楊 蕾 ，林 紅，姜 昆

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有動(dòng)力特性（如固有頻率、阻尼因子和振型）進(jìn)行識(shí)別的關(guān)鍵方式。對(duì)于海洋油氣開(kāi)采的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)而言，為保證其在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的安全運(yùn)行，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及動(dòng)力特性描述至關(guān)重要。然而，考慮到大型導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和龐大性特點(diǎn)，在進(jìn)行模態(tài)分析及動(dòng)力特性描述時(shí)，直接對(duì)原型結(jié)構(gòu)開(kāi)展試驗(yàn)是十分困難的，而縮尺模型試驗(yàn)相對(duì)于原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可大大減少試驗(yàn)規(guī)模、降低試驗(yàn)難度，是一種更為經(jīng)濟(jì)可行的試驗(yàn)方式。為此，針對(duì)縮尺結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試問(wèn)題，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在理工科學(xué)生中開(kāi)展縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)，能夠幫助理工科同學(xué)理解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

目前，縮尺模型試驗(yàn)在橋梁等土木工程領(lǐng)域中取得了較好的進(jìn)展[1-2]，在海洋導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)方面的研究不多[3-4]，且目前研究大多關(guān)注結(jié)構(gòu)的靜力相似，而對(duì)于結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)及動(dòng)力相似性鮮有涉及。因此，為了提高導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特性科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析提供良好的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文提出導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)制作思路，研制了縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了縮尺模型的有效性。基于所建立的縮尺結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，能夠有效開(kāi)展理工科大學(xué)生相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程創(chuàng)新能力起到積極作用。

1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)制作

1.1 海洋導(dǎo)管架平臺(tái)原型結(jié)構(gòu)

為有效引導(dǎo)理工科大學(xué)生接觸和了解實(shí)際工程問(wèn)題，在此以渤海埕島CB302 真實(shí)海洋平臺(tái)作為原型結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)高29.5 m，重270.763 t，主體為4 樁腿、5 層導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，每層均設(shè)有橫撐，且底部?jī)蓪恿碓O(shè)有K 型支撐。

1.2 導(dǎo)管架縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)及制作

為培養(yǎng)理工科大學(xué)生科學(xué)試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作過(guò)程，嚴(yán)格遵循相似準(zhǔn)則。首先，為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例一致性，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缭O(shè)計(jì)與平臺(tái)原型需滿足幾何尺寸相似性。此外，為保證結(jié)構(gòu)的材料、荷載、靜力和動(dòng)力特性的一致性，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)還應(yīng)滿足物理屬性的相似性。

首先，需要對(duì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞑牧线M(jìn)行選取，通過(guò)對(duì)比分析常用材料的性能和優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢硐嗨菩砸?，最終選定常用的 Q235鋼材作為縮尺模型的制作材料。考慮幾何尺寸的相似性準(zhǔn)則以及試驗(yàn)條件的限制，對(duì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽邕M(jìn)行設(shè)計(jì)，選定尺寸比Rl=1∶25，由R1計(jì)算可得縮尺模型高度為0.98 m，圖1 為縮尺平臺(tái)設(shè)計(jì)圖。

圖1 CB302 縮尺模型設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

此外，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，要與原型結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)剛度的相似性，故此根據(jù)剛度相似性準(zhǔn)則，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹椥阅Ａ考皠偠缺戎捣謩e選定為RE=1∶1，Rk=RE(R1)2=1∶625，由RE和Rk計(jì)算可得縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)件的設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表1。

同時(shí)，還需對(duì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行重量設(shè)計(jì)，選取重量比值Rn=Rρ(R1)3=1∶15 625。原型結(jié)構(gòu)實(shí)際重量270.763 t，根據(jù)重量比Rn計(jì)算可得模型結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)重量應(yīng)為17.28 kg，實(shí)際制作的模型重量為17.3 kg，滿足重量比要求，縮尺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

表1 導(dǎo)管架縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)件設(shè)計(jì)值 （單位：mm）

圖2 基于原型結(jié)構(gòu)的縮尺結(jié)構(gòu)（單位：m）

2 導(dǎo)管架縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)裝置

節(jié) 1.2 中縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)制作過(guò)程充分考慮了幾何尺寸、模型重量及結(jié)構(gòu)剛度等物性參數(shù)相似性要求。在此基礎(chǔ)上，為有效驗(yàn)證縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)態(tài)響應(yīng)特征的相似性要求，針對(duì)所設(shè)計(jì)制作的縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)展相應(yīng)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)模態(tài)試驗(yàn)的全過(guò)程進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理，得到縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)參數(shù)。圖3 為縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、模態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理的示意圖。

