基于顆粒阻尼技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)減振試驗研究

夏兆旺，盧志偉，鞠福瑜，王宗耀，曹 銳，王 瀅，劉義生

（1.江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，南京211170；3.江蘇南極機械有限公司，江蘇泰興225400；4.蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇蘇州215000）

0 引 言

在海洋工程領(lǐng)域，近年來隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對油氣資源的需求越來越大，近海石油天然氣資源的開發(fā)變得越來越重要。海洋平臺作為海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地，其安全性至關(guān)重要。海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)不可避免地會受到風、海浪、洋流、甚至冰地震荷載的聯(lián)合作用[1-2]。長期處于這樣惡劣的外在環(huán)境會導(dǎo)致海洋平臺桁架在使用過程中發(fā)生明顯持續(xù)的振動，從而加劇平臺的疲勞破壞，降低系統(tǒng)的可靠度，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[3-5]。海洋平臺的振動控制技術(shù)已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注，目前常采用的粘彈性阻尼減振技術(shù)[6-7]，具有很好的減振效果。但由于減振裝置長期暴露在鹽霧和高強度的紫外線輻射下，粘彈性阻尼材料容易老化、失效，其使用年限有限[8-9]，因此，需要一種適應(yīng)這種惡劣環(huán)境的有效減振技術(shù)。

顆粒阻尼技術(shù)是在振動結(jié)構(gòu)的適當部位填充顆粒材料，通過顆粒之間的碰撞和摩擦消耗振動結(jié)構(gòu)的能量，達到減振的目的[10-12]，顆粒阻尼具有耐高溫、抗老化、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[13-14]。目前已在航空、機械工程和汽車等領(lǐng)域取得應(yīng)用[15-16]。

本文以填充顆粒阻尼的海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過大量的試驗數(shù)據(jù)研究基于顆粒阻尼技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動特性，分析顆粒阻尼主要參數(shù)對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)減振效果的影響規(guī)律，為顆粒阻尼技術(shù)在海洋平臺中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 海洋平臺桁架顆粒阻尼試驗測試系統(tǒng)

海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)顆粒阻尼減振系統(tǒng)試驗裝置如圖1 所示，桁架結(jié)構(gòu)中橫向桿架均開孔以填充顆粒進行試驗測試，加速度響應(yīng)分別測試A、B 和C 點，激勵點的影響為電機基座D 點。原模型為高度90 m的海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)，由于全尺寸模型試驗對試驗設(shè)備和場地要求過高，采取縮比試驗?zāi)Ｐ?。將原模型按?∶100的比例縮小后，根據(jù)縮比相似原理并經(jīng)過Ansys workbench 仿真模擬進行應(yīng)變對比。結(jié)果表明，模型的比例縮小前后應(yīng)變比接近1，對剛度影響不大。于是本文試驗對象采用的海洋平臺桁架模型主要尺寸為：桁架高度900 mm，桁架主柱材料選用直徑為32 mm，厚度為3 mm 的304型不銹鋼管；桁架的橫向桿架結(jié)構(gòu)選用直徑為22 mm，厚度為2 mm 的304 型不銹鋼管；平臺結(jié)構(gòu)選用厚度為3 mm 的碳鋼材料。通過在平臺桁架結(jié)構(gòu)底層安裝電機激勵，電機為90SZ55 型微型直流伺服電動機，電機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，為增加激勵，在電機上安裝偏心質(zhì)量塊。加速度傳感器用于測試電機基座底腳位置及各測點的加速度，測試分析系統(tǒng)采用北京東方振動噪聲研究所的DASP采集系統(tǒng)。

本文主要研究顆粒阻尼器的顆粒參數(shù)（顆粒填充率、顆粒直徑和顆粒密度）對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)減振特性的影響規(guī)律。試驗中顆粒填充率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%；填充的顆粒直徑分別為0.1 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm 和3mm 鋼球；不同顆粒材料的密度分別為：鋁合金顆粒2 600 kg/m3、鋼球顆粒7 800 kg/m3、鉛球顆粒11 300 kg/m3和碳化鎢顆粒14 800 kg/m3。

顆粒阻尼對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)振動性能的影響如圖2 所示。從圖2 可以看出：填充顆粒阻尼后，從電機傳遞到平臺上的振動衰減明顯，說明顆粒阻尼有較好的減振效果。下面將詳細分析顆粒阻尼各主要參數(shù)對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)振動特性的影響規(guī)律。

圖1 帶顆粒阻尼器的桁架結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)Fig. Experiment testing system

圖2 顆粒阻尼對桁架結(jié)構(gòu)振動性能的影響Fig.2 Particle damping effect on the vibration of the ocean platform

