基于颗粒阻尼技术的海洋平台结构减振试验研究

夏兆旺，卢志伟，鞠福瑜，王宗耀，曹 锐，王 滢，刘义生

（1.江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江212003；2.江苏海事职业技术学院船舶与海洋工程学院，南京211170；3.江苏南极机械有限公司，江苏泰兴225400；4.苏州科技大学机械工程学院，江苏苏州215000）

0 引 言

在海洋工程领域，近年来随着我国经济的发展，对油气资源的需求越来越大，近海石油天然气资源的开发变得越来越重要。海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地，其安全性至关重要。海洋平台桁架结构不可避免地会受到风、海浪、洋流、甚至冰地震荷载的联合作用[1-2]。长期处于这样恶劣的外在环境会导致海洋平台桁架在使用过程中发生明显持续的振动，从而加剧平台的疲劳破坏，降低系统的可靠度，影响结构的安全性和耐久性[3-5]。海洋平台的振动控制技术已经受到了越来越多的关注，目前常采用的粘弹性阻尼减振技术[6-7]，具有很好的减振效果。但由于减振装置长期暴露在盐雾和高强度的紫外线辐射下，粘弹性阻尼材料容易老化、失效，其使用年限有限[8-9]，因此，需要一种适应这种恶劣环境的有效减振技术。

颗粒阻尼技术是在振动结构的适当部位填充颗粒材料，通过颗粒之间的碰撞和摩擦消耗振动结构的能量，达到减振的目的[10-12]，颗粒阻尼具有耐高温、抗老化、结构简单等优点[13-14]。目前已在航空、机械工程和汽车等领域取得应用[15-16]。

本文以填充颗粒阻尼的海洋平台桁架结构为研究对象，通过大量的试验数据研究基于颗粒阻尼技术的海洋平台结构的振动特性，分析颗粒阻尼主要参数对海洋平台桁架结构减振效果的影响规律，为颗粒阻尼技术在海洋平台中的应用奠定基础。

1 海洋平台桁架颗粒阻尼试验测试系统

海洋平台桁架结构颗粒阻尼减振系统试验装置如图1 所示，桁架结构中横向杆架均开孔以填充颗粒进行试验测试，加速度响应分别测试A、B 和C 点，激励点的影响为电机基座D 点。原模型为高度90 m的海洋平台桁架结构，由于全尺寸模型试验对试验设备和场地要求过高，采取缩比试验模型。将原模型按照1∶100的比例缩小后，根据缩比相似原理并经过Ansys workbench 仿真模拟进行应变对比。结果表明，模型的比例缩小前后应变比接近1，对刚度影响不大。于是本文试验对象采用的海洋平台桁架模型主要尺寸为：桁架高度900 mm，桁架主柱材料选用直径为32 mm，厚度为3 mm 的304型不锈钢管；桁架的横向杆架结构选用直径为22 mm，厚度为2 mm 的304 型不锈钢管；平台结构选用厚度为3 mm 的碳钢材料。通过在平台桁架结构底层安装电机激励，电机为90SZ55 型微型直流伺服电动机，电机转速为2 000 r/min，为增加激励，在电机上安装偏心质量块。加速度传感器用于测试电机基座底脚位置及各测点的加速度，测试分析系统采用北京东方振动噪声研究所的DASP采集系统。

本文主要研究颗粒阻尼器的颗粒参数（颗粒填充率、颗粒直径和颗粒密度）对海洋平台桁架结构减振特性的影响规律。试验中颗粒填充率分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%；填充的颗粒直径分别为0.1 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm 和3mm 钢球；不同颗粒材料的密度分别为：铝合金颗粒2 600 kg/m3、钢球颗粒7 800 kg/m3、铅球颗粒11 300 kg/m3和碳化钨颗粒14 800 kg/m3。

颗粒阻尼对海洋平台桁架结构振动性能的影响如图2 所示。从图2 可以看出：填充颗粒阻尼后，从电机传递到平台上的振动衰减明显，说明颗粒阻尼有较好的减振效果。下面将详细分析颗粒阻尼各主要参数对海洋平台桁架结构振动特性的影响规律。

图1 带颗粒阻尼器的桁架结构试验系统Fig. Experiment testing system

图2 颗粒阻尼对桁架结构振动性能的影响Fig.2 Particle damping effect on the vibration of the ocean platform

