冯 琦， 郑 伟， 赵丕东， 郭培军

(1. 上海宏华海洋油气装备有限公司， 上海 201206； 2. 大连船舶重工集团有限公司， 辽宁 大连 116006)

平台上层建筑局部振动预防方法研究

冯 琦1， 郑 伟1， 赵丕东2， 郭培军1

(1. 上海宏华海洋油气装备有限公司， 上海 201206； 2. 大连船舶重工集团有限公司， 辽宁 大连 116006)

介绍了一种针对平台上层建筑局部振动的预报方法。以宏华海洋研发的一型自升式多功能支持平台为例，利用有限元法，预报其上层建筑局部振动。预报中除考虑了常规主机及推进器激振频率外，还考虑了泥浆泵及大型风机的影响。通过计算发现了上层建筑结构多处局部结构固有频率位于激振区间内。通过结构修改，改良了局部振动性能，预防了共振的产生，达到了预期目标。

有限元法 平台 上层建筑 局部振动预报 结构优化

1 引言

平台上层建筑(生活楼)区域是平台工作人员主要的工作休息场所。过度的振动及噪声会使船员感到不适，产生疲劳，甚至影响身体健康。同时，振动会影响船上设备、仪表的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命。而且，振动会使高应力区的平台结构等出现疲劳损坏。因此，控制平台上层建筑的振动具有重要意义。

和船舶类似，平台上层建筑的振动也分为整体振动和局部振动，本文关注局部振动。局部振动是由各种激振源(如主机、辅机、泥浆泵等)激励引起的上层建筑局部板、板格、板架等的振动。当前，平台上层建筑设计时一般仅考虑强度要求。有特殊需求时，会利用经验公式[1](如CCS[2]、DNV[3]相关预报方法, GL局部振动计算软件Loc Vibs)对相关影响区域振动情况进行预报。但该方法计算公式存在大量简化，且计算仅仅能对矩形板及板架进行计算，存在较大局限性。一旦实船测试中出现振动过度的情况，只能被动补救，导致大量的返工，增加成本。如某型30 000 t散货船就出现过上层建筑局部振动过大问题[4]。

本文将以我公司设计的一型自升式多功能支持平台为例，利用有限元法进行上层建筑局部振动特性预报。再参照文献[2]中船舶及平台振动控制主要途径内的调频方式，修改结构后进行二次预报，如此循环直到结构局部振动满足要求。

2 平台上层建筑局部振动激励源分析

算例平台主要设计参数如表1所示。

表1 算例平台主要设计参数 单位：m

局部振动的激励源种类繁多，主机、辅机、泥浆泵、推进器及大型风机等设备是主要激励源。通常，波浪由于周期较大，激励频率远小于上层建筑局部固有频率，同时脉动风压对上层建筑局部共振也几乎没有影响，因此本次计算中不予考虑。本算例的激励源如表2所示。

表2 主要激励源

3 平台初始局部振动预报

3.1 局部振动预报方法

平台上层建筑的局部振动预报一般分两步走。首先是先进行局部结构的固有频率计算，如果计算频率和激振源频率相近，再修改结构调整固有频率，或者再通过强迫振动响应计算出关注节点响应速度及加速度。对比ISO6954-2000(GBT7452-2007)《机械振动客船和商船适居性振动测量报告和评价准则》要求，对结构振动性能进行评价，最终完成局部振动特性的预报。

3.2 计算的理论依据

上层建筑的局部振动实际上由多个振动源的振动耦合而成，其控制方程为

首先计算结构本身固有频率时，控制方程中C不考虑，该问题即是求[K]{φ}λ=[M]{φ}的特征值问题。有限元计算的核心是模型刚度和质量的正确模拟。其次，进行强迫响应计算，一般而言，主机、推进器等激励作用是谐和变化的，可以用模态叠加法求，对控制方程中X起主要作用的是振动的前N阶振型，即

式中：[φ0]为振型矩阵；{x}为时间函数列向量；此方程最终可分解为N个相互独立的方程，可以最终求出X。

3.3 模型处理及质量分布

通过较为精确的模型可以模拟结构刚度。我们采用MSC.Patran&Nastran对模型进行建模及计算。由于计算对象为整个上层建筑区域，考虑上层建筑下端较为真实合理的约束，因此模型范围从主甲板下1 000mm至上层建筑顶部。利用shell及beam单元模拟，板单元大小为1/4肋距1/4纵骨间距。在结构精确建模的基础上，通过调整材料密度的方式，实现模型质量及重心与实际统计结构质量及重心一致。对于非结构的附属质量进行如下处理：集中质量采用点质量模拟，非集中质量在投影区域施加均布载荷。围壁板不施加附加质量。模型下端采用简支约束。

