基于ANSYS-Workbench的模塊化絞車有限元模態分析

于 強

(中海油田服務股份有限公司 天津300451)

基于ANSYS-Workbench的模塊化絞車有限元模態分析

于 強

(中海油田服務股份有限公司 天津300451)

針對海洋地震拖纜模塊化絞車，基于Solidworks完成絞車框架及卷筒三維實體模型的建立，并將模型導入有限元分析軟件ANSYY-Workbench，在完成對絞車材料的定義并劃分網格后對其進行模態分析。通過計算得出模塊化絞車的前六階固有頻率集中在10～40,Hz，絞車滾筒與其液壓馬達的工作不會與其產生共振，通過對其振型的分析得出振動形變較大區域為框架頂端橫梁部分及絞車輪轂邊緣，計算結果為絞車的設計提供了可靠的理論依據，且對結構的優化提出了方向性建議。

模塊化 地震拖纜模塊 絞車 ANYSY-Workbench 模態分析

0 引 言

隨著全球經濟發展，人類對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爭奪的戰略重點。近幾十年來我國海洋開發技術突飛猛進，海上物探由之前的二維勘探逐步發展為三維地震勘探，海上采集最初只拖一根安裝有檢波器的電纜逐步發展為現在足以覆蓋高爾夫球場面積大小的組合拖纜，現在我國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]但由于物探船數量較少且更新速度較慢，目前大多物探船作業量都已飽滿，不能完全滿足人們對海洋開發的需求，同時在非物探船上裝備完整的海上地震采集設備不僅耗資巨大，還需要對船體進行較大改動。將海洋勘探地震采集系統進行模塊化分割，必要時對符合噪音條件的船只進行簡單改裝后搭載相應模塊，即可進行海洋地震勘探作業。

模塊化絞車在工作前借助工程軟件例如ANSYS進行模態分析，可以計算其固有頻率，這樣可以有效避免其在工作中與外界激勵發生共振而引起破壞，同時模態分析也是對模塊絞車后續進行動力學分析的基礎。因此在上船作業前進行模態分析具有重要意義。

1 有限元模態分析理論

對于有限個自由度的系統而言，任何運動均可由其自由振動的模態組合而成，運用有限元進行模態分析就是建立模態模型并進行數值分析的過程。[2]

模塊絞車可以簡化為無阻尼自由振動模型，運用動載荷虛功原理可推導出其彈性系統運動方程，其矩陣形式為：

式中：[M]——結構總質量矩陣；[C]——結構總阻尼矩陣；[K]——結構總剛度矩陣；{δ}——節點位移矩陣；{p}——結構的載荷矩陣。

在模態分析中取{p}為零矩陣，忽略阻尼影響，由此可得出模塊絞車的無阻尼自由振動方程：

其中(2)式為常系數線性齊次微分方程組，其解的形式為：

式中：ω——振動固有頻率；Φ——振動初相位。

將(3)式代入(2)式后，便可得到如下的齊次線性代數方程組：

(4)式中有非零解得條件是其系數行列式等于零，即：

當矩陣[K]和[M]的階數為n時，(5)式是2ω的n次實系數方程，稱為常系數線性齊次常微分方程組(2)的特殊方程，系統自由振動特性(固有頻率和振型)的求解問題就是求矩陣特征值ω和特征向量{δ}的問題。[3]

2 模塊絞車有限元模型建立

2.1 三維模型的建立

本文為了避免ANSYS Workbench中建模的復雜性，選用三維造型軟件Solidworks進行實體建模，同時為了節約計算資源與計算時間，對非重要模型部分進行了簡化處理，這樣既保證計算精度也兼顧計算時間，將模型導入ANSYS Workbench，如圖1所示。

