海洋平台上层建筑振动传递仿真及试验研究

张彤彤，陶 沙，吴 健

（1.船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

定常结构发生刚度、质量、外形等突变时，会引起结构的阻抗失配和振动波形的转换、反射和透射，抑制振动波的传递。船舶结构中存在大量几何外形突变的结构，在振动波的传递路径上可以起到隔振的作用。文献[1]从能量理论角度简要介绍了振动沿非均质结构的传播和波形转换，表明船体构件中振动波能量的损失主要是由结构方面的原因造成的。Cremer等[2]采用波动理论叙述了振动波波形转换方式。计方等[3-4]基于波动理论对几种典型组合板型式的连接结构中振动波传递和隔振性能进行了理论分析，并以此指导基座的设计。车驰东等和朱瑞仪[5–6]基于转角模型，通过理论和有限元仿真的方法，对转角参数、转角处阻振质量以及多级转角对振动的抑制作用进行了研究，并通过试验进行验证。本文以某海洋平台上层建筑为对象，通过仿真计算和试验，对实际工程结构中振动经过典型连接结构后的隔振量进行了分析。

1 典型连接结构的隔振量

1.1 “L”型连接结构的隔振量

“L”型结构是船舶海洋结构中经常出现的典型连接型式之一，如图1所示。

图1“L”型连接结构

“L”型结构的两部分为刚性连接，弯曲波从结构1入射，在连接点产生透射和反射，产生反射回结构1和透射到结构2中的弯曲波、纵波和近场波。在中低频段，结构振动以弯曲波为主，结构2中的弯曲波可以通过结构1 的弯曲波幅值和一个透射系数τBB来表示。透射系数τBB表征了透射到结构2 中的弯曲波携带能量与结构1 中弯曲波能量的比值，可以用来衡量这种连接结构型式的隔振性能。

对于“L”型结构，有：

其中：

对于低频段，当频率趋于0时，有：

定义隔振量为

则“L”型结构弯曲波的隔振量为

1.2 “T”型连接结构波动特性

“T”型结构也是船舶海洋结构中经常出现的典型连接型式之一，如图2所示。若结构1有弯曲波传入，则在连接处发生波的反射和透射，在结构2和结构3中也产生相应的波。同“L”型结构一样，弯曲波从结构1分别透射到结构2和结构3的透射系数：

对应的隔振量有：

图2“T”型连接结构

2 研究对象

本文的研究对象为某海洋平台上层建筑，安装于平台主甲板之上。此上层建筑共2 层，主体框架为工字钢组成的梁柱结构，甲板为加筋板，四周的立板为波纹板，如图3所示。平台作业时，平台下方机械产生的振动会通过钢结构框架传递到上层建筑，但在振动传递的过程中，会因为结构截面不适配、结构形状突变等造成振动波波形转换和振动衰减。本文以上层建筑的框架结构为对象，对振动在框架中的传递进行了分析。

图3 海洋平台上层建筑模型

选取上层建筑中的Q5框架，如图4所示。选取框架根部的P1 点为激励点，施加垂向载荷，点A1、A2、A3、A4、A6、A8为振动参考点，探究从激励点到参考点的振动传递特性。

图4 上层建筑Q5框架

3 仿真模型分析

在有限元仿真软件ABAQUS6 14中建立上层建筑的模型，该模型长31.25 m，宽12 m，高7.4 m。模型立柱工字钢腹板高340 mm，厚20 mm，翼缘宽500 mm，厚30 mm；横向框架工字钢腹板高350 mm，厚12 mm，翼缘宽400 mm，厚24 mm；上下甲板均为8 mm 厚的钢板，在纵向有120 mm 高的球扁钢加强筋；四周波纹板厚度为6 mm。模型为全钢结构，计算时取模量为211 GPa，泊松比为0.3。模型纵剖视图如图5所示。

图5 上层建筑模型纵剖视图

模型中框架、甲板和侧壁板采用板单元，甲板上的加强筋采用梁单元。模型根部采用简支约束，计算频段为10 Hz～300 Hz。

4 激振试验

试验时，采用激振机施加横向激励载荷，如图6所示。激振机型号为MB MODAL 110，最大激励力为500 N。采用加速度计对参考点的振动加速度进行测量，获取从激励点到振动参考点的传递函数。加速度计型号为PCB 356A45，量程为50 g，频响范围为0.5 Hz～10 kHz。