2 主要參數(shù)對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)振動性能的影響

2.1 顆粒直徑對減振效果的影響規(guī)律

填充顆粒材料為鋼球，顆粒填充率為70%，海洋平臺結(jié)構(gòu)振動傳遞率隨顆粒直徑的變化規(guī)律如圖3-4 所示（為了圖形清晰，圖3 只列出其中4 種顆粒直徑的頻域響應(yīng)曲線，下同）。從圖3 可以看出：隨著顆粒直徑的增加，桁架結(jié)構(gòu)的振動傳遞率逐漸降低，系統(tǒng)的減振效果變好；在250～400 Hz 范圍內(nèi)，顆粒直徑對振動傳遞率的影響明顯，這主要是因為較高激勵頻率使得顆粒振動更加劇烈，直徑越大的顆粒能量越大，在相互碰撞和摩擦過程中消耗的能量越多，系統(tǒng)的減振效果越好。從圖4 可以看出，起始階段顆粒直徑的變化對系統(tǒng)傳遞率的影響明顯，當顆粒直徑達到1 mm 時，顆粒直徑的增加對系統(tǒng)振動傳遞率的影響很小。

圖4 顆粒直徑對不同測點振動傳遞率的影響Fig.4 Influence of particle diameter on the vibration transmissibility at different measuring points

2.2 填充率對減振效果的影響規(guī)律

填充顆粒為鋼球顆粒，顆粒直徑為0.1 mm，海洋平臺結(jié)構(gòu)振動傳遞率隨顆粒填充率的變化規(guī)律如圖5-6 所示。從圖中可以看出：隨著填充率的增加，系統(tǒng)的減振效果先變好后變差，當填充率達到80%左右時，系統(tǒng)的減振效果最好，平均振動傳遞率比無顆粒阻尼器時最大降低了18.2 dB；當填充率達到100%時，系統(tǒng)的減振效果大大降低，主要是因為孔腔中顆粒的運動受限制，沒有碰撞耗能，只通過顆粒之間的摩擦消耗部分能量，所以100%填充率時系統(tǒng)的平均振動傳遞率仍然比無顆粒時系統(tǒng)的平均傳遞率降低了1.2 dB。顆粒填充率是決定顆粒阻尼減振效果的重要因素，是決定顆粒阻尼減振裝置減振效果的主要參數(shù)。

圖5 顆粒填充率對振動傳遞率的影響Fig.5 Vibration transmissibility of the ocean platform versus filling ratios

圖6 顆粒填充率對不同測點振動傳遞率的影響Fig.6 Influence of filling ratios on the vibration transmissibility at different measuring points

2.3 顆粒密度對減振效果的影響規(guī)律

顆粒填充率為70%，顆粒直徑為0.1 mm，海洋平臺結(jié)構(gòu)振動傳遞率隨填充顆粒密度的變化規(guī)律如圖7-8 所示。從圖中可以看出：在整個頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的振動傳遞率都隨顆粒密度的增加而降低，密度越大系統(tǒng)的減振效果越好；密度從鋁合金顆粒到鋼球顆粒（2.2×103～7.8×103kg/m3）時，系統(tǒng)減振效果變化明顯，當密度達到一定程度時顆粒密度的變化對系統(tǒng)減振效果影響不大；填充密度較大的碳化鎢顆粒時，A 測點、B 測點和C 測點的振動傳遞率比填充鋁合金時的振動傳遞率分別降低了15.4 dB、11.5 dB 和10.1 dB。說明在選擇填充顆粒時應(yīng)盡可能選擇密度較大的金屬顆粒，以提高系統(tǒng)的減振效果。

圖7 顆粒密度對振動傳遞率的影響Fig.7 Vibration transmissibility of the ocean platform versus particle density

圖8 顆粒密度對不同測點振動傳遞率的影響Fig.8 Influence of particle density on the vibration transmissibility at different measuring points

3 結(jié) 論

本文試驗研究了海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)顆粒阻尼的減振特性，分析了顆粒阻尼主要參數(shù)對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)減振性能的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）顆粒阻尼對海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)具有明顯的減振效果，相比無顆粒阻尼結(jié)構(gòu)的振動，其振動傳遞率最高降幅為18.2 dB；

（2）填充顆粒密度越大，系統(tǒng)的減振效果越好，填充密度較大的碳化鎢顆粒比填充鋼球顆粒的振動傳遞率降低了5.6 dB，填充密度較大的顆粒，各測點的振動均有不同程度的降低；

（3）填充顆粒直徑的變化對海洋桁架結(jié)構(gòu)的振動影響相對較低，填充直徑為1 mm、2 mm、3 mm 顆粒的桁架結(jié)構(gòu)的平均振動傳遞率分別比填充直徑為0.1 mm 顆粒的桁架結(jié)構(gòu)降低了2.4 dB、3.2 dB 和3.6 dB；

（4）隨著填充率的增加，海洋平臺桁架結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)先降低后增加，在顆粒填充率為80%左右時，系統(tǒng)的減振效果最好，填充率為100%時顆粒阻尼仍然有一定的減振效果。