2 主要参数对海洋平台桁架结构振动性能的影响

2.1 颗粒直径对减振效果的影响规律

填充颗粒材料为钢球，颗粒填充率为70%，海洋平台结构振动传递率随颗粒直径的变化规律如图3-4 所示（为了图形清晰，图3 只列出其中4 种颗粒直径的频域响应曲线，下同）。从图3 可以看出：随着颗粒直径的增加，桁架结构的振动传递率逐渐降低，系统的减振效果变好；在250～400 Hz 范围内，颗粒直径对振动传递率的影响明显，这主要是因为较高激励频率使得颗粒振动更加剧烈，直径越大的颗粒能量越大，在相互碰撞和摩擦过程中消耗的能量越多，系统的减振效果越好。从图4 可以看出，起始阶段颗粒直径的变化对系统传递率的影响明显，当颗粒直径达到1 mm 时，颗粒直径的增加对系统振动传递率的影响很小。

图4 颗粒直径对不同测点振动传递率的影响Fig.4 Influence of particle diameter on the vibration transmissibility at different measuring points

2.2 填充率对减振效果的影响规律

填充颗粒为钢球颗粒，颗粒直径为0.1 mm，海洋平台结构振动传递率随颗粒填充率的变化规律如图5-6 所示。从图中可以看出：随着填充率的增加，系统的减振效果先变好后变差，当填充率达到80%左右时，系统的减振效果最好，平均振动传递率比无颗粒阻尼器时最大降低了18.2 dB；当填充率达到100%时，系统的减振效果大大降低，主要是因为孔腔中颗粒的运动受限制，没有碰撞耗能，只通过颗粒之间的摩擦消耗部分能量，所以100%填充率时系统的平均振动传递率仍然比无颗粒时系统的平均传递率降低了1.2 dB。颗粒填充率是决定颗粒阻尼减振效果的重要因素，是决定颗粒阻尼减振装置减振效果的主要参数。

图5 颗粒填充率对振动传递率的影响Fig.5 Vibration transmissibility of the ocean platform versus filling ratios

图6 颗粒填充率对不同测点振动传递率的影响Fig.6 Influence of filling ratios on the vibration transmissibility at different measuring points

2.3 颗粒密度对减振效果的影响规律

颗粒填充率为70%，颗粒直径为0.1 mm，海洋平台结构振动传递率随填充颗粒密度的变化规律如图7-8 所示。从图中可以看出：在整个频率范围内，系统的振动传递率都随颗粒密度的增加而降低，密度越大系统的减振效果越好；密度从铝合金颗粒到钢球颗粒（2.2×103～7.8×103kg/m3）时，系统减振效果变化明显，当密度达到一定程度时颗粒密度的变化对系统减振效果影响不大；填充密度较大的碳化钨颗粒时，A 测点、B 测点和C 测点的振动传递率比填充铝合金时的振动传递率分别降低了15.4 dB、11.5 dB 和10.1 dB。说明在选择填充颗粒时应尽可能选择密度较大的金属颗粒，以提高系统的减振效果。

图7 颗粒密度对振动传递率的影响Fig.7 Vibration transmissibility of the ocean platform versus particle density

图8 颗粒密度对不同测点振动传递率的影响Fig.8 Influence of particle density on the vibration transmissibility at different measuring points

3 结 论

本文试验研究了海洋平台桁架结构颗粒阻尼的减振特性，分析了颗粒阻尼主要参数对海洋平台桁架结构减振性能的影响规律，得到的主要结论如下：

（1）颗粒阻尼对海洋平台桁架结构具有明显的减振效果，相比无颗粒阻尼结构的振动，其振动传递率最高降幅为18.2 dB；

（2）填充颗粒密度越大，系统的减振效果越好，填充密度较大的碳化钨颗粒比填充钢球颗粒的振动传递率降低了5.6 dB，填充密度较大的颗粒，各测点的振动均有不同程度的降低；

（3）填充颗粒直径的变化对海洋桁架结构的振动影响相对较低，填充直径为1 mm、2 mm、3 mm 颗粒的桁架结构的平均振动传递率分别比填充直径为0.1 mm 颗粒的桁架结构降低了2.4 dB、3.2 dB 和3.6 dB；

（4）随着填充率的增加，海洋平台桁架结构振动响应先降低后增加，在颗粒填充率为80%左右时，系统的减振效果最好，填充率为100%时颗粒阻尼仍然有一定的减振效果。