随着国际上对船员及海上工作人员工作环境要求的提高, 对船员工作环境和居住环境提出了更高的要求。这就对船舶和海上工作平台设计人员提出了更高的要求, 特别是位于船舶机舱上部的上层居住区域和海上工作平台的居住区域以及振动设备所在区域, 在船舶和海上工作平台的详细设计阶段, 利用有限元软件对结构进行振动分析是很有必要的。
结构模态分析:模态分析是由来确定结构物振动特性的一种技术, 主要求出结构物的固有频率、固有振型及振型参数。模态分析实际上就是计算结构振型特征方程的特征值和特征向量。
典型的自由的、无阻尼振动的运动方程为:
谐响应分析用于确定结构物在承受随时间按照间谐规律变化的载荷时, 结构物的稳态响应, 在进行谐响应分析时, 不考虑激振开始时的瞬态振动, 只考虑结构物的稳态受迫振动。
完全法瞬态动力学分析方法是用于分析结构承受任意的随时间变化的载荷动力响应的一种常用方法。对于线性结构的瞬态动力学平衡方程为:
式中:[M]—质量矩阵;{u}̈—加速度矩阵;[C]—阻尼矩阵;{u}̇—速度矩阵;
[K]—刚度矩阵;{u}—位移向量;{F (t) }—动载荷向量。
瑞丽阻尼认为整体阻尼矩阵是由质量矩阵和刚度矩阵按比例组合构造而成的, 即:[C]=α[M]+β[K]
式中:α和β为阻尼系数, 一般情况下不能直接得出, 由振型阻尼比ξ和固有振动频率得出。工程实际中, 一般由结构的前两节固有振动频率和阻尼比得出:
在实际的工程分析中, 瑞丽阻尼理论已能够解决大部分的工程分析。
谱分析是将结构物模态分析的结果与已知的谱联系起来来计算模型的位移和应力的工程分析技术。
动载荷按其随时间的变化规律可以分为周期性载荷、冲击载荷和随机载荷等。
周期性载荷:其特点是在多次循环中载荷相继呈现相同的时间历程, 如旋转机械装置因质量不平衡而引起的离心力。海洋石油平台上的压缩机振动和船舶上用的主机振动都属于这类载荷;
振动微分方程为
设定初始条件为:
式中n=:
上式表示单自由度系统对间谐振动荷载F0sin (ωt) 的位移响应函数。式中有三部分的组成, 前两部分称为振动的过渡阶段, 只是在振动最初的一段时间起作用。最后一项为以激振力频率ω的简谐振动, 这部分振动不衰竭, 称为稳态振动。从上式可以看出, 前一项的值与初始条件有关, 与设备的激振力没有关系, 称为零输入响应, 后面的两项组合称之为零初始响应。
稳态响应的振幅:, 是一个无量纲形式, 称为动力放大系数, 表示振幅相对于静变形xst的的倍数, 上式也表示出对于不同的阻尼比情况下, 放大系数与频率比-ω的关系, 不难看出, 当频率比接近1, 也就是说当激振频率接近结构的郭频率时, 振幅迅速放大, 此种现象称为“共振”。在共振区域, 阻尼对振幅的影响很大, 在粘性阻尼比条件下, 共振频率为;在小阻尼条件下一般取共振频率为:ω共=ωn。
冲击载荷的载荷大小在极短的时间内有较大的变化。冲击波或爆炸是冲击载荷的典型来源。随机载荷在其时间历程内不能用确定的时间函数而只能用统计信息描述。由大气湍流引起的作用在飞行器上的气动载荷和由地震波引起的作用在结构物上的载荷均属此类。对于随机载荷, 需要根据大量的统计资料制定出相应的载荷时间历程 (载荷谱) 。
本次计算中的振动源来源是空气压缩机, 属于周期性振动, 施加的振动荷载如下:
式中:Fn:施加振动载荷的幅值;f:振动载荷的振动周期;t:时间。
对于振动核准的要求, 或者说人类能承受多大的振动一直是研究的主题, 一班来讲, 振动对操作者会造成心理上烦恼, 或者对结构、机械或设备产生不利影响, 进而造成设备的损坏。
关于振动的评估, 国际标准化组织 (ISO) ISO6954-2000机械振动的测量报告和评价指南中关于可居住商船有以下的要求:频率在1Hz到80Hz之间, 对于工作区域舒适度的要求为:加速度不高于286mm/s2, 速度不高于8 mm/s。
表中, 对人类在不同区域所能承受的速度、加速度和位移有了指导性的要求, 该数值也被广泛应用于不同结构物振动分析要求。
DNV船级社对振动的衡准为:对评估区域的速度不大于45mm/s (频率在4到200Hz) 。
分析采用最新有限元软件ANSYS进行结构物的瞬态动力学分析, 主要采用beam188、PIPE288、SHELL181单元对结构物进行建模, MASS21单元施加集中质量, 对于模型中没有建立的生活楼模块、火炬臂模块以及其他没有模拟的模块, 单独计算各自的重量和重心位置, 采用刚性单元的形式施加集中质量。
