动态刚度技术在海洋平台大型主机结构底座振动控制设计中的应用

， ，

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

动态刚度技术在海洋平台大型主机结构底座振动控制设计中的应用

钟文军，黄曙光，周楠

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

传统的海洋平台大型主机结构底座振动控制设计在项目前期割开了主机厂家与海洋平台结构底座设计人员的联系，造成两者振动控制设计边界条件不一致，项目后期主机振动超标时很难解决。该文提出的动态刚度法将厂家和海洋平台结构底座设备人员在项目进行前期就联系起来，建立动态反馈机制，为大型主机振动控制设计找到一条可行思路和方法。

大型主机；振动控制；动态刚度；反馈机制

0 前言

海洋平台大型主机振动控制一直是作业者十分关注且亟待解决的问题。通常大型主机安装到海洋平台上时需做结构底座，结构底座设计一般由海洋平台结构设计人员完成，而大型主机的振动控制数据一般在设备完工后由厂家将试验台上得到的振动数据提供给海洋平台设计人员，厂家试验台与海洋平台上真实的结构底座是有很大差异的，海洋平台设计人员得到振动数据时大型主机已接近完工，对主机进行改动已变得非常困难，这给大型主机的振动控制带来很大的不确定性。该文提出的动态刚度技术可以在海洋平台设计初期将大型主机厂家与结构底座的海洋平台设计人员联系起来，两者在共同的振动边界条件下对大型主机进行振动分析与设计，在项目过程中建立起良好的动态反馈机制，为结构优化设计提供可能，同时为机械设备振动控制提供了一种有效的解决方案。

1 研究内容

大型主机在工作时以某一固定的转速运行，但由于其质量分布的不均匀性，对底座产生简谐荷载，简谐荷载作用下的结构响应主要是不同频率下结构的响应，即频率响应。频率响应分析可以实现对结构的动态特性分析，预测结构的持续动力特性是计算线形结构在稳态振动激励下响应的常用方法。在分析动刚度时，可使用模态频率响应分析法，模态频率响应分析的基本流程是先进行结构的模态计算，然后调用模态计算的结果，考察所要分析的激振频率范围内的频率响应。模态频率响应法计算响应就是利用结构的模态变形来减少方程数量及解耦运动方程的。通过模态频率响应分析可以求出结构在多种频率下的位移、速度、加速度响应，得出响应的频率响应曲线，进而实现对结构的动态特性分析。

2 设计实例

该文以某深水半潜式生产平台底座结构的振动控制设计为例来阐述动态刚度法的应用。平台共5台主机，主甲板为工字梁框架结构，底座结构由主甲板大梁支撑，主机发电机转速为720转/分钟，运行频率12 Hz。

图1 主甲板底座结构横剖面

2.1分析方法

采用ANSYS的模态频率响应方法计算各安装点的动态刚度。用于分析的有限元模型在主立柱上有约束，其它部位为自由状态与实际的工程结构相同，采用4%的结构阻尼。将每个连接点的每个方向(X、Y、Z)的激励载荷定义为一个载荷工况，载荷为1 N的集中力，频率范围为所关注的频率，同时将激励点定义为响应点，且响应自由度与激励自由度相同，例如Z向单位激励的输出为Z向速度响应，以此来求取各点的响应，即各点的刚度。

取1/8主甲板范围为边界，主立柱支撑处模拟为铰接，为更好的提取底座结构模态，对主甲板不做模拟，结构剖面如图1所示。底座结构采用SHELL63壳单元来模拟，其它部分的大梁采用BEAM188梁单元来模拟，使用MPC184耦合单元将梁结构与板结构6个方向的自由度连接。材料参数为：弹性模量210 Gpa, 材料密度7.8×10-9t/mm3,泊松比0.3。

有限元模型如图2所示。

图2 甲板底座结构有限元模型

动态刚度取值点为主机与结构底座连接处，即螺栓连接的地方(如图3所示)。

图3 底座结构与大型主机连接

2.2分析结果

通过模态分析，得到结构的自振模态，前三十阶模态见表1。

表1 前30阶模态自振频率

与主机底座相关的第25至28阶自振模态如图4～图7所示：

图4 第25阶模态 图5 第26阶模态

图6 第27阶模态 图7 第28阶模态

图8所示的A、B、C和D四个点为4号主机底座结构与主机的连接点首尾四点，以此为例求取支撑点的频率位移响应，得到支撑点的动态刚度。

图8 底座结构纵剖面

从图9～图12可以看出，在12 Hz前后各5 Hz范围内各支撑点的最大响应位移为7.5×10-9mm/N,换算成动态刚度为1.33×108N/mm，满足大型主机的振动刚度要求，其它各底座结构与大型主机的连接点也满足振动刚度要求，在现场实测数据表明大型主机的振动控制在要求的范围内，从而验证了动态刚度法的有效性。

图9 A点底座结构频率位移响应 图10 B点底座结构频率位移响应

图11 C点底座结构频率位移响应 图12 D点底座结构频率位移响应

3 结论

传统的振动控制分析隔开了大型主机厂家与海洋平台结构底座设计人员在项目设计早期的联系，两者使用的振动边界条件存在很大差异，只能由结构底座被动适应来自大型主机厂家的数据，而基于动态刚度技术设计的大型主机底座结构，在项目早期就将厂家与海洋平台结构底座设计人员联系起来，建立动态反馈机制，振动设计边界条件取得一致，为结构优化设计带来了可能。在半潜平台实例设计中得到验证与应用，动态刚度技术为海洋工程大型主机振动控制提供了一个有效思路，也为类似设备的振动控制提供了参考。

[1] 刘乐烈.结构力学[M].天津：天津大学出版社，1996.

[2] 王创民，等.桥式起重机动刚度计算的建模与分析 [J].起重运输机械，2008.12：87-91.

DynamicStiffnessTechniqueApplicationtoOffshoreLargeScaleGeneratorStructureFoundationVibrationControlDesign

ZHONG Wen-jun, HUANG Shu-guang, ZHOU Nan

(China Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451， China)

Traditional vibration control design isolates the relation between large scale generator supplier and offshore structure foundation designer at early stage which cause different boundary condition applied to both of them in vibration control. It’s very difficult to solve the vibration problem at the end stage. Dynamic stiffness technique connects equipment supplier and offshore structure foundation designer from the beginning to the end with creating a dynamic feedback to give a good solution for generator vibration control.

large scale generator； vibration control； dynamic stiffness； feedback mechanism

2014-02-19

钟文军(1965-)，男，教授级高级工程师。

1001-4500(2015)01-0005-04

TE54

： A