海洋平台动力响应及模态参数辨识

振 动 与 冲 击 第 25 卷第 4 期JO U R N A L OF V I B R A TION A ND SH OC KV ol 25 N o 4 2006 C 海洋平台动力响应及模态参数辨识 收 稿日期 2005 07 17 修改 稿收到日期 2005 08 26 第 一作者 陆建辉 男 博士 教授 1960 年 1 月生 陆建辉 李玉辉 付 方 中国海洋大学工程学院 青岛 266071 摘 要 根据 C 平台的设计资料 应用 A NSY S 大型有限元软件对平台进行有限元建模 考虑平台服役海域环境 条件及平台设计标准 采用 JO NSW A P 谱描述随机波面 应用 M ori son 方程描述作用在平台桩腿上的波浪载荷 评估了平 台振动水平 确定 y 方向为主振方向 应用随机减量技术提取平台特征节点处的自由振动衰减信号 较正确地识别出平 台 6 阶固有频率 同时识别出相应的模态阻尼比系数 关键词 海洋平台 随机振动 动力分析响应 参数辨识 中图分类号 O32 P731 2 文献标识码 A 0 引 言 模态参数是结构系统动力响应分析 故障诊断以 及结构动力参数修改和优化设计的理论依据 而模态 参数的辨识则是模态分析中的重要任务之一 模态参数识别有频域法和时域法之分 频域法有 最小二乘拟合圆法 非线性加权最小二乘法 直接偏导 数法 Levy 法 正交多项式拟合法 频域总体识别法等 到 20 世纪 80 年代 频域法参数识别的基本原理 技术 实现都已相当成熟 相应的设备得到开发并得到广泛 的应用 频域法是在系统输入已知的前提下进行参数 识别的 在工程实践中 工程结构受到环境激励 如海 洋平台受风 浪 流 地震等的激励 桥梁受风 地震和 车辆激励 这些激励源的输入信号不易于测量得到 因 此 如何只利用响应信号 获得大型工程结构 如飞行 器 海洋平台 核反应堆和桥梁等 在环境激励下的模 态参数 进而通过参数变化的测量实现对大型工程结 构的在线监测和故障诊断就成为摆在工程技术人员面 前的一个课题 发展在环境载荷下的系统参数识别方 法就显得十分重要 从 20 世纪 70 年代起 人们开始研究基于响应信 号的参数识别方法 1973 年 I brahi m 提出了同时用响应 位移 速度 加速度信号的时域模态参数识别方法 由 于需要同时获得三种响应信号 应用不方便 1977 年 Ibr ahi m 对他的方法作了改进 只用位移 速度 加速度 三种响应信号的一种 即可识别系统模态参数 通常称 为 ITD 法 1986 年 Ibrahi m 又提出了省时的 STD 法 使 ITD 法的计算量大大降低 同一时代发展起来的还有 最小二乘复指数法 LSC E 法 多参考复指数法 PR CE 法 1984 年美国 NA SA 的特征系统实现法 ERA 法 另一类时域识别法是时间序列算法 包括 A R 法 A R M A 法等 时域识别法的优点是只使用结构实测的响 应信号 无需 FFT 但当不使用系统脉冲响应函数时 不 使用平均技术 信号的测量噪声剔除成了问题 因此要 对识别模态进行置信检验 如需计算识别模态置信因 子 M CF 或总体模态置信因子 O A M CF 模态形状相 关系数 M SCC 等判别是否为噪声模态 1 2 本研究的对象是某油田 C 海洋平台 根据该平 台所处环境 首先建立 C 平台的有限元模型 研究其 在环境载荷作用下的动力响应问题 在此基础上采用 ITD 法 对平台系统模态参数进行辨识仿真 由于 I TD 法要使用系统自由振动响应信号 采用 Col e 提出的随 机减量法从系统随机响应信号中获得系统自由响应信 号 进而进行系统模态参数识别 1 C 海洋平台有限元模型 C 平台位于渤海湾南部 莱州湾西北部的浅海海 域 离岸约 10km 平台海域高潮位时 平台处的水深约 12m C 平台结构形式为直立式桩腿导管架结构 它 包括一个导管架 四根桩腿和两层甲板 其中四根桩腿 的外径为 1 400m m 插入海底 58 8m 处 导管架四腿内 径为 1 676m m 桩腿与导管架间分别在标高 11 2m 4m 4m 处设置有径向导向块 3 平台的有限元模 型是根据 C 平台设计单位提供的原始设计资料建立 的 3 5 有限元分析中采用了 AN SY S 单元库中的管单 元 Pi pe59 梁单元 Beam 4 板单元 Pl ane42 平台上层的 建筑物 设备等用质量单元 M ass21 模拟 平台设计总 质量为 2 400t 有限元模型总质量为 2 420t 根据油田 设计院提供的 C 平台周围水域情况调查报告数据 考 虑平台桩腿周围有 3m 的淘深 根据设计计算规范 将 平台按泥面以下 8 倍桩径处固定 即有限元模型中固 定点在平台 25 4m 处 