圖3 模態(tài)試驗(yàn)流程與原理圖

縮尺模型模態(tài)試驗(yàn)裝置所涉及的設(shè)備包括：力錘（具備力傳感器）1 把、加速度傳感器 5 個(gè)、電荷增大器（2 通道）1 臺(tái)和錘擊測(cè)試信號(hào)采集儀（16 通道）1 臺(tái)，各設(shè)備參數(shù)如下：

（1）CA-YD-107 型加速度傳感器——橫向靈敏度比小于5%，可測(cè)頻率0～5 000 Hz，可測(cè)最大加速度8 000 m/s2。

圖4 應(yīng)變片

（2）電阻應(yīng)變片——靈敏性 2.06～2.12，如圖 4所示。

（3）LC 系列力錘——可測(cè)最大沖擊力2 000 N，如圖5 所示。

（4）數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備——電荷增大器為2 通道接口，錘擊測(cè)試信號(hào)采集儀為16 通道USB 接口，如圖6(b)所示。

圖5 力錘

圖6 試驗(yàn)裝置圖

2.2 模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程

縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)步驟如下：

步驟1 選取加速度響應(yīng)最大的、頂板兩對(duì)角點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，并將加速度傳感器固定在這2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，見(jiàn)圖6(a)。

步驟2 借助力錘作為激振器[5]，敲擊縮尺模型結(jié)構(gòu)以施加沖擊力。

步驟3 具體而言，分別在敲擊點(diǎn)的X水平方向和Y垂直方向敲擊[6]，并采集獲取模態(tài)信息的時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)。

步驟4 按步驟3 的操作方式，保持每次敲擊力大致相等進(jìn)行多次敲擊，并在每次敲擊后，保存和記錄穩(wěn)定后的信號(hào)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行下一次敲擊。

3 縮尺模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的降噪處理與模態(tài)分析

3.1.1 信號(hào)降噪處理

試驗(yàn)獲取的原始信號(hào)數(shù)據(jù)難免存在各種設(shè)備或采集噪聲，通常都需要對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。目前，典型的信號(hào)降噪方法包括2 種：移動(dòng)平均處理方法和趨勢(shì)項(xiàng)消除方法[6]。信號(hào)數(shù)據(jù)的移動(dòng)平均降噪方法，主要用于消除信號(hào)噪聲；趨勢(shì)項(xiàng)消除方法主要用于消除環(huán)境干擾噪聲。

對(duì)于縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)而言，信號(hào)噪聲的影響相比于環(huán)境噪聲更為顯著。因此，采用移動(dòng)平均法對(duì)獲取的采樣信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。圖7(a)和圖7(b)分別給出了移動(dòng)平均法降噪處理前和降噪處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

3.1.2 模態(tài)分析

信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)降噪預(yù)處理后，進(jìn)而采用時(shí)間序列法對(duì)降噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析[7]，結(jié)果如圖 8所示。

提取獲得水平方向（X向）和垂直方向（Y向）激勵(lì)的1—6 階自然頻率[8]，見(jiàn)表2。

3.2 結(jié)果對(duì)比與驗(yàn)證

圖7 去噪前后信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖8 模態(tài)分析結(jié)果

表2 自然頻率結(jié)果 單位：Hz

在對(duì)縮尺模型進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，為有效驗(yàn)證縮尺模型的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論[9-12]，進(jìn)一步借助 ANSYS 有限元軟件平臺(tái)，建立縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ退鶎?duì)應(yīng)的有限元模型，對(duì)導(dǎo)管架縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力特性進(jìn)行有限元分析，獲得有限元分析的 1—6階頻率數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比模態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗(yàn)結(jié)果與 ANSYS 有限元分析所得的模態(tài)結(jié)果的平均誤差在17%左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了縮尺模型模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以海洋導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原型，嚴(yán)格遵循幾何相似、剛度相似和質(zhì)量相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)并制作了1∶25 的縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。為有效?yàn)證縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)特征相似性，開(kāi)展了縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)實(shí)驗(yàn)，并采集獲取其模態(tài)信號(hào)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：該縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢暂^為準(zhǔn)確地反映實(shí)際導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力特性，可為實(shí)際平臺(tái)的安全分析提供一個(gè)高可信度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)。

同時(shí)，將導(dǎo)管架縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與科研試驗(yàn)的共同進(jìn)步。依托此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，理工科大學(xué)生能夠開(kāi)展縮尺模型的靜力試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)、振動(dòng)信號(hào)采集與處理、模態(tài)參數(shù)辨識(shí)等任務(wù)，可使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)原型結(jié)構(gòu)與縮尺結(jié)構(gòu)間的相似現(xiàn)象，并通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)深刻理解結(jié)構(gòu)固有頻率的概念，實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰凸こ虅?chuàng)新能力起到積極作用。