自升式鉆井平臺(tái)強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析

王慶來(lái)，孫玉海，王 娜，王 波

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司 研發(fā)設(shè)計(jì)中心，山東 煙臺(tái)264000)

鉆井平臺(tái)是一種復(fù)雜的彈性結(jié)構(gòu)，在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中總會(huì)受到主機(jī)、泥漿泵等激勵(lì)的作用。這些激勵(lì)的作用將引起船舶發(fā)生不同程度的振動(dòng)甚至有害振動(dòng)，過(guò)大的振動(dòng)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，影響工作人員的工作效率和身體健康，還會(huì)影響設(shè)備和儀表的正常使用。因此，在船舶設(shè)計(jì)階段需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)烈度情況，并及時(shí)采取相應(yīng)的減振措施，確保局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文涉及的自升式鉆井平臺(tái)振動(dòng)的主要激勵(lì)源為主機(jī)和泥漿泵。在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中有升樁、定位、鉆井、拖航等工況，本文主要對(duì)其常用的鉆井工況進(jìn)行分析。自升式鉆井平臺(tái)在鉆井時(shí)處于站立狀態(tài)，平臺(tái)主船體通過(guò)鎖緊裝置與樁腿連接，平臺(tái)主船體承受的環(huán)境載荷和重量載荷通過(guò)鎖緊裝置傳遞到樁腿上，樁腿下的樁靴插入海床之中一定深度以提供支撐。本文基于三維有限元方法，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析。

1 仿真計(jì)算模型

1.1 有限元模型

有限元模型品質(zhì)是決定振動(dòng)計(jì)算準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵因素，根據(jù)計(jì)算要求的不同，對(duì)模型品質(zhì)的要求也是有很大差異的［1］。本文有限元模型在ABAQUS軟件中建立，主船體板(如甲板、艙壁、肋板、外板等)采用3節(jié)點(diǎn)或4節(jié)點(diǎn)板單元模擬;型材以及加強(qiáng)筋采用帶有彎曲要素的梁?jiǎn)卧M?？紤]到懸臂梁可以在主船體上滑移而并非與主船體固定連接，懸臂梁滑移后其重心位置會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)根據(jù)本文的研究目的，沒(méi)有建立懸臂梁的三維有限元模型，分析中采用耦合質(zhì)量點(diǎn)單元代替。相關(guān)研究表明，樁腿與主船體的相對(duì)位置即升船高度主要影響到平臺(tái)的橫向振動(dòng)［2］，并且在正常作業(yè)狀態(tài)下其橫向自振頻率較小，通常小于1 Hz，所以沒(méi)有建出3個(gè)樁腿的有限元模型。

有限元模型盡量采用較均勻的網(wǎng)格形式，這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。本文網(wǎng)格按照縱向肋骨間距劃分，以盡可能反映所有細(xì)節(jié)，并根據(jù)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化。建立的有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)三維有限元模型

1.2 模型重量分布

振動(dòng)響應(yīng)分析不僅要考慮結(jié)構(gòu)剛度，還要考慮船舶重量，兩者對(duì)于振動(dòng)計(jì)算結(jié)果的影響是并重的。研究表明貨物和壓載的分布狀況對(duì)船體總振動(dòng)固有頻率的計(jì)算有相當(dāng)大的影響。如果貨物或壓載靠近船體總振動(dòng)振型的節(jié)點(diǎn)處，則該階相應(yīng)的固有頻率升高;若其靠近振型的波腹處，則該階相應(yīng)的固有頻率下降［3］。

