平臺上層建筑局部振動預(yù)防方法研究

馮 琦， 鄭 偉， 趙丕東， 郭培軍

(1. 上海宏華海洋油氣裝備有限公司， 上海 201206； 2. 大連船舶重工集團有限公司， 遼寧 大連 116006)

平臺上層建筑局部振動預(yù)防方法研究

馮 琦1， 鄭 偉1， 趙丕東2， 郭培軍1

(1. 上海宏華海洋油氣裝備有限公司， 上海 201206； 2. 大連船舶重工集團有限公司， 遼寧 大連 116006)

介紹了一種針對平臺上層建筑局部振動的預(yù)報方法。以宏華海洋研發(fā)的一型自升式多功能支持平臺為例，利用有限元法，預(yù)報其上層建筑局部振動。預(yù)報中除考慮了常規(guī)主機及推進器激振頻率外，還考慮了泥漿泵及大型風(fēng)機的影響。通過計算發(fā)現(xiàn)了上層建筑結(jié)構(gòu)多處局部結(jié)構(gòu)固有頻率位于激振區(qū)間內(nèi)。通過結(jié)構(gòu)修改，改良了局部振動性能，預(yù)防了共振的產(chǎn)生，達到了預(yù)期目標(biāo)。

有限元法 平臺 上層建筑 局部振動預(yù)報 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

平臺上層建筑(生活樓)區(qū)域是平臺工作人員主要的工作休息場所。過度的振動及噪聲會使船員感到不適，產(chǎn)生疲勞，甚至影響身體健康。同時，振動會影響船上設(shè)備、儀表的正常工作，降低使用精度，縮短使用壽命。而且，振動會使高應(yīng)力區(qū)的平臺結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)疲勞損壞。因此，控制平臺上層建筑的振動具有重要意義。

和船舶類似，平臺上層建筑的振動也分為整體振動和局部振動，本文關(guān)注局部振動。局部振動是由各種激振源(如主機、輔機、泥漿泵等)激勵引起的上層建筑局部板、板格、板架等的振動。當(dāng)前，平臺上層建筑設(shè)計時一般僅考慮強度要求。有特殊需求時，會利用經(jīng)驗公式[1](如CCS[2]、DNV[3]相關(guān)預(yù)報方法, GL局部振動計算軟件Loc Vibs)對相關(guān)影響區(qū)域振動情況進行預(yù)報。但該方法計算公式存在大量簡化，且計算僅僅能對矩形板及板架進行計算，存在較大局限性。一旦實船測試中出現(xiàn)振動過度的情況，只能被動補救，導(dǎo)致大量的返工，增加成本。如某型30 000 t散貨船就出現(xiàn)過上層建筑局部振動過大問題[4]。

本文將以我公司設(shè)計的一型自升式多功能支持平臺為例，利用有限元法進行上層建筑局部振動特性預(yù)報。再參照文獻[2]中船舶及平臺振動控制主要途徑內(nèi)的調(diào)頻方式，修改結(jié)構(gòu)后進行二次預(yù)報，如此循環(huán)直到結(jié)構(gòu)局部振動滿足要求。

2 平臺上層建筑局部振動激勵源分析

算例平臺主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 算例平臺主要設(shè)計參數(shù) 單位：m

局部振動的激勵源種類繁多，主機、輔機、泥漿泵、推進器及大型風(fēng)機等設(shè)備是主要激勵源。通常，波浪由于周期較大，激勵頻率遠小于上層建筑局部固有頻率，同時脈動風(fēng)壓對上層建筑局部共振也幾乎沒有影響，因此本次計算中不予考慮。本算例的激勵源如表2所示。

表2 主要激勵源

3 平臺初始局部振動預(yù)報

3.1 局部振動預(yù)報方法

平臺上層建筑的局部振動預(yù)報一般分兩步走。首先是先進行局部結(jié)構(gòu)的固有頻率計算，如果計算頻率和激振源頻率相近，再修改結(jié)構(gòu)調(diào)整固有頻率，或者再通過強迫振動響應(yīng)計算出關(guān)注節(jié)點響應(yīng)速度及加速度。對比ISO6954-2000(GBT7452-2007)《機械振動客船和商船適居性振動測量報告和評價準(zhǔn)則》要求，對結(jié)構(gòu)振動性能進行評價，最終完成局部振動特性的預(yù)報。

3.2 計算的理論依據(jù)

上層建筑的局部振動實際上由多個振動源的振動耦合而成，其控制方程為

首先計算結(jié)構(gòu)本身固有頻率時，控制方程中C不考慮，該問題即是求[K]{φ}λ=[M]{φ}的特征值問題。有限元計算的核心是模型剛度和質(zhì)量的正確模擬。其次，進行強迫響應(yīng)計算，一般而言，主機、推進器等激勵作用是諧和變化的，可以用模態(tài)疊加法求，對控制方程中X起主要作用的是振動的前N階振型，即

式中：[φ0]為振型矩陣；{x}為時間函數(shù)列向量；此方程最終可分解為N個相互獨立的方程，可以最終求出X。

3.3 模型處理及質(zhì)量分布

通過較為精確的模型可以模擬結(jié)構(gòu)剛度。我們采用MSC.Patran&Nastran對模型進行建模及計算。由于計算對象為整個上層建筑區(qū)域，考慮上層建筑下端較為真實合理的約束，因此模型范圍從主甲板下1 000mm至上層建筑頂部。利用shell及beam單元模擬，板單元大小為1/4肋距1/4縱骨間距。在結(jié)構(gòu)精確建模的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整材料密度的方式，實現(xiàn)模型質(zhì)量及重心與實際統(tǒng)計結(jié)構(gòu)質(zhì)量及重心一致。對于非結(jié)構(gòu)的附屬質(zhì)量進行如下處理：集中質(zhì)量采用點質(zhì)量模擬，非集中質(zhì)量在投影區(qū)域施加均布載荷。圍壁板不施加附加質(zhì)量。模型下端采用簡支約束。

