（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式钻井平台结构振动特性计算与分析.pdf

上海交通大学硕士学位论文：自升式钻赞乎台缝塑塑垫鳖壁盐簦量坌堑 自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 摘要 自升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国海洋石油勘 l 探中使用最多的一种钻井平台，它由船体、桩腿、升降机构及一系列 钻井设备所组成。自升式钻井平台在海上作业过程中曾出现过一些振 动问题。自升式平台仅靠三个或四个桩腿插入海底，随着工作水深的 增加，整体平台刚度变小，自振频率降低，对波浪和风的激振较为敏 感，即使在不发生共振条件下，结构动力响应也可能很大。因此，我 国船舶检验局颁布的海上移动平台安全规则( 1 9 9 2 ) 和中国船级 社的海上移动平台入级与建造规范( 1 9 9 2 ) 均明确要求进行振动 分析，以确定可能出现的平台整体振动和局部振动是否会引起工作人 员的不适；结构破坏或构件失效；结构或构件出现影响平台正常工作 的变形。胜利石油管理局目前正在对海上装备的安全性进行评估，特 别对海洋自升式钻井平台的总体性能和结构强度的安全可靠的专题 立项。本论文的计算分析是该项目的主要内容，因此明确的具有生产 1 背景和工程意义。厂 一 本文以胜利钻井五号平台、胜利钻井七号平台为研究对象，就自 升式平台结构振动特性计算与分析进行了研究和探讨，针对胜利五号 钻井平台、胜利七号钻井平台更换主机后，运用有限元法进行平台结 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 构稳态分析和计算。自升式钻井平台的自振特性计算比较复杂。桩腿 中间有一个很重的平台，而平台上面有桩腿的悬伸部分，悬臂桩腿的 振动和平台振动有耦合影响。本文在参考国内外的参考文献后并对实 际平台结构作简化分析建立了有限元模型。这个模型保持了原平台的 基本振动特性，同时也满足了工程计算的精度。 | 根据计算结果，本文得出了如下结论： 1 胜利五号、七号自升式钻井平台在埕岛海域设计作业条件下 不会出现共振现象，并导致平台结构破坏或失效。 2 胜利五号、七号自升式钻井平台将受到周期性的波浪载荷作 用，虽然波高较小，载荷值远小于设计载荷，但由于其长期作用，因 此将影响桩腿的疲劳寿命。 3 上述平台更换主机，不会导致平台出现严重的局部振动问题 或构件破坏或失效。 本文对该类型平台的设计制造、安全评估和设备更新有指导意 、 义。f r 关键词：自升式平台，结构振动，计算与分析 i i c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nv l b 队t i o nf e a t u r e sf o r j a c k - u prlgs t r u c t u r e s a b s t r a c t j a c k u pr i gi so n e o fm o v a b l eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi s t h em o s tp o p u l a rd r i l l i n ge q u i p m e n ti no f f s h o r ep e t r o l e u me x p l o r a t i o ni n c h i n a ，a n di ti sc o m p o s e do fm a i nh a l l ，l e g s ，j a c k i n gs y s t e ma n dap a c ko f d r i l l i n ge q u i p m e n t h o w e v e r , j a c k u pr i g sa r ef a c e dw i t hs o m ev i b r a t i o n p r o b l e m sd u r i n gd r i l l i n go p e r a t i o n j a c k - u pr i g h a so n l yt h r e eo rf o u rl e g sw h i c hi n s e r ti n t ot h es e af l o o r w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ew o r k i n gd e p t h ，t h er i g i d i t yo ft h ew h o l er i g b e c o m e ss m a l l e r , t h ef r e q u e n c yo fi t ss e l f - v i b r a t i o nb e c o m e sl o w e ra n di t b e c o m e sm o r es e n s i t i v et ot h ev i b r a t i o nc a u s e db yw a v ea n dw i n d ，s ot h e s y m p a t h e t i c a l