基于顆粒阻尼技術(shù)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)減振試驗(yàn)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(dòng)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(jī)械有限公司，江蘇泰興225400；4.蘇州科技大學(xué)機(jī)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(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)油氣資源的需求越來(lái)越大，近海石油天然氣資源的開發(fā)變得越來(lái)越重要。海洋平臺(tái)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(tái)桁架結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)受到風(fēng)、海浪、洋流、甚至冰地震荷載的聯(lián)合作用[1-2]。長(zhǎng)期處于這樣惡劣的外在環(huán)境會(huì)導(dǎo)致海洋平臺(tái)桁架在使用過(guò)程中發(fā)生明顯持續(xù)的振動(dòng)，從而加劇平臺(tái)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(tái)的振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)受到了越來(lái)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(zhǎng)期暴露在鹽霧和高強(qiáng)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(dòng)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位填充顆粒材料，通過(guò)顆粒之間的碰撞和摩擦消耗振動(dòng)結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。目前已在航空、機(jī)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(tái)桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究基于顆粒阻尼技術(shù)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，分析顆粒阻尼主要參數(shù)對(duì)海洋平臺(tái)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(tái)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 海洋平臺(tái)桁架顆粒阻尼試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)顆粒阻尼減振系統(tǒng)試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，加速度響應(yīng)分別測(cè)試A、B 和C 點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)的影響為電機(jī)基座D 點(diǎn)。原模型為高度90 m的海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)，由于全尺寸模型試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地要求過(guò)高，采取縮比試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒃Ｐ桶凑?∶100的比例縮小后，根據(jù)縮比相似原理并經(jīng)過(guò)Ansys workbench 仿真模擬進(jìn)行應(yīng)變對(duì)比。結(jié)果表明，模型的比例縮小前后應(yīng)變比接近1，對(duì)剛度影響不大。于是本文試驗(yàn)對(duì)象采用的海洋平臺(tái)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(tái)結(jié)構(gòu)選用厚度為3 mm 的碳鋼材料。通過(guò)在平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)底層安裝電機(jī)激勵(lì)，電機(jī)為90SZ55 型微型直流伺服電動(dòng)機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，為增加激勵(lì)，在電機(jī)上安裝偏心質(zhì)量塊。加速度傳感器用于測(cè)試電機(jī)基座底腳位置及各測(cè)點(diǎn)的加速度，測(cè)試分析系統(tǒng)采用北京東方振動(dòng)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(duì)海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)減振特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)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(duì)海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(jī)傳遞到平臺(tái)上的振動(dòng)衰減明顯，說(shuō)明顆粒阻尼有較好的減振效果。下面將詳細(xì)分析顆粒阻尼各主要參數(shù)對(duì)海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(yàn)系統(tǒng)Fig. Experiment testing system

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

2 主要參數(shù)對(duì)海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的影響

2.1 顆粒直徑對(duì)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(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)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(duì)振動(dòng)傳遞率的影響明顯，這主要是因?yàn)檩^高激勵(lì)頻率使得顆粒振動(dòng)更加劇烈，直徑越大的顆粒能量越大，在相互碰撞和摩擦過(guò)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(duì)系統(tǒng)傳遞率的影響明顯，當(dāng)顆粒直徑達(dá)到1 mm 時(shí)，顆粒直徑的增加對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率的影響很小。

圖4 顆粒直徑對(duì)不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)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(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dāng)填充率達(dá)到80%左右時(shí)，系統(tǒng)的減振效果最好，平均振動(dòng)傳遞率比無(wú)顆粒阻尼器時(shí)最大降低了18.2 dB；當(dāng)填充率達(dá)到100%時(shí)，系統(tǒng)的減振效果大大降低，主要是因?yàn)榭浊恢蓄w粒的運(yùn)動(dòng)受限制，沒(méi)有碰撞耗能，只通過(guò)顆粒之間的摩擦消耗部分能量，所以100%填充率時(shí)系統(tǒng)的平均振動(dòng)傳遞率仍然比無(wú)顆粒時(shí)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(duì)振動(dòng)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(duì)不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)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(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(gè)頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的振動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)減振效果變化明顯，當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí)顆粒密度的變化對(duì)系統(tǒng)減振效果影響不大；填充密度較大的碳化鎢顆粒時(shí)，A 測(cè)點(diǎn)、B 測(cè)點(diǎn)和C 測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率比填充鋁合金時(shí)的振動(dòng)傳遞率分別降低了15.4 dB、11.5 dB 和10.1 dB。說(shuō)明在選擇填充顆粒時(shí)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(duì)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.7 Vibration transmissibility of the ocean platform versus particle density

圖8 顆粒密度對(duì)不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(yàn)研究了海洋平臺(tái)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(duì)海洋平臺(tái)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(duì)海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)具有明顯的減振效果，相比無(wú)顆粒阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，其振動(dòng)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(dòng)傳遞率降低了5.6 dB，填充密度較大的顆粒，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)均有不同程度的降低；

（3）填充顆粒直徑的變化對(duì)海洋桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響相對(duì)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(dòng)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(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)先降低后增加，在顆粒填充率為80%左右時(shí)，系統(tǒng)的減振效果最好，填充率為100%時(shí)顆粒阻尼仍然有一定的減振效果。