高29.5 m，重270.763 t，主體為4 樁腿、5 層導管架結(jié)構(gòu)，每層均設有橫撐，且底部兩層另設有K 型支撐。

1.2 導管架縮尺試驗模型的設計及制作

為培養(yǎng)理工科大學生科學試驗的嚴謹態(tài)度，縮尺試驗模型的設計與制作過程，嚴格遵循相似準則。首先，為保證試驗模型的縮尺比例一致性，縮尺試驗模型的尺寸設計與平臺原型需滿足幾何尺寸相似性。此外，為保證結(jié)構(gòu)的材料、荷載、靜力和動力特性的一致性，縮尺試驗模型的設計還應滿足物理屬性的相似性。

首先，需要對縮尺試驗模型的制作材料進行選取，通過對比分析常用材料的性能和優(yōu)缺點，并根據(jù)縮尺試驗模型的物理相似性要求，最終選定常用的 Q235鋼材作為縮尺模型的制作材料?？紤]幾何尺寸的相似性準則以及試驗條件的限制，對縮尺試驗模型的尺寸進行設計，選定尺寸比Rl=1∶25，由R1計算可得縮尺模型高度為0.98 m，圖1 為縮尺平臺設計圖。

圖1 CB302 縮尺模型設計圖（單位：mm）

此外，縮尺試驗模型的設計，要與原型結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)剛度的相似性，故此根據(jù)剛度相似性準則，縮尺試驗模型的彈性模量及剛度比值分別選定為RE=1∶1，Rk=RE(R1)2=1∶625，由RE和Rk計算可得縮尺試驗模型構(gòu)件的設計值，見表1。

同時，還需對縮尺試驗模型進行重量設計，選取重量比值Rn=Rρ(R1)3=1∶15 625。原型結(jié)構(gòu)實際重量270.763 t，根據(jù)重量比Rn計算可得模型結(jié)構(gòu)標準重量應為17.28 kg，實際制作的模型重量為17.3 kg，滿足重量比要求，縮尺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

表1 導管架縮尺試驗模型構(gòu)件設計值 （單位：mm）

圖2 基于原型結(jié)構(gòu)的縮尺結(jié)構(gòu)（單位：m）

2 導管架縮尺試驗模型的模態(tài)試驗裝置及試驗過程

2.1 縮尺試驗模型的模態(tài)試驗裝置

節(jié) 1.2 中縮尺試驗模型的設計制作過程充分考慮了幾何尺寸、模型重量及結(jié)構(gòu)剛度等物性參數(shù)相似性要求。在此基礎上，為有效驗證縮尺試驗模型動態(tài)響應特征的相似性要求，針對所設計制作的縮尺試驗模型開展相應的模態(tài)實驗，并對模態(tài)試驗的全過程進行信號數(shù)據(jù)的采集和處理，得到縮尺試驗模型的模態(tài)參數(shù)。圖3 為縮尺試驗模型、模態(tài)實驗設備、數(shù)據(jù)采集裝置及實驗設計原理的示意圖。

圖3 模態(tài)試驗流程與原理圖

縮尺模型模態(tài)試驗裝置所涉及的設備包括：力錘（具備力傳感器）1 把、加速度傳感器 5 個、電荷增大器（2 通道）1 臺和錘擊測試信號采集儀（16 通道）1 臺，各設備參數(shù)如下：

