自升式鉆井平臺強迫振動響應分析

王慶來，孫玉海，王 娜，王 波

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司 研發設計中心，山東 煙臺264000)

鉆井平臺是一種復雜的彈性結構，在營運過程中總會受到主機、泥漿泵等激勵的作用。這些激勵的作用將引起船舶發生不同程度的振動甚至有害振動，過大的振動可導致結構產生疲勞破壞，影響工作人員的工作效率和身體健康，還會影響設備和儀表的正常使用。因此，在船舶設計階段需要準確預測出結構振動烈度情況，并及時采取相應的減振措施，確保局部結構振動滿足相關規范要求。本文涉及的自升式鉆井平臺振動的主要激勵源為主機和泥漿泵。在營運過程中有升樁、定位、鉆井、拖航等工況，本文主要對其常用的鉆井工況進行分析。自升式鉆井平臺在鉆井時處于站立狀態，平臺主船體通過鎖緊裝置與樁腿連接，平臺主船體承受的環境載荷和重量載荷通過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，對自升式鉆井平臺進行振動響應分析。

1 仿真計算模型

1.1 有限元模型

有限元模型品質是決定振動計算準確與否的關鍵因素，根據計算要求的不同，對模型品質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節點或4節點板單元模擬;型材以及加強筋采用帶有彎曲要素的梁單元模擬。考慮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發生變化，同時根據本文的研究目的，沒有建立懸臂梁的三維有限元模型，分析中采用耦合質量點單元代替。相關研究表明，樁腿與主船體的相對位置即升船高度主要影響到平臺的橫向振動［2］，并且在正常作業狀態下其橫向自振頻率較小，通常小于1 Hz，所以沒有建出3個樁腿的有限元模型。

有限元模型盡量采用較均勻的網格形式，這是因為固有頻率和振型主要取決于結構質量分布和剛度分布，不存在類似應力集中的現象，采用均勻網格可使結構剛度矩陣和質量矩陣的元素不致相差太大，可減小數值計算誤差。本文網格按照縱向肋骨間距劃分，以盡可能反映所有細節，并根據網格對計算結果的影響對局部結構進行適當網格細化。建立的有限元模型見圖1。

圖1 自升式鉆井平臺三維有限元模型

1.2 模型重量分布

振動響應分析不僅要考慮結構剛度，還要考慮船舶重量，兩者對于振動計算結果的影響是并重的。研究表明貨物和壓載的分布狀況對船體總振動固有頻率的計算有相當大的影響。如果貨物或壓載靠近船體總振動振型的節點處，則該階相應的固有頻率升高;若其靠近振型的波腹處，則該階相應的固有頻率下降［3］。

為了讓模型的重量分布盡可能與設計相吻合，嚴格按照平臺重量、重心報告進行重量調整。首先通過施加結構質量點模擬主機、泥漿泵等大質量設備。對于甲板敷料、舾裝件、輪機件等非結構重量，通過調整該區域密度分布的方法使之重量和實船基本一致;也可以采用重量平鋪的方法來模擬非結構重量，將非結構重量平鋪在該區域的強結構上。具體采用哪種方法可以靈活運用，基本原則是一要盡可能模擬重量的空間分布(重心分布);二是避免大質量區域集中，以免計算時出現重量突變造成結果失真，因為即使總重量和重心保持不變，重量分布不同還是對船體固有頻率有較大的影響。本文采用重量平鋪方法，并調整模型重心位置使之與實船的重心位置一致。

1.3 邊界條件及主要激勵載荷

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

準確的載荷施加對于振動計算結果起決定性作用。自升式鉆井平臺在鉆井工況時主要激勵力為主機和泥漿泵，其他激勵與之相比較小，可以忽略不計。主機和泥漿泵激勵參考類似項目的相關測試數據，如在主機基座上測得振動速度，以參考速度5×10-8m/s換算成速度級，得出主機的振動速度譜見表1。泥漿泵的激勵力輸入類似于主機，不再單獨列出。由于測試所得的激振數據多為速度、加速度形式，可通過設備的質量求出等效的慣性力作為輸入激勵載荷。本次分析激振力輸入設定為力的頻率譜。

