于 強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津300451)

基于ANSYS-Workbench的模塊化絞車(chē)有限元模態(tài)分析

于 強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津300451)

針對(duì)海洋地震拖纜模塊化絞車(chē)，基于Solidworks完成絞車(chē)框架及卷筒三維實(shí)體模型的建立，并將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYY-Workbench，在完成對(duì)絞車(chē)材料的定義并劃分網(wǎng)格后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)計(jì)算得出模塊化絞車(chē)的前六階固有頻率集中在10～40,Hz，絞車(chē)滾筒與其液壓馬達(dá)的工作不會(huì)與其產(chǎn)生共振，通過(guò)對(duì)其振型的分析得出振動(dòng)形變較大區(qū)域?yàn)榭蚣茼敹藱M梁部分及絞車(chē)輪轂邊緣，計(jì)算結(jié)果為絞車(chē)的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)，且對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出了方向性建議。

模塊化 地震拖纜模塊 絞車(chē) ANYSY-Workbench 模態(tài)分析

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類(lèi)對(duì)石油天然氣的需求也逐步增大，海洋石油資源日益成為各國(guó)爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略重點(diǎn)。近幾十年來(lái)我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)突飛猛進(jìn)，海上物探由之前的二維勘探逐步發(fā)展為三維地震勘探，海上采集最初只拖一根安裝有檢波器的電纜逐步發(fā)展為現(xiàn)在足以覆蓋高爾夫球場(chǎng)面積大小的組合拖纜，現(xiàn)在我國(guó)物探船最多可以拖拽12條6,km的電纜，勘探效率也大大提高。[1]但由于物探船數(shù)量較少且更新速度較慢，目前大多物探船作業(yè)量都已飽滿(mǎn)，不能完全滿(mǎn)足人們對(duì)海洋開(kāi)發(fā)的需求，同時(shí)在非物探船上裝備完整的海上地震采集設(shè)備不僅耗資巨大，還需要對(duì)船體進(jìn)行較大改動(dòng)。將海洋勘探地震采集系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分割，必要時(shí)對(duì)符合噪音條件的船只進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝后搭載相應(yīng)模塊，即可進(jìn)行海洋地震勘探作業(yè)。

模塊化絞車(chē)在工作前借助工程軟件例如ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，可以計(jì)算其固有頻率，這樣可以有效避免其在工作中與外界激勵(lì)發(fā)生共振而引起破壞，同時(shí)模態(tài)分析也是對(duì)模塊絞車(chē)后續(xù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。因此在上船作業(yè)前進(jìn)行模態(tài)分析具有重要意義。

1 有限元模態(tài)分析理論

對(duì)于有限個(gè)自由度的系統(tǒng)而言，任何運(yùn)動(dòng)均可由其自由振動(dòng)的模態(tài)組合而成，運(yùn)用有限元進(jìn)行模態(tài)分析就是建立模態(tài)模型并進(jìn)行數(shù)值分析的過(guò)程。[2]

模塊絞車(chē)可以簡(jiǎn)化為無(wú)阻尼自由振動(dòng)模型，運(yùn)用動(dòng)載荷虛功原理可推導(dǎo)出其彈性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，其矩陣形式為：

式中：[M]——結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣；[C]——結(jié)構(gòu)總阻尼矩陣；[K]——結(jié)構(gòu)總剛度矩陣；{δ}——節(jié)點(diǎn)位移矩陣；{p}——結(jié)構(gòu)的載荷矩陣。

在模態(tài)分析中取{p}為零矩陣，忽略阻尼影響，由此可得出模塊絞車(chē)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

其中(2)式為常系數(shù)線性齊次微分方程組，其解的形式為：

式中：ω——振動(dòng)固有頻率；Φ——振動(dòng)初相位。

將(3)式代入(2)式后，便可得到如下的齊次線性代數(shù)方程組：

(4)式中有非零解得條件是其系數(shù)行列式等于零，即：

當(dāng)矩陣[K]和[M]的階數(shù)為n時(shí)，(5)式是2ω的n次實(shí)系數(shù)方程，稱(chēng)為常系數(shù)線性齊次常微分方程組(2)的特殊方程，系統(tǒng)自由振動(dòng)特性(固有頻率和振型)的求解問(wèn)題就是求矩陣特征值ω和特征向量{δ}的問(wèn)題。[3]

