基于Abaqus的海洋平台总体振动特性研究.docxVIP

基于ABAQUS的海洋平台总体振动特性研究

王娜王波徐芹亮纪晓懿霍斌韩华伟王宁丁玉龙

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台，264000）

摘要：本文应用国际通用的有限元软件ABAQUS对海洋平台的总振动性能预报，在现有

COSLINNOVATOR半潜式钻井平台项目的振动分析中，通过建立接近于真实海洋平台主结

构的有限元模型，在考虑流—固耦合状态下,用有限元技术对平台进行整体模态分析以及平

台对激励力的振动响应数值计算。计算表明,该半潜式钻井平台结构的振动性能良好,满足

ISO6954的振动基准。

关键词：半潜式钻井平台；总体振动；有限元

扶强材等);另一种是基于薄壁理论的有限

元方法。但后者多用于低阶振动的模态预

1.前言

报。本次分析平台主体结构采用ABAQUS有限

海洋平台振动会引起结构构件的交变

应力，加速结构的疲劳损伤，并引起工作人

元软件建立空间板梁组合结构力学模型,

如图1所示。

员的不适。因此设计人员需要在平台设计阶

段对可能发生的振动现象严重程度作出估

价，以便采取适当的设计措施，使实际平台振动降至国际标准限度以内。

对于海洋平台总振动的预报，采用变断面梁模型并计入附连水质量，估算主平台低

价固有频率和在一定激励下的响应，已是较

成熟的方法[1]，并能获得工程应用上足够准确的结果。有限元技术的发展，使得对海洋平台振动的计算有了更为通用和有效的

工具。对于海洋平台总振动计算，也可用整体平台有限元结构模型以获得比等直梁模

型更为准确的结果。

本文仅介绍COSLINNOVATOR钻井平

台的总体自由振动以及在螺旋桨、主机和泥

浆泵激振力作用下的平台甲板及上层建筑

图1某钻井平台三维有限元模性

区域强迫振动计算，并对分析结果进行评

估，确定分析方法的可行性。

3.质量分布2.力学模型的建立

压载能改变液舱的固有频率。整个平台

由于海洋平台本身结构特点，使得扭转结构随压载的不同,会产生不同的振动模

振动与弯曲振动往往是耦合在一起,在低阶态。因此,总体振动分析时可以选取极端压

模态特别明显。众所周知,能量法和迁移矩载工况进行分析[5-6]。本文主要针对钻井工

阵法不考虑振动耦合[2-3]。因此,采用有限元

况进行研究。表1列出了本船在钻井工况下

方法来进行钻井平台的振动分析。通常,可相应的质量分布。

采用两种方法处理:一是利用通用有限元程

序,建立详细的有限元模型(包括板、桁材、

了钻井工况下本船前8的振型和自由振动固

有频率图2给出了该船在压载工况下的前4

阶振型。

表1半潜钻井平台钻井工况质量布置

表2钻井工况前八阶固有频率

工况空船重量液舱装载变化载荷排水量

钻井

阶次频率(Hz)4254.1

23000t9066.8t36441t

t10.89471

21.8910

32.1134平台结构重量由于有限元模型的简化,

与实际结构的重量必然有差别,所以需要

调整模型的重量,使模型重量与实际结构

42.7901

的重量相等；另外，在进行重量调整时,除52.9176

了要考虑其大小,还要考虑其重心的位置

及重量分布状况。因为即使总重量和重心保

62.9602

持不变，重量分布不同还是对船体固有频率73.0778

的影响较大[7],且对于不同谐调振动频率的

影响也不尽相同,因此在实际计算中应对重

83.1414

量分布予以足够重视。

4.主要激振载荷

海洋平台工作时激励源主要是:螺旋

桨、主机、泥浆泵、辅助设备和海浪等,尤

以螺旋桨和主机及泥浆泵的激励最为显著。

在利用有限元法计算船舶结构振动时,施

加准确的各种激励力是计算结果正确与否

的关键问题之一,因此,应该施加尽可能准

确的，以保证计算精度。

ABAQUS在激振力施加方面式提供较多

的路径，由于提供的激振数据多为速度加速

度形式，由设备的质量求出等效的惯性力作

为输入激励载荷[9-10]。本次分析设定力的频

率谱，通过集中力载荷的形式输入。

5.平台总体振动有限元分析

5.1总体自由振动计算

平台总体自由振动评估的目的是计算

平台总体的固有频率,并校核是否能避开激

振频率[11]。当激振频率与平台主结构振动频

率接近时,尚应进行振动响应计算。表2给出

振力是谐调变化的,振动响应采用ABAQUS

分析步中的直接法（Steady-state

dynamics,Direct），在整个平台结构三维有

限元模型情况下,平台上任意一点的振动位

移、速度、应力、应变响应均可以求得[12]。

而本文所关心的是平台和上层建筑区域振

动速度响应状况，该区域与人的舒适性直接

相关联，响应速度值与ISO6954标准相校核

[4]。

以下仅给出几个速度响应频谱图。