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ANSYS软件分析平台基础上注水泵系统对甲板振动的影响分析

2020-09-03 123 上传者：管理员

摘要：为研究往复式机械注水泵系统对海洋平台工作区甲板的影响，在有限元软件ANSYS中建立OPA平台的生产甲板模型和详细的基座模型。通过瞬态分析得到重力和注水泵系统作用下的生产甲板的振动响应，绘制竖直和水平方向的振动响应云图，观察到在竖直方向注水泵系统周围存在振动较大的现象，为平台实测工作提供依据。

关键词：
天然气
振动
有限元
注水泵系统
海洋平台
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随着国家开展海洋强国战略，越来越多的资源投入到海洋的开发建设中，海洋平台作为海洋石油开发的主要设施和工作场所，除了受到各种恶劣的海洋环境影响外，还会受到布置在甲板工作区域的大型往复式机械的载荷作用影响。

赵东油田OPA平台在生产甲板区域布置了5台注水泵，注水泵产生的激励力呈现周期性且具有幅值大的特点，正常工作时存在惯性力和旋转力矩使整个机械和机械基础产生剧烈振动。同时，由于甲板空间紧张，5台注水泵的布置距离较近，当同时打开4台注水泵工作时，注水泵之间会产生相互影响，使得生产甲板的振动响应更加复杂。注水泵系统作为甲板上重要的生产机械，需要持续不断地运行，引起的甲板振动也是长期而不可避免的，因此对注水泵附近的生产甲板进行分析，得出其振动响应对该平台的正常工作和人员健康具有十分重大的意义。

对于此类工程问题，国内外有相关研究。AL-BADOUR等[1]进行旋转机械非定常振动的时频分析。罗超等[2]分析海洋平台机械振动产生的可能原因。邢鹏飞[3]采用谐响应分析的方法分析压缩机组对甲板的振动影响。彭宁宁[4]就压缩机组的振动问题提出一种弹簧隔振设计。刘国昊等[5]分析结构的单自由度自由振动响应及其承受简谐外激载荷时的受迫振动响应。李彦丽[6]用SACS软件对钻机振动进行计算分析。邵卫东等[7]分析空调机组对平台生活区域振动影响。对于采用瞬态分析方法分析工作区域甲板的研究还较少。本文主要通过静力分析、模态分析和瞬态分析等3个方面评价OPA平台的生产甲板，采用数值模拟给出甲板发生振动较大的危险点和分布范围。

1、海洋结构动力分析原理

海洋平台作为典型的海洋结构，对其进行动力分析评价其动力响应十分必要。动力分析主要包括模态分析和瞬态分析。

1.1 模态分析原理

模态分析主要用于求解结构本身的固有频率和各阶振型[8]，用于分析结构是否会发生共振，同时为之后的瞬态分析提供计算依据。在进行模态分析时，不考虑阻尼和外载荷的作用，无阻尼的运动方程为

式中：M为质量矩阵；K为刚度矩阵；¨q为加速度向量；q为位移向量。

由柔度矩阵I=K-1得到

令位移有

式中：A为位移幅值矢量；λi为各阶振动频率；t为时间；θ为振动的相位。

加速度为

将柔度矩阵I和质量矩阵M的矩阵形式展开，得到

式中：γmn=kmn-1;mn为第n个自由度的质量。

将式（3）和式（4）代入式（2），得到频率方程：

式中：E为单位矩阵，求得λi则为特征值，即结构的固有频率。

1.2 瞬态分析原理

在进行模态分析的基础上进行瞬态分析，可得到结构的振动响应。瞬态计算是对结构施加随时间变化的作用力或位移载荷，得到一段时间内结构的振动响应的计算方法。ANSYS提供了中心差分法和Newmark时间积分法两种求解方法，其中中心差分法是基于LS-DYNA的显示动力学分析方法，不适用于本模型计算。本模型选取Newmark时间积分法[9]，是基于ANSYS的隐式动力学分析法。瞬态求解是基于有阻尼的运动方程进行求解：