l yd y n a m i c a l v i b r a t i o n m a yb el a r g e e v e nn o tu n d e rt h e r e s o n a n c ec o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，( ( t h es e c u r i t yr e g u l a t i o n so fm o v a b l e p l a t f o r m a n d t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o n s t r u c t i o n r e g u l a t i o n s o f m o v a b l ep l a t f o r m ) ) p r i n t e db yc c sb o t hr e q u i r ev i b r a t i o n a n a l y s i s t o i i i 圭塑銮望盔兰堡主堂垡堡壅! 旦茎塞笪茎垩鱼堕丝堡垫生堡! 塞墨坌塑 e n s u r ew h e t h e rt h ew h o l eo rt h ep a r t i a lv i b r a t i o nm a ya r o u s et h ep o s s i b l e d i s c o m f o r to ft h e m i s s i o n a r y , t h e d e s t r u c t i o no ft h es t r u c t u r eo rt h e i n v a l i d a t i o no f t h e c o m p o n e n t a sw e l la st h ed e f o r m a t i o no f t h es t r u c t u r eo r c o m p o n e n t w h i c h m a y a f r e c tt h en o r m a l o p e r a t i o n o ft h e p l a t f o r m p r e s e n t l y , s h e n g l i o i la d m i n i s t r a t i o ni s c a r r y i n gt h r o u g hs e c u r i t y e v a l u a t i o no fm a r i t i m ee q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h eg e n e r a lp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h e j a c k u pr i g s t h e c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i si nt h i sp a p e ri st h ek e y c o n t e n tt ot h i si t e m ，i th a s e x p l i c i tm a n u f a c t u r i n gb a c k g r o u n da n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c eb e y o n d a l ld o u b t i nt h i s p a p e r , w et a k es h e n g l i n o 5 p l a t f o r m a n d s h e n g l i n o 7 p l a t f o r ma st h es u b j e c tf o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，s t u d y i n gj a c k u pr i g s t r u c t u r ev i b r a t i o nf e a t u r e s a n db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w e c a l c u l a t ea n da n a l y z et h e s et w o r i g ss t r u c t u r a ls t a b i l i t ya f t e rr e p l a c i n gt h e m a i ne n g i n e s t h ec a l c u l a t i o no ft h es e l f - v i b r a t i o nf e a t u r e so ft h e j a c k u p r i g si sc o m p a r a t i v e l yc o m p l e x t h e r ei sav e r yh e a v yp l a t f o r ma m o n gt h e l e g sw i t ht h es u s p e n s i o np a r to f t h el e g