（1）CA-YD-107 型加速度傳感器——橫向靈敏度比小于5%，可測頻率0～5 000 Hz，可測最大加速度8 000 m/s2。

圖4 應變片

（2）電阻應變片——靈敏性 2.06～2.12，如圖 4所示。

（3）LC 系列力錘——可測最大沖擊力2 000 N，如圖5 所示。

（4）數(shù)據(jù)采集與處理設備——電荷增大器為2 通道接口，錘擊測試信號采集儀為16 通道USB 接口，如圖6(b)所示。

圖5 力錘

圖6 試驗裝置圖

2.2 模態(tài)試驗過程

縮尺試驗模型的模態(tài)試驗步驟如下：

步驟1 選取加速度響應最大的、頂板兩對角點作為測量點，并將加速度傳感器固定在這2 個測量點，見圖6(a)。

步驟2 借助力錘作為激振器[5]，敲擊縮尺模型結(jié)構(gòu)以施加沖擊力。

步驟3 具體而言，分別在敲擊點的X水平方向和Y垂直方向敲擊[6]，并采集獲取模態(tài)信息的時域信號數(shù)據(jù)。

步驟4 按步驟3 的操作方式，保持每次敲擊力大致相等進行多次敲擊，并在每次敲擊后，保存和記錄穩(wěn)定后的信號數(shù)據(jù)，然后進行下一次敲擊。

3 縮尺模態(tài)試驗結(jié)果與分析

3.1 模態(tài)試驗數(shù)據(jù)的降噪處理與模態(tài)分析

3.1.1 信號降噪處理

試驗獲取的原始信號數(shù)據(jù)難免存在各種設備或采集噪聲，通常都需要對原始采樣數(shù)據(jù)進行降噪處理。目前，典型的信號降噪方法包括2 種：移動平均處理方法和趨勢項消除方法[6]。信號數(shù)據(jù)的移動平均降噪方法，主要用于消除信號噪聲；趨勢項消除方法主要用于消除環(huán)境干擾噪聲。

對于縮尺試驗模型的模態(tài)試驗信號數(shù)據(jù)而言，信號噪聲的影響相比于環(huán)境噪聲更為顯著。因此，采用移動平均法對獲取的采樣信號數(shù)據(jù)進行降噪處理。圖7(a)和圖7(b)分別給出了移動平均法降噪處理前和降噪處理后的信號數(shù)據(jù)對比圖。

3.1.2 模態(tài)分析

信號數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪預處理后，進而采用時間序列法對降噪后的信號數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析[7]，結(jié)果如圖 8所示。

提取獲得水平方向（X向）和垂直方向（Y向）激勵的1—6 階自然頻率[8]，見表2。

3.2 結(jié)果對比與驗證

圖7 去噪前后信號數(shù)據(jù)對比圖

圖8 模態(tài)分析結(jié)果

表2 自然頻率結(jié)果 單位：Hz

在對縮尺模型進行模態(tài)試驗和模態(tài)分析的基礎上，為有效驗證縮尺模型的模態(tài)試驗結(jié)果與結(jié)論[9-12]，進一步借助 ANSYS 有限元軟件平臺，建立縮尺試驗模型所對應的有限元模型，對導管架縮尺試驗模型的動力特性進行有限元分析，獲得有限元分析的 1—6階頻率數(shù)據(jù)。通過對比模態(tài)試驗的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)縮尺試驗模型的模態(tài)試驗結(jié)果與 ANSYS 有限元分析所得的模態(tài)結(jié)果的平均誤差在17%左右，進一步驗證了縮尺模型模態(tài)試驗結(jié)果的有效性和準確性。

4 結(jié)語

本文以海洋導管架平臺結(jié)構(gòu)為設計原型，嚴格遵循幾何相似、剛度相似和質(zhì)量相似準則，設計并制作了1∶25 的縮尺試驗模型。為有效驗證縮尺試驗模型的動力學特征相似性，開展了縮尺試驗模型的模態(tài)實驗，并采集獲取其模態(tài)信號，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。研究結(jié)果表明：該縮尺試驗模型可以較為準確地反映實際導管架平臺結(jié)構(gòu)的靜、動力特性，可為實際平臺的安全分析提供一個高可信度的實驗室測試平臺。

同時，將導管架縮尺試驗模型的模態(tài)實驗平臺應用于大學生創(chuàng)新實驗項目，促進了創(chuàng)新實驗項目與科研試驗的共同進步。依托此實驗平臺，理工科大學生能夠開展縮尺模型的靜力試驗、模態(tài)試驗、振動信號采集與處理、模態(tài)參數(shù)辨識等任務，可使學生直觀地認識原型結(jié)構(gòu)與縮尺結(jié)構(gòu)間的相似現(xiàn)象，并通過科學實驗深刻理解結(jié)構(gòu)固有頻率的概念，實現(xiàn)工程問題與大學生創(chuàng)新實驗項目的有機結(jié)合，對培養(yǎng)學生科學實驗能力和工程創(chuàng)新能力起到積極作用。