式中：C为阻尼矩阵；6)q为速度向量；F(t）为随时间变化的外激力。

Newmark时间积分法基于以下假定：

得到有效刚度矩阵：

对其进行三角分解：

式中：L为单位下三角矩阵；D为对角矩阵。

之后进行迭代计算，先计算t+Δt时刻的有效载荷：

为得到t+Δt时刻的位移，求解以下方程：

得到t+Δt时刻的加速度和速度：

2、OPA平台的有限元建模

根据SACS软件中的平台模型进行建模，其中平台主要包括3层甲板：最上层为上层甲板，主要放置4台透平机；最下层为下层甲板，放置21台小型注水泵；中层为生产甲板，本文主要研究的注水泵系统的所在区域。图1所示即为SACS软件下的平台模型。

图1OPA平台的SACS模型

甲板采用板梁单元建模，板采用Shell181单元，梁采用Beam188单元。由于甲板结构均为焊接形式，因此板与梁之间为全约束。甲板的尺寸、材料特征数和节点坐标等参数均由已有的SACS模型导出，根据实际板梁位置建立模型。在生产甲板与平台立柱连接的地方设置为铰接，约束甲板节点的平动位移，从而确定生产甲板的边界条件。

机座建模采用Shell181单元建成不同厚度的板结构。机座底面与甲板固定在一起，将机座与甲板上接触的面设置为面与面接触对，表面约束条件采用绑定约束，使机座与甲板接触的面始终不发生相对位移。

注水泵结构分为3个主要部分，即驱动电机、离心泵和密闭管道。本文主要分析注水泵运转对周围结构的振动影响，因此将注水泵结构做简化处理，采用Mass21单元模拟驱动电机、离心泵和密封管道。使用刚性域耦合质量点与机座上节点的位移实现质量点的重力、激振力向机座的传递。

划分完网格后一共有42764个单元。建立的ANSYS模型如图2所示。

图2ANSYS建立的生产甲板与基座模型

图3(a）给出了生产甲板的边界条件，从左到右依次为1号～5号注水泵。图3(b）给出了注水泵简化为质量点与基座之间刚性域的连接形式。注水泵系统结构各部分质量如表1所示。

图3生产甲板模型

表1注水泵系统质量分布

3、生产甲板结构静力分析

在对结构进行模态分析前，需对结构进行静力分析。静力分析不需要考虑结构的阻尼和惯性的影响，只需要考虑重力和不变的静载荷，由于本研究不涉及大变形等问题，因此静力分析采用线性分析的方法。

如表1所示添加质量，在进行静力分析时只考虑重力载荷（包括甲板自身的重力和注水泵系统的重力载荷），重力方向为竖直的z向，按照图3(a）中施加的边界条件进行计算，整体甲板的静力变形情况如图4所示。

图4生产甲板静力变形云图

由图4可知，甲板结构最大静变形为0.0209m，在生产甲板的北部边缘。在注水泵布置的范围内，甲板结构最大静变形小于5mm，注水泵处甲板变形量较小。

由于主要研究注水泵系统对生产甲板的影响，因此，取注水泵系统周围的局部生产甲板作为主要研究对象，得到局部模型如图5所示。

图5局部模型

4、生产甲板结构模态分析

4.1 整体模型的模态分析

对结构进行模态分析，提取前24阶模态，得到甲板各阶固有振动频率如表2所示。

表2整体模型各阶固有频率

已知注水泵驱动电机的转速为3000r/min，即工作频率为50Hz，而甲板整体结构的固有频率偏低（前24阶小于10Hz），远离注水泵的工作频率（二者差异远大于20%），因此，就生产甲板整体结构而言，不会产生共振。

4.2 局部模型的模态分析

选取注水泵周围局部甲板作为局部模型进行分析，在甲板截断位置分别处理为铰支边（左）和固支边（右），对比两种约束条件的模态分析结果，分别给出前8阶结果如表3所示。

表3局部模型铰支与固支的固有频率

由表3可知，考虑固支条件局部模型的固有频率普遍大于考虑铰支条件局部模型的固有频率。边界条件对局部模型的低阶固有频率影响明显，但随着模态阶数的增加，边界条件的影响越来越小，到8阶时，二者的差异小于3%。就固支边模型而言，前8阶的固有频率最大为10.376Hz，与注水泵工作频率50Hz相比，相差较远（二者差异远大于20%），因此不会发生局部共振。