為了讓模型的重量分布盡可能與設(shè)計(jì)相吻合，嚴(yán)格按照平臺(tái)重量、重心報(bào)告進(jìn)行重量調(diào)整。首先通過(guò)施加結(jié)構(gòu)質(zhì)量點(diǎn)模擬主機(jī)、泥漿泵等大質(zhì)量設(shè)備。對(duì)于甲板敷料、舾裝件、輪機(jī)件等非結(jié)構(gòu)重量，通過(guò)調(diào)整該區(qū)域密度分布的方法使之重量和實(shí)船基本一致;也可以采用重量平鋪的方法來(lái)模擬非結(jié)構(gòu)重量，將非結(jié)構(gòu)重量平鋪在該區(qū)域的強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。具體采用哪種方法可以靈活運(yùn)用，基本原則是一要盡可能模擬重量的空間分布(重心分布);二是避免大質(zhì)量區(qū)域集中，以免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)重量突變?cè)斐山Y(jié)果失真，因?yàn)榧词箍傊亓亢椭匦谋３植蛔?，重量分布不同還是對(duì)船體固有頻率有較大的影響。本文采用重量平鋪方法，并調(diào)整模型重心位置使之與實(shí)船的重心位置一致。

1.3 邊界條件及主要激勵(lì)載荷

平臺(tái)主船體通過(guò)升降裝置與樁腿連接，升降裝置的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船體其他部件的剛度，其變形也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它部件，所以將升降裝置定義為剛體部件，升降裝置與主船體進(jìn)行Tie連接。在升降裝置的重心處定義剛體部件參考點(diǎn)，在其剛體參考點(diǎn)處施加固支約束模擬樁腿與主船體的連接。

準(zhǔn)確的載荷施加對(duì)于振動(dòng)計(jì)算結(jié)果起決定性作用。自升式鉆井平臺(tái)在鉆井工況時(shí)主要激勵(lì)力為主機(jī)和泥漿泵，其他激勵(lì)與之相比較小，可以忽略不計(jì)。主機(jī)和泥漿泵激勵(lì)參考類似項(xiàng)目的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，如在主機(jī)基座上測(cè)得振動(dòng)速度，以參考速度5×10-8m/s換算成速度級(jí)，得出主機(jī)的振動(dòng)速度譜見(jiàn)表1。泥漿泵的激勵(lì)力輸入類似于主機(jī)，不再單獨(dú)列出。由于測(cè)試所得的激振數(shù)據(jù)多為速度、加速度形式，可通過(guò)設(shè)備的質(zhì)量求出等效的慣性力作為輸入激勵(lì)載荷。本次分析激振力輸入設(shè)定為力的頻率譜。

表1 主機(jī)基座振動(dòng)速度譜(參考速度5×10-8 m/s)

1.4 阻尼

海洋平臺(tái)阻尼可視為黏性阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼和摩擦阻尼的合成。其中占主導(dǎo)因素的結(jié)構(gòu)阻尼機(jī)制至今還不清楚，難以量化;黏性阻尼可以通過(guò)水動(dòng)力分析得到;摩擦阻尼在動(dòng)力學(xué)分析中一般不考慮［4］。自升式鉆井平臺(tái)在作業(yè)工況下，船體脫離水面，所以主要考慮結(jié)構(gòu)阻尼。

因?yàn)樽枘嶂的壳斑€不可能數(shù)值化計(jì)算，所以一般都采用經(jīng)驗(yàn)所得的臨界阻尼值來(lái)代替，真實(shí)的臨界阻尼值是隨著頻率的升高而增大的。ABS船級(jí)社推薦的恒定臨界阻尼值為1.5%［5］，在比較分析了幾家船級(jí)社的推薦值后，并根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文采用的恒定阻尼值為3%。

2 仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)振動(dòng)響應(yīng)速度和加速度評(píng)價(jià)采用海洋結(jié)構(gòu)物國(guó)際通用振動(dòng)規(guī)范ISO6954(2000)。規(guī)范ISO6954對(duì)1～80 Hz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，主要是由于人體各種組織的共振頻率集中在1～80 Hz，人體對(duì)于該頻率范圍的環(huán)境振動(dòng)的反應(yīng)特別敏感。規(guī)范還引入了基于頻率的加權(quán)系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上求所有頻率下權(quán)重值的均方根值來(lái)評(píng)價(jià)船體振動(dòng)，加權(quán)曲線見(jiàn)圖2，不同區(qū)域振動(dòng)限值見(jiàn)表2［6］。