图6 激振机激励照片

5 结果分析

由测点布置图4 可以看出，振动从激励点传递到上层建筑低层甲板的路径为A1→A2→A6，其中经过了一个“T”型结构（A1→A2）和一段直线结构（A2→A6）。振动从激励点传递到上层建筑高层甲板的传递路径有两条，一条是A1→A3→A4→A8 路径，其中经过了“T”型结构、“L”型结构和直线结构；另一条是A1→A2→A6→A7→A8 路径，经过了“T”型结构、直线结构、“T”型结构和“L”型结构。在分析振动向高层甲板传递时，以A1→A3→A4→A8 路径作为主要路径进行分析。通过有限元模型计算和试验，对振动从激励点传递到低层甲板和高层甲板在路径上的衰减进行研究，涉及频段为10 Hz～2 000 Hz。

5.1 振动和隔振量曲线

（1）低层甲板传递路径上的振动和隔振量

振动从激励点传递到上层建筑低层甲板的路径为A1→A2→A6，图7、图8 给出了此路径上各参考点在单位激励力作用下的振动加速度级和隔振量曲线。

由图7、图8可知，振动经过一个“T”型结构通过A1 点传递到A2 点，振动有明显衰减；再由A2 点经过直线结构传递到A6 点，振动也有一定程度衰减，但衰减量较小。

图7 A1→A2振动加速度级及隔振量

图8 A2→A6振动加速度级及隔振量

将根据有限元计算得到的振动加速度级与试验数据进行拟合，结果良好，隔振量的计算结果与试验结果的趋势也具有较好的一致性。

（2）高层甲板传递路径上的振动和隔振量曲线

振动从激励点传递到上层建筑高层甲板的路径为A1→A3→A4→A8，图9 至图11 给出了此路径上各参考点在单位激励力作用下的振动加速度级和隔振量曲线。

图9 A1→A3振动加速度级及隔振量

图10 A3→A4振动加速度级及隔振量

A1→A3 为“T”型结构，A3→A4 为“L”型结构，A4→A8 为直线结构。由上图可知，振动经过“T”型结构时衰减量最大，“L”型结构次之，而经过直线结构时的衰减量最小。隔振量的计算结果和试验结果趋势较为一致。

5.2 传递路径上的隔振量

采用振动传递路径上各点在计算频段内的振动加速度级的总级之差作为结构的隔振量，列出两条振动传递路径上振动经过时各连接结构的隔振量，见表1、表2。在振动从激励点传递到上层建筑低层甲板的路径A1→A2→A6 中，根据计算与试验得到的隔振量如表1所示。在振动从激励点传递到上层建筑高层甲板的路径A1→A3→A4→A8 中，根据计算与试验得到的隔振量如表2所示。

表1 低层甲板传递路径上的隔振量

由表2 可知，3 种连接型式中“T”型连接的隔振量最大，“L”型连接次之，直线连接最小，这与半无限结构理论解的趋势保持一致。但是由半无限结构得到的“L”型连接、“T”型连接和直线连接的隔振量都明显小于有限元计算结果和试验结果，这是由于半无限结构中，振动波经过连接处的波形转换透射到之后的结构中，振动波继续向无穷远处传播，无二次反射和透射；而实际结构为多块板和梁的组合，结构中的振动波存在多次的反射和透射，因此连接转角处的隔振量与半无限大结构不同。

表2 高层甲板传递路径上的隔振量

根据有限元计算得到的“L”型连接和“T”型连接的隔振量与试验结果较为接近，偏差均在3 dB之内；而根据有限元计算得到的直线连接的隔振量均明显小于试验结果。这说明，在实际结构中，振动波沿直线传递时，即使传递路径上没有截面的突变，依然存在明显的振动衰减，而这一特点在有限元计算中的体现不明显。经分析认为，造成这一误差的原因是在用有限元进行直线连接结构（甲板）的建模时，仅体现模型的基本几何形态和力学性能，而不能体现实际结构中局部悬挂结构（如管路）、局部加强筋不连续等原因造成的能量耗散，因此有限元计算结果不能完全体现实际直线连接结构的隔振情况。由此可见，若要进一步提高有限元计算的精度，应针对模型中局部质量、局部损伤等因素进行精细化建模。

6 结语

对某海洋平台上层建筑进行了仿真计算和试验分析，分析了振动在上层建筑中的传递路径和隔振量。结果表明：实际有限结构的隔振量均大于基于半无限结构得到的理论解。在上层建筑的常见连接结构中，在振动波透射前后结构抗弯刚度和质量相差不大的情况下，“T”型连接的隔振量最大，“L”型连接次之，直线连接最小。根据有限元计算得到的“L”型连接和“T”型连接的隔振量与试验结果较为接近，而直线连接的隔振量体现不明显。