5、局部模型的瞬态分析

5.1 振动载荷

在模态分析的基础上对生产甲板进行注水泵系统激励作用下的瞬态分析，激励力的作用点选在质量点上。所有的动态载荷均以简谐载荷进行施加，载荷频率为驱动电机工作频率（50Hz），施加的载荷形式为

式中：P为往复式机械载荷幅值；λt为工作频率；θ0为初始相位；F(t）为注水泵工作时产生的载荷。

计算工况采用1号～4号注水泵系统运行、5号注水泵系统停机的状态。根据1号～4号注水泵系统实际运行参数，得到进行瞬态分析的振动载荷幅值如表4所示，其中ux表示水平方向，uz表示竖直方向。

表4注水泵系统振动载荷幅值

5.2 局部模型瞬态分析

同时考虑1号～4号注水泵正常工作，并假定为同相位。对其质量点处施加外激励。施加外力并求解，计算时间设为10s，计算步长设为0.002s，对结构进行局部计算。

5.2.1 z（垂直）方向振动响应

模型采用笛卡尔坐标系，计算5000个载荷步，提取9470个节点数据，得到局部模型z方向的甲板振动响应，分布如图6所示。

图6z（垂直）速度与加速度分布云图

图6(a）中：由左到右依次为1号～5号注水泵，速度较大的点主要分布在注水泵基座周围，最大速度点在3号与4号注水泵之间的甲板位置，其余速度较大的点主要分布在1号和2号注水泵驱动电机处。图6(b）中：最大加速度也是在3号与4号注水泵之间基座与甲板接触点附近，另外在1号注水泵和2号注水泵处也存在部分超过规范的加速度点。

瞬态校核依据ISO6954-2000《机械振动客船和商船可举行振动测量、报告和评定导则》标准和挪威船级社（DNV）疲劳规范，将提取的9470个节点按规范进行校核，发现有771个节点超出ISO规范要求的286mm/s2。z方向计算结果如表5所示，其中：“-”表示没有相应的规范值；0表示所有节点均满足规范。

表5z（垂直）方向振动响应

图7最大加速度节点时间历程图

5.2.2 x（水平）方向振动响应

模型采用笛卡尔坐标系，计算5000个载荷步，提取9470个节点数据，得到局部模型x方向的甲板振动响应，分布如图8所示。

图8x（水平）速度与加速度分布云图

速度较大的点主要分布在1号注水泵附近，最大有效值为0.375mm/s，整体速度都比较小。加速度较大的区域主要集中在1号注水泵驱动电机附近，最大加速度有效值为110mm/s2；但整体加速度符合ISO规范。表6给出x方向的计算结果，0表示所有节点均符合规范要求。

表6x（水平）方向振动响应

6、结论

(1）对整体模型结构和局部模型结构进行模态分析，甲板低阶模态的固有频率较小，远离发电机的工作频率，不易产生共振。

(2）基于局部模型进行振动响应速度瞬态分析，速度分布较大的区域主要分布在注水泵系统驱动电机与甲板连接部位，OPA平台生产甲板整体满足ISO和DNV速度规范，不需要考虑其疲劳问题。

(3）基于局部模型完成振动响应加速度瞬态分析，加速度分布较大区域主要集中在3号与4号注水泵之间及1号和2号注水泵驱动电机附近，OPA平台生产甲板注水泵驱动电机与甲板连接部位部分区域存在较大加速度点。

(4）注水泵引起的甲板结构振动在z方向个别部位加速度超出规范。但计算结果与实际结果存在一定差异：(1)模型中的载荷传递途径与实际有差异；(2)激振载荷大小与实际载荷有区别；(3)建模过程中做了部分简化，特别是本计算采用局部铰支模型，计算出来的结果偏于保守。