整個上層建筑計算模型如圖1所示。

圖1 上層建筑計算模型

3.4 上層建筑結(jié)構(gòu)頻率預(yù)報

3.4.1 局部結(jié)構(gòu)頻率預(yù)報[5，6]

一般來講，結(jié)構(gòu)在低階頻率下共振會有較大影響，在高階頻率時，其振動的阻尼較大，一般不會引起結(jié)構(gòu)的共振，故預(yù)報僅考慮一階固有頻率影響。

應(yīng)用軟件模態(tài)計算模塊進行計算，本文分別對上層建筑羅經(jīng)甲板層、第二層甲板層、第一層甲板層結(jié)構(gòu)進行預(yù)報。計算發(fā)現(xiàn)羅經(jīng)甲板層甲板板、縱向右舷距中1 500mm圍壁、第二層甲板層甲板上多處集中載荷位置(應(yīng)急發(fā)電機安裝位置、駕駛臺、電池間、醫(yī)療設(shè)備安裝位置等)、距中3 610mm圍壁等結(jié)構(gòu)局部固有頻率都在推進器葉頻22.9Hz的共振頻率區(qū)間，具體如表3所示。第一層甲板層所有結(jié)構(gòu)都避開了推進器葉頻的共振影響區(qū)。(根據(jù)CCS《船上振動指南》要求，對上層建筑保留10%～15%余量，本文取15%。)

表3 上層建筑局部振動預(yù)報詳情 單位：Hz

3.4.2 計算結(jié)果分析

利用有限元法，可以快速有效地預(yù)報出平臺上層建筑局部結(jié)構(gòu)固有頻率，針對各種不規(guī)則形狀板、板格及板架都能得出較為精確的結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，原始設(shè)計中存在較多板架固有頻率位于可能共振的頻率區(qū)間內(nèi)，需要進行強迫振動計算，或者修改結(jié)構(gòu)調(diào)整頻率。本文采用第二種方法處理。

4 上層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及局部振動預(yù)報

針對計算發(fā)現(xiàn)的共振影響結(jié)構(gòu)區(qū)域，采用增大型材規(guī)格以及增加T型材的方法，同時加強了局部結(jié)構(gòu)形式，并再次通過有限元計算，計算結(jié)果(見表3)顯示新的固有頻率可以合理避開共振源共振影響頻率。表4中所列幾個典型位置的結(jié)構(gòu)修改前后的振型圖如圖2～圖6所示。

表4 上層建筑結(jié)構(gòu)修改后局部振動預(yù)報詳情 單位：Hz

圖2 羅經(jīng)甲板層甲板位置1修改前后振型圖

圖3 羅經(jīng)甲板層1 500側(cè)壁位置1修改前后振型圖

圖4 第二層甲板層甲板位置1修改前后振型圖

圖5 第二層甲板層下3 610 S位置1修改前后振型圖

圖6 第二層甲板層下3 610 P位置1修改前后振型圖

5 結(jié)論

(1) 利用有限元方法，可以快速有效地對平臺上層建筑(生活樓)局部振動特性進行預(yù)報，相對于傳統(tǒng)的經(jīng)驗計算方法，適應(yīng)面更廣，精度更高。

(2) 相對于傳統(tǒng)船舶類上層建筑的預(yù)報，本文涉及的激振源種類更多，并考慮了多個大型風(fēng)機及泥漿泵的影響。

(3) 模型質(zhì)量模擬，綜合運用了密度調(diào)整和質(zhì)量點調(diào)整的方法，但未考慮附屬構(gòu)件(如天花板、甲板敷料等)對甲板剛度的貢獻作用，僅計入其質(zhì)量。所有文中計算出的固有頻率比實際固有頻率略低，會有額外的安全余量。

[1] 馬廣宗，蔡承德，虞銑輝.船舶振動基礎(chǔ)與使用計算[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2] 中國船級社.船上振動控制指南[S].2000.

[3] DNV. Prevention of Harmful Vibration in Ships[S]. 1983.

[4] 李衛(wèi)華，許晶.30 000 t散貨船上層建筑有害振動的分析及評估[J].上海造船，2010，4：11-16.

[5] MSC.MSC Nastran 2003 Linear Static Analysis User’s Guide [S]. 2003.

[6] 李兵，尋正來.大連遠洋教學(xué)實習(xí)船有限元振動分析[J].船舶設(shè)計通訊，2006,6:33-38.

Studies of the Prevention Method on Local Vibration of Jack-up Superstructure

FENG Qi1, ZHENG Wei1, ZHAO Pi-dong2, GUO Pei-jun1

(1. Shanghai Honghua Offshore Oil & Gas Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206， China;2. Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd., Dalian Liaoning 116006， China)

A prevention method on local vibration of jack-up superstructure is introduced in this paper. Finite Element Method (FEM) is used to predict the superstructure local vibration of a multi-function jack-up platform which is designed by Honghua Offshore. Besides the vibration effect of the main engines and thrusters, mud pumps and high-power fans are also taken into account. The calculation results show the natural frequencies of some local structures are close to that of the vibration sources. In order to avoid the resonance, the local structures are optimized and FEM calculation proves the method in this paper can make the natural frequencies acceptable in the superstructure.

Finite Element Method(FEM) Platform Superstructure Prevention on local vibration Structure optimize

江蘇省自然科學(xué)基金項目“自升式多功能服務(wù)平臺研發(fā)”(課題編號：BK20130399)。

馮 琦(1978-)，男，工學(xué)博士。

P752

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