杨 蕾 ,林 红,姜 昆
(1. 中国石油大学(华东) 理学院,山东 青岛 266580;2. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580)
结构模态分析是对结构系统的固有动力特性(如固有频率、阻尼因子和振型)进行识别的关键方式。对于海洋油气开采的导管架平台结构而言,为保证其在长期服役过程中的安全运行,进行相应的结构模态分析及动力特性描述至关重要。然而,考虑到大型导管架结构的复杂性和庞大性特点,在进行模态分析及动力特性描述时,直接对原型结构开展试验是十分困难的,而缩尺模型试验相对于原型结构试验可大大减少试验规模、降低试验难度,是一种更为经济可行的试验方式。为此,针对缩尺结构的模态测试问题,结合大学生创新实验,在理工科学生中开展缩尺试验模型的模态试验,能够帮助理工科同学理解结构的动力特征,培养学生的科学实验能力。
目前,缩尺模型试验在桥梁等土木工程领域中取得了较好的进展[1-2],在海洋导管架结构方面的研究不多[3-4],且目前研究大多关注结构的静力相似,而对于结构的模态试验及动力相似性鲜有涉及。因此,为了提高导管架结构静、动力特性科学研究实验基础,并为导管架结构模态分析提供良好的大学生创新实验平台,本文提出导管架结构缩尺试验模型的设计制作思路,研制了缩尺试验模型的模态试验装置,并开展模态试验,验证了缩尺模型的有效性。基于所建立的缩尺结构模态实验装置,能够有效开展理工科大学生相关的创新实验教学,实现工程问题与大学生创新实验项目的有机结合,对培养学生科学实验和工程创新能力起到积极作用。
为有效引导理工科大学生接触和了解实际工程问题,在此以渤海埕岛CB302 真实海洋平台作为原型结构,该平台高29.5 m,重270.763 t,主体为4 桩腿、5 层导管架结构,每层均设有横撑,且底部两层另设有K 型支撑。
为培养理工科大学生科学试验的严谨态度,缩尺试验模型的设计与制作过程,严格遵循相似准则。首先,为保证试验模型的缩尺比例一致性,缩尺试验模型的尺寸设计与平台原型需满足几何尺寸相似性。此外,为保证结构的材料、荷载、静力和动力特性的一致性,缩尺试验模型的设计还应满足物理属性的相似性。
首先,需要对缩尺试验模型的制作材料进行选取,通过对比分析常用材料的性能和优缺点,并根据缩尺试验模型的物理相似性要求,最终选定常用的 Q235钢材作为缩尺模型的制作材料。考虑几何尺寸的相似性准则以及试验条件的限制,对缩尺试验模型的尺寸进行设计,选定尺寸比Rl=1∶25,由R1计算可得缩尺模型高度为0.98 m,图1 为缩尺平台设计图。
图1 CB302 缩尺模型设计图(单位:mm)
此外,缩尺试验模型的设计,要与原型结构保持结构刚度的相似性,故此根据刚度相似性准则,缩尺试验模型的弹性模量及刚度比值分别选定为RE=1∶1,Rk=RE(R1)2=1∶625,由RE和Rk计算可得缩尺试验模型构件的设计值,见表1。
同时,还需对缩尺试验模型进行重量设计,选取重量比值Rn=Rρ(R1)3=1∶15 625。原型结构实际重量270.763 t,根据重量比Rn计算可得模型结构标准重量应为17.28 kg,实际制作的模型重量为17.3 kg,满足重量比要求,缩尺结构如图2 所示。
表1 导管架缩尺试验模型构件设计值 (单位:mm)
图2 基于原型结构的缩尺结构(单位:m)
节 1.2 中缩尺试验模型的设计制作过程充分考虑了几何尺寸、模型重量及结构刚度等物性参数相似性要求。在此基础上,为有效验证缩尺试验模型动态响应特征的相似性要求,针对所设计制作的缩尺试验模型开展相应的模态实验,并对模态试验的全过程进行信号数据的采集和处理,得到缩尺试验模型的模态参数。图3 为缩尺试验模型、模态实验设备、数据采集装置及实验设计原理的示意图。