6 7 图 1 为 C 平台有限元 模型 图 1 C 平台有限元模型 2 波浪力作用下动力响应分析 根据 埕岛油田勘探开发海洋环境 对海洋平台的 设计要求 在 C 平台的服役海域 考虑有效波高 H S 3m 特征周期 TS 4 5s 平台所处海域 冬季有较大的 风浪形成 其作用方向 为北偏东 15 波谱采用 JO N SW A P 谱形式 波浪力作用方向示于图 2 图 2 波浪力作用方向 作用在平台桩腿上的波浪力用线性化 M ori son 方 程计算 惯性力系数取 2 0 拖曳力系数为 1 2 波面 可以看作平稳随机过程 其数学描述为 t N i 1 aicos it i 1 t 为随机波面 i 0 2 且均匀分布 作用在单 位长度平台导管架上的随机波浪力为 p z t Du z t u z t M u z t 2 其中 D 1 2 CD D M 1 4 CM D 2 CM为惯性力系数 CD为拖曳系数 为海水密度 D 为 导管架直径 水质点速度 u z t 和加速度 作用在导 管架上的总波浪力为 F t d 0 p z t dz 3 应用 A N SY S 的瞬态分析模块 对 C 生活平台进 行时程分析 可以求出各节点在随机波浪力作用下的 位移响应 图 3 是 A 桩标高为 21 5m 处 x 轴方向上的 位移响应 图 4 和图 5 分别是 A 桩标高为 21 5m 处 y 轴方向上的位移响应和加速度响应 图 3 A 桩标高 21 5m 处的 x 方向位移响应 图 4 A 桩标高 21 5m 处的 y 方向位移响应 图 5 A 桩标高 21 5m 处的 y 方向加速度响应 021振 动 与 冲 击 2006 年第 25 卷 研究表明 y 方向的位移 加速度响应比 x 方向要大 得多 8 y 方向最大位移为 0 019m x 方向位移最大 值为 0 006m y 方向最大加速度最大值为 0 10m sec 2 x 方向最大加速度值为 0 03m sec 2 因此可以认为平 台的主要振害发生在冬季 y 方向上 得出上述结果的 主要原因是冬季 y 方向的波浪载荷比 x 方向大 3 海洋平台模态参数辨识 用数值模拟的方法对 C 平台在环境载荷激励下 进行模态参数辨识 由上分析 在冬季恶劣海况下平 台振害主要发生在 y 轴方向上 考虑冬季海况 模拟 平台 A 桩水面以上标高 21 5m 15 5m 在导管架 上 和 4 4m 在桩上 处测量 得到 x y 两个方向上 在波浪力作用下的桩腿和导管架的位移响应 采样频 率为 100H z 应用随机减量法得到桩腿和导管架在上述 三标高处的自由响应如图 6 所示 图 6 平台 A 桩的自由响应 应用 ITD 法 利用得到的自由响应数据 对平台进 行模态参数识别 识别结果列于表 1 从表 1 中可以看 出 低阶模态频率的识别精度较高 而 5 阶 6 阶的识别 误差较大 图 7 为 x y 方向前二阶振型的识别结果与 用 A N SY S 分析结果的比较 同样 4 阶 5 阶振型的识 别精度较差 主要原因是 1 4 阶 5 阶已不是纯的 x y 方向的振动 2 AN SYS 计算模型中考虑了结构的非 线性因素 因此响应中有非线性成分 对结构自由响应 曲线的精细分析中可以发现曲线并不十分 光滑 实 际中采用加速度测量 易受噪声等干涉 会使得高阶模 态参数的识别变得更加困难 表 1 平台模态参数识别结果 阶次 频率计算值频率识别值 误差 阻尼比系数 M SCC 10 40830 41060 561 940 9764 20 43130 43240 262 350 9813 30 50110 49860 52 640 9817 43 68893 59182 6510 640 9444 53 95473 62938 9617 800 9500 64 89794 351517 247 340 9799 振型比 图 7 平台振型识别结果与理论值比较 4 结 论 1 根据 C 平台的设计资料 应用 A N SY S 大型 有限元 分析 软件 对平 台进 行有 限 元建 模 分 别采 用 A N SY S 单元库中的 Pi pe59 Pl ane42 Beam 4 M ass21 等 单元类型 对模型进行模态分析 得到平台固有频率 和振型等模态参数 这些参数将用于平台振动原因分 析和振动控制研究 2 研究平台在波浪力作用下的动力响应 采用 JO NSW AP 谱描述随机波面 应用 M ori son 方程描述作 用在平台导管架上的波浪载荷 对平台进行动力响应 分析 提取特征 节点处的位移响应 并求 得加速度 响 应 评估了平台冬季发生较大风浪时的振动水平 确定 了 y 方向为主振方向 3 应用随机减量技术提取平台特征节点处的自 由衰减信号 采用 ITD 时域识别方法对平台进行模态 