s o nt h ep l a t f o r m ，s ot h ev i b r a t i o n o ft h el e g sa n dt h ep l a t f o r mm a y c o u p l ew i t he a c ho t h e r a f t e rr e f e r r i n gt o t h el i t e r a t u r eb o t hd o m e s t i ca n da b r o a da n d s i m p l i f y i n gt h e a c t u a l r i g 、 s t r u c t u r e ，t h i sp a p e rs e tu par a t i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h i sm o d e l b o t hr e t a i n st h eb a s i cv i b r a t i o nf e a t u r e so ft h eo r i g i n a lp l a t f o r ma n df u l f i l l s t h ep r e c i s i o no f t h ee n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n v 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分 斤 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h ec a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e rb o i l sd o w nt o t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 、 s h e n g l i n o 5a n dn o 7 j a c k u pr i g s w i l ln e i t h e ro c c u r r e s o n a n c ew h e nw o r k i n go nt h ec o n d i t i o no fc h e n g d a os e aa r e a ， n o rr e s u l ti nt h es t r u c t u r ed e s t r u c t i o na n di n v a l i d a t i o no ft h e p l a t f o r m 2 、 s h e n g l in o 5a n d n o 7j a c k u pr i g sw i l ls u b j e c t e dt or e c u r r e n t w a v el o a d ，a l t h o u g ht h ew a v e h e i g h t i ss m a l la n dt h el o a dv a l u ei s f a rb e l o wt h ed e s i g n e dl o a d ，b u td u et oi t s l o n gf u n c t i o n ，i tw i l l a f r e c tt h ef a t i g u el i f el e n g t ho f t h el e g s 3 、i ts e e m st h a ts e r i o u sp a r t i a lv i b r a t i o no rt h ed e s t r u c t i o na n d i n v a l i d a t i o no ft h ec o m p o n e n tw i l lo c c u ro ns h e n g l in o 5a n d s h e n g l i n o 7j a c k u pr i g sa f t e rt h e r e p l a c e m e n t o fm a i n e n g i n e t h i sp a p e rc a nb eu s e da sg u i d a n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ， s a f e t y a s s e s s m e n ta n de q u i p m e n tu p d a t eo ft h i sk i n do fj a c k - u p d r i l l i n gr i g s k e yw o r d s ：j a c k - u pr i g ，s t r u c t u r ev i b r a t i o n ，c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s v 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井 ! f 台结塑堡垫壁丝盐篁量坌堑 第一章绪言 1 1 自升式钻井平台在海洋油气勘探开发中的作用和发展 自升式钻井平台因为其具有工作水深范围大，工作稳定，海上适应能力强， 效率高，可在各种各样的海况下持续工作，用钢量少，造价低的特点，被广泛用 于海洋油气的勘探与开发。 