表1 主機基座振動速度譜(參考速度5×10-8 m/s)

1.4 阻尼

海洋平臺阻尼可視為黏性阻尼、結構阻尼和摩擦阻尼的合成。其中占主導因素的結構阻尼機制至今還不清楚，難以量化;黏性阻尼可以通過水動力分析得到;摩擦阻尼在動力學分析中一般不考慮［4］。自升式鉆井平臺在作業工況下，船體脫離水面，所以主要考慮結構阻尼。

因為阻尼值目前還不可能數值化計算，所以一般都采用經驗所得的臨界阻尼值來代替，真實的臨界阻尼值是隨著頻率的升高而增大的。ABS船級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社的推薦值后，并根據以往的項目經驗，本文采用的恒定阻尼值為3%。

2 仿真計算結果

對振動響應速度和加速度評價采用海洋結構物國際通用振動規范ISO6954(2000)。規范ISO6954對1～80 Hz頻率范圍內的振動進行評估，主要是由于人體各種組織的共振頻率集中在1～80 Hz，人體對于該頻率范圍的環境振動的反應特別敏感。規范還引入了基于頻率的加權系數，并在此基礎上求所有頻率下權重值的均方根值來評價船體振動，加權曲線見圖2，不同區域振動限值見表2［6］。

振動響應關心的頻率范圍為1～80 Hz，因海洋平臺結構復雜難以提取該頻段范圍內的所有特征模態，不宜采用模態疊加法進行求解，所以采用直接穩態動力學法進行全船振動響應求解，該方法比模態分析法有更高的精度。限于篇幅，僅給出幾個艙室的速度響應圖，見圖3、4。

圖2 ISO6954加速度及速度加權曲線

通過平臺振動響應計算結果可以得出:①在Z方向的結構振動響應大于其他兩個方向的振動響應，所以在考慮減振降噪時，重點關注如何降低Z方向的結構振動;②海洋鉆井平臺具有典型低頻振動特性，頻率響應結果在低頻附近相對較大;③提取節點振動速度值進行全頻率加權計算，得到1～80Hz全頻率計權速度均方根值，與ISO-6954規范值進行比較，結果表明該平臺振動情況良好，所關心區域均能夠滿足規范要求。

表2 由1～80 Hz全頻率計權均方根值給出的船舶不同區域適居性評價準則

圖3 餐廳測點17763

圖4 升降控制室測點1658

3 試驗測試結果及結論

為了驗證振動預測的準確性及評價船舶的適居性，在模擬鉆井工況下進行了局部結構振動測試，測量時在每個位置進行3個方向測量，并且持續測量時間至少是1min，在優勢頻率低于2Hz時，測量時間至少持續2 min。對采集的振動信號進行頻率計權計算，得到實測計權振動速度有效值，計算結果與測量結果見表3。

表3 典型艙室節點計權振動速度有效值 mm/s

對比結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，對結構進行了一定的簡化;②在調節模型重量分布時，采用質量平鋪的方法，導致局部結構與實際結構有所差別;③主船體和樁腿之間的連接機制很復雜，實際邊界條件處在簡支和固支之間，難以準確地模擬;④大多數艙室的計算結果大于測試結果，是因為在仿真計算時沒有考慮甲板敷料、浮動地板、舾裝件等一些類似阻尼材料的影響。但總體來說，計算結果基本符合工程實際應用，對于早期的振動預測及控制具有一定的指導意義。

［1］殷玉梅.船舶振動建模方法研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

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

［3］王顯正.船舶總振動特性研究［D］.大連:大連理工大學，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研究［J］.船舶設計通訊，2011(S1):25-33.

［5］夏侯命勝.深水半潛式鉆井平臺振動及噪聲分析研究［D］.北京:中國艦船研究院，2011.

［6］國際標準化組織.ISO 6954 Mechanical Vibration-Guidelines for the measurements，and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.2000.