参数识别 识别时采用 A 桩三个标高处的 x y 方向位 移信号 较正确地识别出平台 6 阶固有频率 同时识别 出 6 阶模态阻尼比系数 但对振型的识别精度较差 其 原因一方面是 ITD 时域识别技术识别精度依赖于采用 的信号 对系统高阶模态的识别精度有待进一步提高 另一方面 ITD 法需要求结构系统是线性的 而在 A N SYS 瞬态求解器中考虑了结构非线性因素 因此 模拟 测量数据中包含了非线性分量 致使对振型的识别精 度下降较快 121第 4 期 陆建辉等 C 海洋平台动力响应及模态参数辨识 参 考 文 献 1 Leuri dan J M Brown D L All em ang R J Tim e dom ain param e t er i denti fi cati on m et hods for l inearm odalanal ysi s a uni fying ap proach Journal of Vibrat ion Acousti cs Stress and Rel iabi li ty i n D esi gn 1986 108 1 8 2 Salawu O S D etect ion of Struct ure D am age Through Changes in Frequency a R evi ew Engi neeri ng Struct ures 1997 19 9 718 723 3 路国章 刘镜昆 埕岛二号中心平台非灌浆腿导管架结构设 计 海岸工程 2000 19 1 8 11 4 陆建辉 梅 宁 刘 玲 海洋平台动力模型缩聚 振动工程 学报 2004 17 S 761 763 5 陆建辉 王新宁 结构剪切模型物理参数辫识 振动工程学 报 2004 17 S 768 770 6 LiH uaj un W ang Shuqing Y ang Y onghun W ang Yan Analysi s ofthe Vibrat i on Characterist ics ofan O f fshore Platf orm and Its Vi brat ion Cont rol Chi na O ceanEngineering 2002 16 4 469 482 7 H uang W ei pi ng Jiang Ji tong Yan Younchun Invest igat ion on the Cause of Excessi ve Vibrat i on of Jacket Type Off shore Plat f orm The Proceedi ngs oft he Fi rstAsi an and Paci fi c CoastalEngi neering Conf erence Dal ian U ni versi t y of Technol ogy Press Da hong Qiu And Y ucheng Li Oct ober18 21 2001 624 629 8 陆建辉等 非平稳随机载荷下海洋平台振动半主动控制 振 动与冲击 2004 23 3 107 110 上接第 75 页 图 9 左右及前后方向受地震激励时电路板的最大位移响应 在上述两种加载情况下计算得到的最大应力都出 现在外圈靠近角端的焊点上 因为与内部焊点相比 角 端芯片与电路板之间的相对位移和转角比内部大 同 时说明最外端的焊点受到的载荷较大 容易首先遭到 破坏 这与其他研究者的电路板机械载荷下的结果相 一致 5 左右及前后方向受地震激励时 最大应力所在焊 点中的应力分布如图 10 所示 最大应力出现在焊球下 部 靠近电路板的部位 这是因为电路板的基频比芯片 的基频低得多 在低频激励下电路板变形比芯片大 使 焊球靠近电路板的部位拉压幅度较上部大 其应力自 然就大 a 左右 b 前后 图 10 左右及前后方向受地震激励时最大 应力所在焊点中的应力分布 从有限元分析的结果来看 焊点的最大应力为 20 55M Pa 出现在电路板安装在基频为 9 319 7 H z 的 机柜上 机柜受前后方向地震载荷激励的情况 焊点 的屈服应力在室温下一般为 30M Pa 左右 6 说明分析 的电路板安装在本文模拟的机柜中 焊点可以承受最 严重的地震 3 分析及结论 本文根据 N EBS 的要求 建立了基频分别为 5H z 7H z 和 9H z 的三个机柜有限元模型 把电路板分别插 入不同基频的机柜 计算得到了焊点在地震载荷激励 下最大应力响应随激励频率变化的曲线 从计算结果来看 当载荷的方向垂直于电路板平 面时 焊点应力最大 如果机柜在垂直于电路板平面方 向的最低频率与电路板的基频接近 会使振动放大效 应更加显著 从而导致焊点应力大大增加 所以为了 减小