自1 9 5 4 年第一座自升式平台建成以来，自升式平台技术迅速发展，6 0 年 代末，自升式平台的工作水深已达到9 0 米以上。到7 0 年代末，自升式平台数量 迅速增加，占移动式钻井装置的5 0 。由于海上“丛式”钻井技术的发展，平台 技术也有所创新，研制出悬臂梁式平台。到8 0 年代，自升式平台所占比重继续 增大，1 9 8 5 年占移动式钻井装置的6 0 ，工作水深已达到1 3 7 1 6 米，桩腿长度 为1 8 3 米。自升式平台在世界各大海上油田几乎都有应用，可以说，自升式平台 在国内外海洋石油的勘探与开发工程中，发挥了非常重要的作用。 我国海上油田的勘探开发起步于7 0 年代，经过二十多年的探索和努力，建 成了渤海湾油田、东海油气田和南海油田等三个初具规模的海上油田，在这些海 上油田的勘探、开发过程中，都使用了自升式钻井平台。尤其是渤海湾油田，水 深范围和地质条件特别适合自升式平台，该油田海上钻井和修井作业主要依靠自 升式钻井平台来完成。渤海石油公司自7 0 年代以来，建造和购买了渤海1 至1 2 号共1 2 条自升式钻井平台。胜利油田自1 9 9 0 年先后购买了胜利5 至9 号5 条自 升式钻井平台和胜利作业l 号1 条自升式修井平台。东海油气田拥有勘探2 号自 升式钻井平台，南海油田也拥有南海1 号和南海3 号2 条自升式钻井平台。目前， 我国共有2 0 多条自升式平台，占我国移动式平台的7 0 以上。由此可见，自升 式钻井平台在我国海上油田的勘探开发中，发挥了重要作用，占据着非常重要的 地位。 我国自7 0 年代开始使用的自升式平台，有两部分，一部分自行设计、建造， 一部分从国外引进。二十多年来，尽管积累了许多宝贵的实践经验，但在基础研 究，设计、建造工艺、检验和使用等方面经验并不多，总体距国外水平还存有比 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结塑堡塾赞壁盐簦墨坌堑 较大的差距。 1 2 自升式平台的基本型式与操作过程 自升式平台通常为单甲板箱形结构，甲板平面形状有三角形、矩形、和五角 形，一般与桩腿的数目相对应，分别为三腿、四腿和五腿。通常，三腿、四腿比 较多。 自升式平台的总体性能和主尺度与其基本型式是密切相关的。自升式平台基 本型式和操作状况有许多独自的特点，结合我国现役自升式平台的情况，先对其 型式作简要的描述、说明。 1 2 1 自升式平台的基本型式 自升式平台有多种结构型式，一般按平台主体的形状、桩腿的数目、升降装 置的类型划分。 l 、自升式平台的主体 我国自升式平台的主体形状基本上有两种，既三角形和矩形。 一般主甲板上布置各种较大型设备，生活设施和工作场地。布置于甲板上的 设备有柴油发电机组、井架、绞车、泥浆泵、钻杆堆场、吊机及锚机等。 甲板下箱形体内主要布置各种舱室，比如：燃油舱、淡水舱、压载舱、泥浆 舱以及泵舱等。也有将主柴油发电机组、泥浆泵布置在箱形体内的。图l 一1 给 出了某插桩自升式平台的基本布置图。 2 、自升式平台的桩腿 自升式平台桩腿的功能是将平台主体撑起并升离海面。一般情况下，它的底 端与海底接触，要插入海底一定深度。 桩腿是自升式平台的关键结构部件，它的型式、数量和大小直接关系到平台 的使用安全，同时也影响平台的造价。 桩腿的型式一般有两种，一种为壳体式，一种为桁架式。壳体式的截面呈圆 形或方形，前一种工作水深通常在7 0 米以下；桁架式的截面形状一般为三角形 或四方形，桁架式结构的特点是能减少所受波浪力，工作水深一般较大一些。 桩腿的底端型式比较重要，一般有三种：插桩型、沉垫型和箱形，使用最多 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 图1 1插桩自升式平台的基本布置图 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 的是箱形。设计时，具体型式和大小要根据工作海域的海况条件而定。我国的南 海一号和勘探二号自升式平台为插桩型，渤海二号和渤海六号自升式平台为沉垫 型，胜利五号、六号、七号、八号和九号自升式平台为大脚箱形型。沉垫型底端 面积最大，箱形次之，选用何种型式一般根据作业区域海底地基选定，地基越软， 选择的桩腿底端面积应该越大，但沉垫型易产生滑移。从使用经验来看，渤海湾 埕岛的海底地质情况比较适合大脚箱形型。 3 、自升式平台升降装置的类型 自升式平台的升降装置实际是一套机械装置，其功能是连接平台主体和桩 腿，使平台主体和桩腿作上下相对运动。 自升式平台常用的升降装置有齿轮齿条式和液压油缸定升式两种型式。 ( 1 ) 齿轮齿条式升降装置升降速度快，工作连续，系统简单，其特点是操 作性好，但对桩腿和升降装置的制造工艺要求高。 齿轮齿条式升降装置又有电动和液压两种，从操作性，保养维护等方面来看， 电动装置优于液压装置。 ( 2 ) 液压油缸定升式升降装置工作平稳，能吸收震动，其特点是工作是间 断的，速度慢，操作麻烦。另外，这种装置还有一条较大的不足，就是由于液压 油缸是有级升降，一旦桩腿入泥深度不同造成平台倾斜，不易调平。 1 2 2 自升式平台的操作过程 移航一就位下放桩腿一预压一起升主体一支撑作业一降下主体一起拔桩 腿一收起桩腿一移航。 