阻尼系数对振动响应水平有重要影响。通常选择阻尼系数范围0.05至0.01。根据一些其他研究人员的论文和项目, 参照已完成其他类似分析项目, 在这种分析中, 阻尼系数为0.02。在这样的计算分析中, 这钟系数的选取方法是可行的。
本次计算选取一座正处于服役状态的海上固定平台, 由于生产需要此次改造设计中, 在上甲板西北角新增3台振动设备。通过振动分析, 来探讨此类海上固定平台进行振动分析的方式方法, 并对工作人员所在休息区和工作区的振动情况做出预判和针对计算结果提出有效的改进措施。
目标平台上甲板面积约8300m2, 平台所处水深约189m, 导管架采用8桩腿结构形式, 该平台属于特大型导管架平台, 上部模块重达4万多吨, 平台上振动设备就有上百台, 本文将重点研究这些振动设备对平台结构的影响, 特别是大型振动设备引起的振动影响。
在结构振动计算时, 必须全面了解结构的动态特性。通常结构的动态特性包括:模态频率, 模态振型, 模态阻尼。通过对结构的模态分析, 可以得到结构的动态参数, 从而评价结构动态特性是否满足规范要求。
振动荷载主要来自此次新增加的三台压缩机, 单台压缩机操作重约130吨, 由三个支撑件与组块结构相连, 并传递相应的振动载荷, 振动载荷由设备厂家进行相应的分析, 并提供与组块结构连接处的响应荷载。
利用大型有限元软件ANSYS建立平台结构的全结构模型, 分别采用beam188、PIPE288、SHELL181单元模拟平台结构的工字型梁、管件构件、甲板板。平台构件的重量以及静荷载利用MASS21单元施加于附近的节点上, 应保证施加后的载荷总和重控表数据一致, 来保证计算模型与实际结构的统一。计算模型如下:
本次计算中, 利用SACS模型导出索要计算工况的所有载荷类型, 利用自编程序将其转换成节点荷载, 并将这些节点坐标与ANSYS模型节点的一一匹配, 进而施加在ANSYS模型对应的节点上, 保证施加后的载荷总和SACS模型数据基本一致。观察计算得出的前50阶模态和频率, 这些频率值并没有在激振频率区域。
在工程分析中, 结构的前几阶低阶固有频率及振型具有实际意义, 一般情况下, 前两阶为平台单方向的平动振型, 第三阶开始为水平方向的扭转振动。计算所得的前几阶模态结果为:1.0683, 1.2289, 1.2981, 2.2167, 2.3551。
本次计算中提取出振动设备附近的节点速度、加速度和位移, 同时兼顾到平台其他工作区域的, 通过对这些节点的速度、加速度和位移的评估, 得知:最大速度的节点出现在上甲板振动设备附近的节点上, 结果如下:
通过有限元软件ANSYS导管架平台的上部组块三维模型, 添加与设计重控报告相一致的载荷, 对平台结构进行了模态分析, 从而得到上部组块的整体结构固有频率和固有振型。从模态振型图中可以看出, 上部组块前三阶振型符合预期, 由此可以得知上部组块结构设计合理, 整体刚度及质量分布较为均衡。
振动分析所施加的振动荷载来自设备厂家的设备振动分析数据, 振动设备的激励源属于高频激励, 振动分析结果显示, 各个平台甲板节点的最大速度和加速度都明显小于规范要求的值, 人体也不会感到不适。
振动分析考虑振动设备同时振动对结构物的影响, 并没有考虑各个设备振动的不同步对结构物的影响。
摘要：为提高海上固定式导管架组块上工作人员居住和工作环境, 在组块结构设计或改造阶段, 基于结构振动分析原理, 分析过程中寻求一种高效的载荷施加方法可以有效的减少分析时间, 也更接近组块的实际受力状态。通过结构的动力学分析, 对结构进行预判, 进而提出改进的措施。
关键词：固定式导管架,振动分析,有限元方法,瞬态响应分析
[1] ISO6954, Mechanical vibration--Guidelines for the mea-surement, reporting and evaluation of vibration with regard to habit-ability on passenger and merchant ships, 2000.
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