图3 模态试验流程与原理图
缩尺模型模态试验装置所涉及的设备包括:力锤(具备力传感器)1 把、加速度传感器 5 个、电荷增大器(2 通道)1 台和锤击测试信号采集仪(16 通道)1 台,各设备参数如下:
(1)CA-YD-107 型加速度传感器——横向灵敏度比小于5%,可测频率0~5 000 Hz,可测最大加速度8 000 m/s2。
图4 应变片
(2)电阻应变片——灵敏性 2.06~2.12,如图 4所示。
(3)LC 系列力锤——可测最大冲击力2 000 N,如图5 所示。
(4)数据采集与处理设备——电荷增大器为2 通道接口,锤击测试信号采集仪为16 通道USB 接口,如图6(b)所示。
图5 力锤
图6 试验装置图
缩尺试验模型的模态试验步骤如下:
步骤1 选取加速度响应最大的、顶板两对角点作为测量点,并将加速度传感器固定在这2 个测量点,见图6(a)。
步骤2 借助力锤作为激振器[5],敲击缩尺模型结构以施加冲击力。
步骤3 具体而言,分别在敲击点的X水平方向和Y垂直方向敲击[6],并采集获取模态信息的时域信号数据。
步骤4 按步骤3 的操作方式,保持每次敲击力大致相等进行多次敲击,并在每次敲击后,保存和记录稳定后的信号数据,然后进行下一次敲击。
3.1.1 信号降噪处理
试验获取的原始信号数据难免存在各种设备或采集噪声,通常都需要对原始采样数据进行降噪处理。目前,典型的信号降噪方法包括2 种:移动平均处理方法和趋势项消除方法[6]。信号数据的移动平均降噪方法,主要用于消除信号噪声;趋势项消除方法主要用于消除环境干扰噪声。
对于缩尺试验模型的模态试验信号数据而言,信号噪声的影响相比于环境噪声更为显著。因此,采用移动平均法对获取的采样信号数据进行降噪处理。图7(a)和图7(b)分别给出了移动平均法降噪处理前和降噪处理后的信号数据对比图。
3.1.2 模态分析
信号数据经过降噪预处理后,进而采用时间序列法对降噪后的信号数据进行模态分析[7],结果如图 8所示。
提取获得水平方向(X向)和垂直方向(Y向)激励的1—6 阶自然频率[8],见表2。
图7 去噪前后信号数据对比图
图8 模态分析结果
表2 自然频率结果 单位:Hz
在对缩尺模型进行模态试验和模态分析的基础上,为有效验证缩尺模型的模态试验结果与结论[9-12],进一步借助 ANSYS 有限元软件平台,建立缩尺试验模型所对应的有限元模型,对导管架缩尺试验模型的动力特性进行有限元分析,获得有限元分析的 1—6阶频率数据。通过对比模态试验的试验结果,发现缩尺试验模型的模态试验结果与 ANSYS 有限元分析所得的模态结果的平均误差在17%左右,进一步验证了缩尺模型模态试验结果的有效性和准确性。
本文以海洋导管架平台结构为设计原型,严格遵循几何相似、刚度相似和质量相似准则,设计并制作了1∶25 的缩尺试验模型。为有效验证缩尺试验模型的动力学特征相似性,开展了缩尺试验模型的模态实验,并采集获取其模态信号,与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:该缩尺试验模型可以较为准确地反映实际导管架平台结构的静、动力特性,可为实际平台的安全分析提供一个高可信度的实验室测试平台。
同时,将导管架缩尺试验模型的模态实验平台应用于大学生创新实验项目,促进了创新实验项目与科研试验的共同进步。依托此实验平台,理工科大学生能够开展缩尺模型的静力试验、模态试验、振动信号采集与处理、模态参数辨识等任务,可使学生直观地认识原型结构与缩尺结构间的相似现象,并通过科学实验深刻理解结构固有频率的概念,实现工程问题与大学生创新实验项目的有机结合,对培养学生科学实验能力和工程创新能力起到积极作用。