1 、移航：自升式平台的移航有两种方式，钻井平台一般采用拖航，有的修 井平台有时采用自航，移航时桩腿全部收起，平台处于漂浮状态，此时平台重心 高，受风面积大及摇摆惯性矩大，对平台的稳性和桩腿的强度影响较大。 拖航分为一般拖航和风暴拖航两种状态，设计拖航要满足完整稳性及结构强 度的要求，并且自升式平台能迅速从一般拖航状态转为风暴拖航状态。 2 、下放桩腿和收起桩腿：此时，平台处于漂浮状态，桩腿在水中的长度在 不断变化，造成平台的重心、浮心和质量惯性矩等也在不断变化，从而使平台的 稳性、摇摆性能和风倾力矩发生相应变化。一般随着桩腿下放，插桩平台和大脚 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算量坌堡 平台的初稳性和大倾角稳性都会改善，沉垫式平台的初稳性改善。 3 、插桩和拔桩：插桩的过程就是将平台由漂浮状态过渡到海底支撑状态的 过程，拔桩的过程就是将平台由海底支撑状态过渡到漂浮状态的过程。 4 、预压：自升式平台一般需要预压，目的是使桩腿的地基所承受下载荷预 先达到或略微超过风暴状态或其它工况中时可能出现的最大轴向力。 预压有两种方法，种是利用平台主体内设置的压载水预压，另一种是利用 平台本身的自重预压。 三腿平台采用压载水预压。四腿平台可利用平台本身的自重，采用对角升船 的方法预压。 5 、撑于海底的站立状态：这种状态有两种情况，一种是正常作业，平台的 载荷为作业载荷，一般比风暴状态的平台载荷大；一种是风暴自存状态，平台的 载荷较小，但风、浪、流环境载荷较大。 1 3 自升式钻井平台的振动问题 1 3 1 自升式钻井平台的振动事故 自升式钻井平台在海上作业中曾出现过一些振动问题。在实际生产环境中， 当风、浪、流或动力设备的运动周期与平台的基本周期接近时，将引起平台的剧 烈振动，产生共振。例如我国引进的9 0 m 水深的自升式钻井平台“渤海4 号”， 在渤海湾2 0 m 水深处钻井时就屡次发生桩腿的风激振动，由于风流引起的桩腿尾 部涡流频率与桩腿扭转频率相近，因而引起较强的颤振现象。对于一些装置，即 使不处在共振状态，由于激励的增大，也可能引起剧烈的振动，甚至影响平台作 业的正常运行。此外，自升式钻井平台的桩腿间无法设置斜撑，所以侧向刚度很 小，在4 0 m 以上水深时；平台基本周期大于三秒，与经常出现的波浪周期一致， 动力影响显著，特别是对于疲劳寿命影响更大，如北海的一个自升式钻井平台 “s e ag e m ”在降落船体准备移位时由于桩腿支撑点破坏而倾覆沉没，经检查在 脆性破坏前已有明显的疲劳裂缝。当自升式钻井平台在9 0 m 深处钻井时，基本周 期为四秒多，这与浅水导管架式平台( 基本周期小于1 秒) 完全不同，因而在疲 劳设计时必须考虑波浪的动力效应，m i n a m i 等在日本海域对4 0 m 水深自升式钻 井平台进行了振动测量和分析，但计算的波浪反应与实测结果差别很大。 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 1 3 2 人体对振动环境的适应标准 一般说，人体对振动环境的适应能力取决于各种因子，其中最为重要有以下 几点，即振动的方向，频率、强度和持续时间等。因此以上述因子为依据，以大 量的试验和实际统计资料为基础，通过工程、力学、医学工作者的合作努力，可 制定出各种标准。如i s o 国际标准以及国内外已有的船舶振动标准等。 由于环境作用于人体的物理响应随着人得姿势而改变，并且伴有生理和心理 的反应的生物变化，从而使振动的安全近似极限在性质上成为统计量，因此通常 将其概括为实用的容限标准，以适应工程需要。 估计人体承受振动的能力的一般指南已经给出了国际标准，这就是人体承受 全身振动的评价标准。它给出了人体承受全身振动时的不同频率、不同振动方向 和不同暴露时间条件下的忍受基准。也就是针对下述各项的极限状态：( 1 ) 保持 健康或安全，称作“承受极限”。( 2 ) 保持工作效率，称作疲劳一功效降低界限。 ( 3 ) 保持舒适，即减低舒适性的界限。图1 2 为人体沿横向承受振动的标准。 由图可见，上述三个界限都是平均每日承受时间的函数，对于每天一分钟的短的 承受时间，其界限最高，而对于每天承受2 4 小时，即连续承受的状态，则界限 最低。将“疲劳一功效降低限”提高一倍。即可求得关于健康和安全的承受界限， 若将“疲劳一功效降低限”除以3 1 5 ，即为保持舒适的界限。 f 至 一 篁 冬 瓷 量 二 、 h 口 一 基 掣 量 il l ! f l l il i 1 y l 6 ii i liii1ml l r i lili j l i1 i 、yy ri l0ii i l j iili 刀y l，、一、r li1 il| ii 1 y iyi ，i 0 6 3i i i | 1 彳，l 7 i l 彳 l 1 lii 1 朋 l r， rl 04 t ， f 无 y jz 、，i 1 i l l 朋y lz z 爿l 叮l 02 5l l 1y ； 7 r l i l i 1li m l n ，1 , l l 一 r x 、，1l i 0 1 6 6 r a f t t ，ll 1 l 彳l i ：i l i i 2 5 m i r 1 一 ， ，一l 1 1 ii 面1i y、z 、zj 1 i li l i l1 i h i i、爿， 1ll f - if 0 0 6 3 一i ilii l 7 ，l 1 - -i fj i il 。