海洋平台泥浆泵基座结构的动力优化.pdf

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1、第４４卷第６期船海工程Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．６２０１５年１２月ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤｅｃ．２０１５ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１-７９５３．２０１５．０６．０２８海洋平台泥浆泵基座结构的动力优化１２１１１３郭明慧，董秀萍，孙超，李磊，张健效，杨文龙（１．中集海洋工程研究院有限公司，山东烟台２６４００３；２．烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台２６４０００；３．中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司，广东深圳５１８０６７）摘要：以某海洋平台高压泥浆泵为例，利用ＡＢＡＱＵＳ软件

2、建立基座结构的有限元模型，提出不同的优化设想以使基座结构的固有频率避开泥浆泵的激励频率，对比给出泥浆泵基座结构避开频率禁区的较优方案，当以增加的结构重量为约束条件时，拓扑优化的效果明显优于尺寸优化的效果。关键词：基座结构；结构动力优化；拓扑优化中图分类号：Ｕ６６１．４４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１５）０６-０１２１-０４平台上大型设备基座结构的有害振动会对设1．1模态分析［１］备本身产生很大影响甚至对设备造成破坏。对于具有n自由度的结构系统，其振动微分［７-８］因此，设计人员需要在平台的设

3、计阶段预先计算方程可表达为瞕·各基座结构的固有特性，以此来判断基座结构振Mx＋Cx＋Kx＝f（t）（１）nxnnxnnxn动的固有频率是否在设备的激励频率范围之外式中：M∈R、C∈R、K∈R分别为系统的质瞕nx１·nx１（即能否避开共振）。如果基座结构振动的固有量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；x∈R、x∈R、xnx１频率恰巧落在激励频率范围之内，则需要对结构∈R分别为结构在物理坐标下的加速度列阵、进行修改。在准确预报各设备基座结构固有特性速度列阵和位移列阵。的基础上，如何对结构进行修改，以错开频率禁工程应用中，常假

4、设阻尼矩阵C具有特殊形区，避开共振至关重要。式，以方便进行正交性对角化进而将方程组解耦。现有对大型设备基座的减振研究大都采用选本文中采用Ｒａｙｌｅｉｇｈ提出的粘性比例阻尼模型［２-４］［５-６］取不同材料类型、不同隔振设备或敷设不C＝αM＋βK（２）［２］同阻尼材料的方法，而鲜有对基座本身的结构式中：α、β———与系统外、内阻尼有关的常数。进行研究以使其避开共振。为此，考虑以某海洋显然，这时C可对角化。对某些小阻尼振动平台的高压泥浆泵基座结构为例，通过ＡＢＡＱＵＳ系统，这一模型是有效的。软件建立有限元模型，探讨

5、不同的结构修改方案，进行模态分析，令f（t）＝０，则式（１）变成瞕·并对不同方案的动力优化效果进行对比。Mx＋Cx＋Kx＝０（３）式中：C———满足式（２）的粘性比例阻尼矩阵。１理论基础设特解λt通过模态分析求解设备基座结构的固有频x＝φｅ（４）率，并在模态分析的基础上进行结构动力优化，使式中：φ———自由响应幅值列阵。其固有频率避开激励频率范围。将式（４）代入式（３），得特征值问题２（λM＋λC＋K）φ＝０（５）其对应的特征方程为收稿日期：２０１５－０５－２５２｜λM＋λC＋K｜＝０（６）修回日期：２０１５－

6、０８－０８上式是λ的２n次实系数代数方程，解得２n基金项目：山东省自主创新成果转化专项（２０１４ＣＧＺＨ１２０２）个共轭对形式的互异特征值为第一作者简介：郭明慧（１９８９－），女，硕士，助理工程师λi＝－σ＋jωdii＝１，２，⋯，n（７）倡研究方向：船体结构振动与噪声控制λi＝－σ－jωdiE-mail：ｍｉｎｇｈｕｉ．ｇｕｏ＠ｃｉｍｃ－ｒａｆｆｌｅｓ．ｃｏｍ且１２１２０１５年船海工程郭明慧，等：海洋平台泥浆泵基座结构的动力优化第６期第４４卷倡２２｜λi｜＝｜λi｜＝σi＋ωdi≈ω０i（８）式中，λi的实部

7、为衰减系数；虚部ωdi即阻尼固有频率。λi的模等于无阻尼固有频率ω０i。倡将特征值λi、λi代入式（５），解得２n个共轭倡特征矢量φi、φi。将n个特征量φi按列排列，得nxn特征矢量矩阵即模态矩阵φ∈R。1．2结构优化结构优化目标是在约束条件下寻找设计变量使目标函数达到最大值或最小值。优化模型的一般数学表达式为［９］：图1高压泥浆泵基座结构示意Ｔ３求q＝｛q１，q２，⋯，qnq｝，使f（q）最大或最小，均为HP１４０×７。结构钢材密度ρ＝７８５０ｋｇ／ｍ，且需满足：弹性模量E＝２１０ＧＰａ，泊松比υ＝０．３。

8、倡gj（x）≤gjj＝１，２，⋯，k对于海洋平台常用大型设备基座结构，为了（９）ＬＵqi≤qi≤qii＝１，２，⋯，nq避开基座结构的固有频率，应使基座结构的固有式中：qi———第i个设计变量；频率约高于激励频率的２０％或低于激励频率的［１０］f（x）———目标函数；２０％。当高压泥浆泵的转速为１０５ｒ／ｍｉｎ时，倡gj（x）———第j个约束条件（gj为约束极值）；其对应的激励频率为１