2 模塊絞車(chē)有限元模型建立

2.1 三維模型的建立

本文為了避免ANSYS Workbench中建模的復(fù)雜性，選用三維造型軟件Solidworks進(jìn)行實(shí)體建模，同時(shí)為了節(jié)約計(jì)算資源與計(jì)算時(shí)間，對(duì)非重要模型部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，這樣既保證計(jì)算精度也兼顧計(jì)算時(shí)間，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，如圖1所示。

圖1 模塊絞車(chē)模型Fig.1 The model of module winch

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件施加

在ANSYS Workbench中對(duì)模型進(jìn)行材料的選型，材料選用普通結(jié)構(gòu)鋼，框架部分為結(jié)構(gòu)方鋼，絞車(chē)部分為鋼材輥軋焊接而成，按兩部分的裝配方式進(jìn)行接觸類(lèi)型的定義；邊界條件充分模擬其在船上的工況約束，即框架底部與船體進(jìn)行焊接，反應(yīng)到ANSYSWorkbench建模中是對(duì)框架底部進(jìn)行固定即施加Fixed Support，此后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于四面體單元的自適應(yīng)性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)生成，且還能保證相對(duì)較高的計(jì)算精度，故本文選用四面體四節(jié)點(diǎn)單元。模型網(wǎng)格及材料屬性如表1所示。

表1 絞車(chē)模型及材料特性Tab.1 Winch model and material properties

3 模態(tài)分析結(jié)果分析

有限元的模態(tài)分析方法主要有兩種：子空間迭代法(Subspace Method)與蘭索斯法(Block Lanczos Method)，前者適用于求解大型特征值問(wèn)題提取少數(shù)階模態(tài)情況，后者采用稀疏矩陣求解器，較前者更為省時(shí)，且對(duì)病態(tài)矩陣適應(yīng)性好。[4]本文采用蘭索斯法對(duì)模塊絞車(chē)進(jìn)行分析。由于模塊絞車(chē)的低階模態(tài)對(duì)絞車(chē)的振動(dòng)分析有實(shí)際意義，故本文利用有限元軟件計(jì)算求得其前6階模態(tài)(即n＝6)，各階固有頻率如表2所示，表中：n——模態(tài)階次；ω——固有頻率值。

表2 前6階固有頻率參數(shù)Tab.2 The first 6-order natural frequency parameters

利用ANSYS Workbench計(jì)算得出模塊絞車(chē)前6階振型，第1階振型為框架與絞車(chē)沿Y軸方向的整體擺動(dòng)振型，最大形變發(fā)生在絞車(chē)框架頂部中間位置；第2階振型為框架與絞車(chē)?yán)@Y軸方向的整體扭曲振型，最大形變發(fā)生在框架前后兩端頂部橫梁；第3階振型為框架與絞車(chē)沿Y軸方向的相向擺動(dòng)振型，最大形變發(fā)生在框架尾部頂端橫梁；第4階振型為框架與絞車(chē)沿X軸方向的整體擺動(dòng)振型，最大形變發(fā)生在絞車(chē)左端輪轂上；第5階振型為框架與絞車(chē)?yán)@Y軸方向的相向扭曲振型，最大形變發(fā)生在絞車(chē)兩側(cè)輪轂上；第6階振型為框架與絞車(chē)?yán)@X軸方向的相向扭曲振型，最大形變發(fā)生在絞車(chē)輪轂上。其6階振型圖如圖2所示。