ii li2 5 h i ri 彳i if l f i 00 4 广f i 一 7 i 1 1f i1 l11 il 1i 1 1 ”1f ri 1i j忍i llii l 00 2 5 i yi 7 t , i 。暴露彝 受1：用2 桑趣建值( 鬲d b 】 il i i ， f ll 好遥 生j年任：鼹：用31 5 豁加建度值 0 0 1 6 i l 6 k li i ( 鹰，粤 l iit l1 a hp1 ?iii 1fii 疑辈爰1 3 倍颖理的串心颧翠( j 图1 2 人体横向加速度界限元“疲劳一功效降低限” 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 1 4 该论文的工程背景与实际意义 胜利油田现有5 座自升式钻井平台，1 座自升式修井平台和l 座自升式生产 储油平台。另外，各有一座自升式生产储油平台、自升式生活动力平台和修井平 台正在建造。考虑到现役平台已有较长的船龄，船上的构件和各种在设备己经老 化，不安全的因素日益暴露出来，为了保证海上油气生产的安全，胜利石油管理 局设备处对海上大型装备正在进行全面评估，评估的内容包括平台总体性能、结 构及疲劳。因此自升式平台的振动分析是其中的重要内容。 我国船舶检验局颁布的海上移动平台安全规则( 1 9 9 2 ) 和中国船级社的 海上移动平台入级与建造规范( 1 9 9 2 ) 均明确要求对平台的结构进行振动分 析，以确定可能出现的平台整体振动和局部振动是否会引起工作人员的不适；结 构破坏或构件失效：结构或构件出现影响平台正常工作的变形。本论文结合胜利 石油管理局目前正在进行的海上装备的安全性评估，特别对海洋自升式钻井平台 的总体性能和结构强度的安全可靠的专题立项，因此明确的具有生产背景和工程 意义。 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 第二章自升式钻井平台的振动理论与计算方法 2 1 自升式钻井平台振动基础知识 2 1 1 自升式平台自振特性分析 平台振动分析的目的在于确定平台的自振特性和平台结构动力响应，以校 核平台结构的强度和刚度，有时为了简化计算和便于工程的应用，仅计算第一主 振型或前几阶振型的基本自振周期。由此可见，计算平台结构自振周期，已成为 结构动力计算的首要问题。算出结构的自振周期后，可根据平台结构自振周期， 分析与作业区波浪周期发生共振的可能性，确定平台是否应进行动力响应分析。 计算结构自振频率的方法很多，工程中常用的有直接确定法和迭代( 试算) 法。 对于多自由度结构，具有r 1 个质量和n 个自由度体系，因阻尼对自振频率 影响不大，求自振频率时，可忽略阻尼，其运动方程式为 m l j j l + k l t y l + k t 2 y 2 + + k 1 y 。= 0 m 2 j j 2 + k 2 1 y l + 七2 2 y 2 + + k 2 y 。= 0 m 。j ，。+ k t y l + k 2 y 2 + + k n n y 。= 0 式中七刚度系数： ( 2 1 ) y 集中质量的位移。 一个振动体系的主振型的数目与自由度数目相同。与每个主振型相联系的 是自振频率和特征形状( 振型) 。主振型的特点是在某些情况下，体系能够单独 按该振型自由地振动。在单个振型的振动过程中，各个质点的位移保持同样的比 例，即所有可能的位置都是几何上相似的。它可以表示为 y l = a l f ( t ) y 2 = a 2 f ( t ) y 。= a n f ( t ) 式中口各质量位移幅值； ( 2 2 ) 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 i 厂( f ) 对每种情况都相同的时间函数； 将( 2 1 ) 式代入( 2 2 ) 式，得 m l a i ，0 ) + k z 口l 厂0 ) + k , 2 a l 厂0 ) + + k 1 a 。厂( f ) = 0 f 2 口2 ，( f ) + 七2 l 口l 厂( f ) + 七2 2 口2 厂( r ) + + 2 。口。厂( f ) = 0 m 。a 。，( f ) + k 1 口l 厂( f ) + 七。2 a 2 ，( r ) + + 七肌口。厂( f ) = 0 式中，( f ) 厂( f ) 对时间的二阶导数。 整理式( 2 3 ) ，可得 f ( t ) f ( t ) = ( 一t l l a l k 1 2 a 2 ( t ) 厂( f ) = ( - k 2 l c i ，一d 2 ，( ，) 厂( ，) = ( - k 。l a l 一k 2 a 2 一t a ) ( 肘。a 。) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因为( 2 4 ) 式左边均相等，右边必等于同一常数。取此常数等于一0 12 ，则可得 ，( ，) 厂( f ) = 一2 ( 2 5 a ) 或 ，( f ) + c o2 厂( ，) ；0 ( 2 5 b ) 解式( 2 5 ) 得 厂( ，) = qs i n c o t + c 2c o s c o t = qc o s ( c o t + a ) ( 2 6 ) 式中c 。