振動(dòng)響應(yīng)關(guān)心的頻率范圍為1～80 Hz，因海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以提取該頻段范圍內(nèi)的所有特征模態(tài)，不宜采用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解，所以采用直接穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行全船振動(dòng)響應(yīng)求解，該方法比模態(tài)分析法有更高的精度。限于篇幅，僅給出幾個(gè)艙室的速度響應(yīng)圖，見(jiàn)圖3、4。

圖2 ISO6954加速度及速度加權(quán)曲線

通過(guò)平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可以得出:①在Z方向的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)大于其他兩個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)，所以在考慮減振降噪時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注如何降低Z方向的結(jié)構(gòu)振動(dòng);②海洋鉆井平臺(tái)具有典型低頻振動(dòng)特性，頻率響應(yīng)結(jié)果在低頻附近相對(duì)較大;③提取節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度值進(jìn)行全頻率加權(quán)計(jì)算，得到1～80Hz全頻率計(jì)權(quán)速度均方根值，與ISO-6954規(guī)范值進(jìn)行比較，結(jié)果表明該平臺(tái)振動(dòng)情況良好，所關(guān)心區(qū)域均能夠滿足規(guī)范要求。

表2 由1～80 Hz全頻率計(jì)權(quán)均方根值給出的船舶不同區(qū)域適居性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

圖3 餐廳測(cè)點(diǎn)17763

圖4 升降控制室測(cè)點(diǎn)1658

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

為了驗(yàn)證振動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性及評(píng)價(jià)船舶的適居性，在模擬鉆井工況下進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)量時(shí)在每個(gè)位置進(jìn)行3個(gè)方向測(cè)量，并且持續(xù)測(cè)量時(shí)間至少是1min，在優(yōu)勢(shì)頻率低于2Hz時(shí)，測(cè)量時(shí)間至少持續(xù)2 min。對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)計(jì)算，得到實(shí)測(cè)計(jì)權(quán)振動(dòng)速度有效值，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 典型艙室節(jié)點(diǎn)計(jì)權(quán)振動(dòng)速度有效值 mm/s

對(duì)比結(jié)果顯示存在一定誤差，原因可能有以下幾方面:①在建立有限元模型時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化;②在調(diào)節(jié)模型重量分布時(shí)，采用質(zhì)量平鋪的方法，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)有所差別;③主船體和樁腿之間的連接機(jī)制很復(fù)雜，實(shí)際邊界條件處在簡(jiǎn)支和固支之間，難以準(zhǔn)確地模擬;④大多數(shù)艙室的計(jì)算結(jié)果大于測(cè)試結(jié)果，是因?yàn)樵诜抡嬗?jì)算時(shí)沒(méi)有考慮甲板敷料、浮動(dòng)地板、舾裝件等一些類似阻尼材料的影響。但總體來(lái)說(shuō)，計(jì)算結(jié)果基本符合工程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于早期的振動(dòng)預(yù)測(cè)及控制具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］殷玉梅.船舶振動(dòng)建模方法研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［2］姜 偉.自升式鉆井平臺(tái)橫向振動(dòng)特性研究［J］.中國(guó)海上油氣，2007，19(4):272-276.

［3］王顯正.船舶總振動(dòng)特性研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［4］張新偉，陸利平，吳小康.400 000 DWT礦砂船的全船和局部振動(dòng)研究［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2011(S1):25-33.

［5］夏侯命勝.深水半潛式鉆井平臺(tái)振動(dòng)及噪聲分析研究［D］.北京:中國(guó)艦船研究院，2011.

［6］國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織.ISO 6954 Mechanical Vibration-Guidelines for the measurements，and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.2000.