圖2 模塊絞車(chē)前6階模態(tài)振型圖Fig.2 Module winch before 6-order vibration mode

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該模塊絞車(chē)的前6階固有頻率在10～40,Hz之間，其振動(dòng)最大幅值發(fā)生在絞車(chē)框架的頂端橫梁和絞車(chē)輪轂邊緣，這主要是由于絞車(chē)為板材類(lèi)零件，且絞車(chē)輪轂缺乏加強(qiáng)筋的支持，加之絞車(chē)框架外形結(jié)構(gòu)共同決定了其彎曲、扭轉(zhuǎn)幅值最大出現(xiàn)在上述位置，建議在模塊絞車(chē)后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)考慮絞車(chē)兩邊輪轂添加加強(qiáng)筋，框架頂端焊接縱向橫梁。

4 計(jì)算結(jié)果分析

引起拖纜采集地震模塊共振的潛在振源包括外部環(huán)境載荷和船載設(shè)備等，環(huán)境載荷有風(fēng)力、海流力、波浪以及地震力等，[5]但一般情況下拖纜采集工程船在設(shè)計(jì)階段均會(huì)避免環(huán)境載荷引發(fā)共振的可能，故外部環(huán)境載荷對(duì)模塊化絞車(chē)的影響基本可以忽略，應(yīng)重點(diǎn)考慮船載設(shè)備頻率對(duì)模塊絞車(chē)的影響。

在拖纜采集作業(yè)中，電纜絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)速一般為：0～15,r/min，對(duì)應(yīng)頻率為0～0.25,Hz；絞車(chē)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為200～800,r/min，對(duì)應(yīng)頻率為3.3～13.3,Hz。通過(guò)對(duì)比可以看出：絞車(chē)滾筒、液壓馬達(dá)的頻率基本不會(huì)與模塊化絞車(chē)的前6階固有頻率產(chǎn)生重疊，這兩臺(tái)設(shè)備不會(huì)與模塊化絞車(chē)產(chǎn)生共振。

5 結(jié) 論

模塊化絞車(chē)的固有頻率與絞車(chē)滾筒及其液壓馬達(dá)的工作頻率相距較大，該兩臺(tái)設(shè)備基本不會(huì)與模塊化絞車(chē)產(chǎn)生共振；經(jīng)過(guò)前6階固有頻率分析可以看出，絞車(chē)滾筒邊緣為應(yīng)力較為集中區(qū)域，建議在模塊絞車(chē)后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)考慮絞車(chē)兩邊輪轂添加加強(qiáng)筋，框架頂端焊接縱向橫梁；配備此模塊的船只，在裝備其他設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作頻率，盡量避免與模塊化絞車(chē)的固有頻率發(fā)生重疊，或通過(guò)對(duì)模塊絞車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造來(lái)避免共振現(xiàn)象的發(fā)生?！?/p>

［1］ 毛寧波，褚榮英. 海洋石油地震勘探[M]. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2004：61-62.

［2］ 曹妍妍，趙登峰. 有限元模態(tài)分析理論及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(1)：73-74.

［3］ 張韻韻，徐長(zhǎng)生. 基于ANSYS的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2007(7)：108-109.

［4］ 劉生濤，楊鳳鵬. 精通Ansys [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［5］ 陳浩，郭龍龍. 海洋平臺(tái)起重機(jī)吊臂靜力及模態(tài)分析[J]. 石油機(jī)械，2013，41(10)：69-72.

The Finite Element Modal Analysis of Modular Winch Based on ANSYS Workbench

YU Qiang
(COSL Geophysical Division，Tianjin 300451，China)

Based on the real size of marine seismic modular winch，the three-dimensional modal in Solidworks was constructed，then the modal was imported to the finite element software ANSYS Workbench．After defining material and mesh，researchers carried out modal analysis of the modular winch．The results showed：the former six natural frequency was focused on 10～40,Hz，and the maximal deformation appeared in the top cross beam and the rim of wheel hub．The paper provides a reliable theoretical basis for the design and has a directional guidance significance to the optimization of the structure of the modular winch.

modularization；seismic streamer winch；ANSYS Workbench；modal analysis

TE922

：A

：1006-8945(2016)10-0041-03

2016-09-06