，c ：，c ，均为系数，可由边界条件确定：口为相位角。若式( 2 2 ) 确定的运动 是自振频率为的简谐振动，则对n 个自由度的任意一个主振型均适用。 将式( 2 5 a ) 代入式( 2 4 ) ，整理后可得 ( 七1 1 一m l 2 ) 口l + 毛2 a 2 + + | i l 。a 。= 0 后2 i 口l + ( 七n m 2 c o2 ) 口2 + + 七2 。a n = 0 七。1 口l + 七。2 a 2 + + ( 七m - m 。珊2 ) 口。= 0 当n 的系数行列式等于零时，才有振幅的非零解，可写成 i ( 毛1 一m 。2 ) k 1 2 一k 1 。 l k l2 ( 2 2 一m 2 2 ) 一k 2 。 l k 。lk ( 。一m 。c o 2 ： = 0 9 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 此式即为求甜的频率方程。每个主振型都有一个实根，当七，m 已知时，即可用 此式求出n 个自振频率。 如果用矩阵表示，式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可分别写成 ( 【k 】一，2 彳】d ) d ) = 0 ( 2 9 ) i 刚一2 吖】d f = o ( 2 1 0 ) 式中 k 为刚度矩阵， m 】为质量体系的对角矩阵。式( 2 1 0 ) 的根就是特征 值，即2 。 把一个特定振型的2 值代入方程，即可得到该振型的特征振幅口，口：d ， 这一组振幅就确定了振型的特征形状。 对一般四桩腿自升式钻井平台结构，前三阶振型自振频率数值相差不大， 而从第四振型开始，频率发生跳跃现象，它比第三振型频率大1 0 倍以上。这种 跳跃现象是插桩自升式平台的普遍规律。三桩腿自升式平台也类似。前三阶振型 主要反映桩腿的振动情况，上部船体近似为刚体运动。对第一、第二阶振型，平 台以沿长度、宽度方向的平动为主，而第三阶振型，平台以绕铅直方向的转动为 主。结构的各阶振型如图2 1 所示。 瘌 i 茸口攮 l 图2 1结构各阶振型图 砸砸 碾，砸 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 2 1 2 改善振动的措旃 海上石油钻井平台在其营运过程中，由于剧烈的振动，可能将出现下列一 些有害现象： ( 1 ) 平台结构和机械部件的疲劳破坏： ( 2 ) 影响到机器和设备的正常运转； ( 3 ) 影响到平台上人员正常生活。 对于营运中平台的振动问题，可根据现有的图纸资料进行必要的计算分析 和实地测量，如振动量超过规定允许值，则在实际可行的条件下，采取合适的减 振措施，改善平台的振动特性。对一般平台结构，振动控制的主要途径有： ( 1 ) 减小激励力及其传递； ( 2 ) 调频，改变振动系统的固有频率或激励频率，防止共振的产生： ( 3 ) 增加阻尼，以吸收振动能量，达到减小振幅的目的； ( 4 ) 增加刚度强度，以增强抗振能力； ( 5 ) 对主要设备安装减振器。 2 2 有限元法进行平台结构模态分析的基本原理 随着计算机的发展和数值计算技术的进步，目前平台结构自振频率和振型 的计算，大都用有限元结构分析程序，直接计算各阶频率、振型，并可绘出振型 图。 在用有限元法进行分析时，首先将结构离散成很多单元( 如杆元、梁元、 膜元或板元等) ，通过结点的连接而构成计算模型。在此基础上计算单元刚度矩 阵，再组装成整个结构的刚度矩阵；同时也采用相应的办法( 如集中质量法或一 致质量法) 构成质量矩阵。 在计算平台结构的固有频率时，可不计阻尼的影响，从而将平台振动问题 离散化为多自由度系统的自由振动方程： 瞰埘” 吲 q 】= 0 ( 2 1 1 ) 式中： m 一平台结构经有限元离散化处理后的质量矩阵 豳一平台结构经有限元离散化处理后的刚度矩阵 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 曲】一平台结构经有限元离散化处理后的节点广义位移矢量。 自由振动问题分析归结为求解下列相应的广义特征问题： k 妒) = 脚：【m 】劬) ( 2 1 2 ) 其相应的解为： v t = ( - o k ( k = 1 , 2 ，月) ( 2 1 3 ) 劬 = 劬) t ( k = 1 , 2 ，h ) ( 2 1 4 ) v 。为平台结构的固有频率， 妒) 。为相应的固有振型，”是离散后平台结构的自由 度数。 如前所述，简化系统模型在理论上有无穷多个固有频率，但具有实际意义 的只有几个低阶固有频率及相应振型。 2 3m s c n a s t r a n 程序简介 2 3 1n a s t r a n 程序简介 本课题的计算采用上海交通大学船舶与海洋工程结构力学研究所最新引进 的m s c n a s t r a n 7 0 5 程序和m s c p a t r a n 程序。m s c 是全世界最大的c a e 软件供 应商，其n a s t r a n 程序是世界上功能最全面、应用范围最广泛的大型通用有限元 软件，它可以解决各类结构的强度、刚度、稳定性、模态分析、动力学、非线性、 声学、热分析、流固耦合、气动弹性、优化等问题，且计算速度快，计算精度高， 是世界公认的有限元标准。