整个上层建筑计算模型如图1所示。

图1 上层建筑计算模型

3.4 上层建筑结构频率预报

3.4.1 局部结构频率预报[5，6]

一般来讲，结构在低阶频率下共振会有较大影响，在高阶频率时，其振动的阻尼较大，一般不会引起结构的共振，故预报仅考虑一阶固有频率影响。

应用软件模态计算模块进行计算，本文分别对上层建筑罗经甲板层、第二层甲板层、第一层甲板层结构进行预报。计算发现罗经甲板层甲板板、纵向右舷距中1 500mm围壁、第二层甲板层甲板上多处集中载荷位置(应急发电机安装位置、驾驶台、电池间、医疗设备安装位置等)、距中3 610mm围壁等结构局部固有频率都在推进器叶频22.9Hz的共振频率区间，具体如表3所示。第一层甲板层所有结构都避开了推进器叶频的共振影响区。(根据CCS《船上振动指南》要求，对上层建筑保留10%～15%余量，本文取15%。)

表3 上层建筑局部振动预报详情 单位：Hz

3.4.2 计算结果分析

利用有限元法，可以快速有效地预报出平台上层建筑局部结构固有频率，针对各种不规则形状板、板格及板架都能得出较为精确的结果。对比发现，原始设计中存在较多板架固有频率位于可能共振的频率区间内，需要进行强迫振动计算，或者修改结构调整频率。本文采用第二种方法处理。

4 上层建筑结构优化及局部振动预报

针对计算发现的共振影响结构区域，采用增大型材规格以及增加T型材的方法，同时加强了局部结构形式，并再次通过有限元计算，计算结果(见表3)显示新的固有频率可以合理避开共振源共振影响频率。表4中所列几个典型位置的结构修改前后的振型图如图2～图6所示。

表4 上层建筑结构修改后局部振动预报详情 单位：Hz

图2 罗经甲板层甲板位置1修改前后振型图

图3 罗经甲板层1 500侧壁位置1修改前后振型图

图4 第二层甲板层甲板位置1修改前后振型图

图5 第二层甲板层下3 610 S位置1修改前后振型图

图6 第二层甲板层下3 610 P位置1修改前后振型图

5 结论

(1) 利用有限元方法，可以快速有效地对平台上层建筑(生活楼)局部振动特性进行预报，相对于传统的经验计算方法，适应面更广，精度更高。

(2) 相对于传统船舶类上层建筑的预报，本文涉及的激振源种类更多，并考虑了多个大型风机及泥浆泵的影响。

(3) 模型质量模拟，综合运用了密度调整和质量点调整的方法，但未考虑附属构件(如天花板、甲板敷料等)对甲板刚度的贡献作用，仅计入其质量。所有文中计算出的固有频率比实际固有频率略低，会有额外的安全余量。

[1] 马广宗，蔡承德，虞铣辉.船舶振动基础与使用计算[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2] 中国船级社.船上振动控制指南[S].2000.

[3] DNV. Prevention of Harmful Vibration in Ships[S]. 1983.

[4] 李卫华，许晶.30 000 t散货船上层建筑有害振动的分析及评估[J].上海造船，2010，4：11-16.

[5] MSC.MSC Nastran 2003 Linear Static Analysis User’s Guide [S]. 2003.

[6] 李兵，寻正来.大连远洋教学实习船有限元振动分析[J].船舶设计通讯，2006,6:33-38.

Studies of the Prevention Method on Local Vibration of Jack-up Superstructure

FENG Qi1, ZHENG Wei1, ZHAO Pi-dong2, GUO Pei-jun1

(1. Shanghai Honghua Offshore Oil & Gas Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206， China;2. Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd., Dalian Liaoning 116006， China)

A prevention method on local vibration of jack-up superstructure is introduced in this paper. Finite Element Method (FEM) is used to predict the superstructure local vibration of a multi-function jack-up platform which is designed by Honghua Offshore. Besides the vibration effect of the main engines and thrusters, mud pumps and high-power fans are also taken into account. The calculation results show the natural frequencies of some local structures are close to that of the vibration sources. In order to avoid the resonance, the local structures are optimized and FEM calculation proves the method in this paper can make the natural frequencies acceptable in the superstructure.

Finite Element Method(FEM) Platform Superstructure Prevention on local vibration Structure optimize

江苏省自然科学基金项目“自升式多功能服务平台研发”(课题编号：BK20130399)。

冯 琦(1978-)，男，工学博士。

P752

A