1 9 9 7 年程序成为中国船级社指定的船舶分析验证软 件( c c s c c1 9 9 7 一1 1 8 附件) 。而p a t r a n 程序是世界公认最好的集几何访问、有 限元建模、分析和数据可视化于一体的框架式软件系统，并提供了开放式用户环 境和d m a p 语言以及与1 0 余种图形软件的接口。在本课题的计算中，将其作为有 限元前、后处理系统。 2 3 2m s c n a s t r a n 处理模态分析的若干特点 n a s t r a n 中提供了两种计算质量矩阵的方法，平均质量法和耦合质量法 一般采用耦合质量法更为精确，本研究采用耦合质量法。以一简单杆元为例， 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台振动特性计算与分析 n a s t r a n 中杆元的平均质量矩阵为 2ooo 000 o1 20 o00 01 1 2 oo o5 1 2 oo ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 本论文中首先用大型有限元程序m s c n s t r a n 分别计算了胜利5 号和胜利7 号两座平台结构总体自振频率，以分析平台在周期性外载荷作用下的共振问题。 然后，利用规范“3 现有的解析公式，讨论机舱位置结构的局部振动问题。 rlli川l 衄 = m 九o n o 一 一 l 似 = ： m 为阵毹血| |质& 口耦而 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 第三章“胜利5 号”钻井平台结构总体自振频率计算 3 。1 平台主尺度及特性 3 1 1 平台几何尺度 平台体：平台体长 总宽 型深 桩井处型深 桩腿：桩腿长 桩腿外径 3 1 2 平台作业特性 平台及设备 钻台及底座 桩腿( 及桩靴) 最大装载量： 钻井水 淡水 燃油 钻井材料 作业条件： 可变载荷( t ) 静水深度( m ) 平台距水面高度( m ) 计算参数： 风暴 9 0 7 2 1 5 2 8 9 1 4 弹性模量： e = 2 0 5 8 1 0 5 m p a 泊松比：“= 0 3 3 9 6 2 7 m 3 0 4 8 2 m 4 1 1 5 m 2 7 4 3 m 4 8 1 6 2 m 2 1 3 4 m 18 0 2 7 4 t 2 7 5 7 4 t 5 9 3 8 1 t 3 8 0 0 桶 9 6 8 桶 1 9 0 0 桶 2 7 2 1 6 t 正常作业 1 2 7 0 0 8 2 5 9 1 7 6 2 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 平台舱室布置图和作业条件图分别见图3 1 和图3 2 。 3 2 平台结构有限元模型的建立 3 2 1 结构简化及有限元模型的建立 实际系统是十分复杂的，完全按其本来面目进行振动分析既不可能，也不必 要。为此，必须建立能代表实际系统的简化的力学模型。这个模型应保持原系统 的基本振动特性，但又不过于复杂。简化的程度取决于原系统的复杂程度、要求 分析的精度以及拥有的计算手段。 胜利5 号平台结构是由平台体、桩架和桩腿( 桩靴) 以及上层建筑等主要 结构组成，考虑到我们仅关心平台的总体振动模态，可以对平台的细节结构作必 要简化。胜利5 号平台体为横骨架式，在建立结构的几何模型时，主要考虑了平 台的纵横向水密舱壁和横向肋骨框架，而将其它一些船体构件及舱壁结构均简化 为相当厚度的板处理，相当厚度是平台板厚度与其上骨材面积平铺在其宽度上的 假想厚度相加所得。横向肋骨也化为相当厚度的扁刚处理。 在d i g i t a l 工作站上，利用m s c p a t r a n 建立几何模型，简化后的几何模 型及总体坐标见图3 3 。考虑到结构的具体特征，有限元计算划分网格时主要 采用板、梁组合模型。主甲板、船底及纵横舱壁主要采用四边形板单元，主甲板、 船底和舱壁结构的有限元网格图分别见图3 4 、3 5 和3 6 。横向肋骨框架和 4 根桩腿采用梁单元进行模拟，并在主甲板、船底和桩腿上设置一定点单元，用 于加载。按此划分，本计算模型共有单元2 1 6 9 个，节点1 8 1 2 个，整个平台结构 的有限元模型见图3 7 。 3 2 2 边界条件处理 载荷边界条件： 考虑船体结构自重，船体舱室内的载重、平台主甲板承重以及其它有关结 构荷重通过在船底和主甲板上相应区域设置若干质量单元( 点单元) 来实现。考 虑平台在风暴和作业两种状态下，装载分别为1 0 0 ，8 0 ，5 0 和2 0 时平台 结构总体自振频率。 位移边界条件： 上海交通大学硕士学位论文：自升式钻井平台结构振动特性计算与分析 考虑到自升式平台在作业状态下通过桩靴与海底接触，在位移边界条件简 化时取桩腿底部为简支，即仅限制桩腿底部的位移。通常取： “，= “。= 虬= 0 ，眭= 0 为了得到最低的自振频率，平台的有效质量中要包括附加质量，这对于那 些高于自振频率的激振频率更为重要。本计算中考虑了桩腿水下部分的附连水质 量的影响，将其均匀分布在水下部分梁单元的相应节点上，单位长度的附连水质 量计