圖1 模塊絞車模型Fig.1 The model of module winch

2.2 網格劃分及邊界條件施加

在ANSYS Workbench中對模型進行材料的選型，材料選用普通結構鋼，框架部分為結構方鋼，絞車部分為鋼材輥軋焊接而成，按兩部分的裝配方式進行接觸類型的定義；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行焊接，反應到ANSYSWorkbench建模中是對框架底部進行固定即施加Fixed Support，此后對模型進行網格劃分，由于四面體單元的自適應性強，易實現網格的自動生成，且還能保證相對較高的計算精度，故本文選用四面體四節點單元。模型網格及材料屬性如表1所示。

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

3 模態分析結果分析

有限元的模態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題提取少數階模態情況，后者采用稀疏矩陣求解器，較前者更為省時，且對病態矩陣適應性好。[4]本文采用蘭索斯法對模塊絞車進行分析。由于模塊絞車的低階模態對絞車的振動分析有實際意義，故本文利用有限元軟件計算求得其前6階模態(即n＝6)，各階固有頻率如表2所示，表中：n——模態階次；ω——固有頻率值。

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

利用ANSYS Workbench計算得出模塊絞車前6階振型，第1階振型為框架與絞車沿Y軸方向的整體擺動振型，最大形變發生在絞車框架頂部中間位置；第2階振型為框架與絞車繞Y軸方向的整體扭曲振型，最大形變發生在框架前后兩端頂部橫梁；第3階振型為框架與絞車沿Y軸方向的相向擺動振型，最大形變發生在框架尾部頂端橫梁；第4階振型為框架與絞車沿X軸方向的整體擺動振型，最大形變發生在絞車左端輪轂上；第5階振型為框架與絞車繞Y軸方向的相向扭曲振型，最大形變發生在絞車兩側輪轂上；第6階振型為框架與絞車繞X軸方向的相向扭曲振型，最大形變發生在絞車輪轂上。其6階振型圖如圖2所示。

圖2 模塊絞車前6階模態振型圖Fig.2 Module winch before 6-order vibration mode

從計算結果可以看出，該模塊絞車的前6階固有頻率在10～40,Hz之間，其振動最大幅值發生在絞車框架的頂端橫梁和絞車輪轂邊緣，這主要是由于絞車為板材類零件，且絞車輪轂缺乏加強筋的支持，加之絞車框架外形結構共同決定了其彎曲、扭轉幅值最大出現在上述位置，建議在模塊絞車后續的結構改進時考慮絞車兩邊輪轂添加加強筋，框架頂端焊接縱向橫梁。

4 計算結果分析

引起拖纜采集地震模塊共振的潛在振源包括外部環境載荷和船載設備等，環境載荷有風力、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計階段均會避免環境載荷引發共振的可能，故外部環境載荷對模塊化絞車的影響基本可以忽略，應重點考慮船載設備頻率對模塊絞車的影響。

在拖纜采集作業中，電纜絞車滾筒轉速一般為：0～15,r/min，對應頻率為0～0.25,Hz；絞車液壓馬達轉速為200～800,r/min，對應頻率為3.3～13.3,Hz。通過對比可以看出：絞車滾筒、液壓馬達的頻率基本不會與模塊化絞車的前6階固有頻率產生重疊，這兩臺設備不會與模塊化絞車產生共振。

5 結 論

模塊化絞車的固有頻率與絞車滾筒及其液壓馬達的工作頻率相距較大，該兩臺設備基本不會與模塊化絞車產生共振；經過前6階固有頻率分析可以看出，絞車滾筒邊緣為應力較為集中區域，建議在模塊絞車后續的結構改進時考慮絞車兩邊輪轂添加加強筋，框架頂端焊接縱向橫梁；配備此模塊的船只，在裝備其他設備時，應注意監測設備的工作頻率，盡量避免與模塊化絞車的固有頻率發生重疊，或通過對模塊絞車進行結構改造來避免共振現象的發生。■

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

［2］ 曹妍妍，趙登峰. 有限元模態分析理論及其應用[J].機械工程與自動化，2007(1)：73-74.

［3］ 張韻韻，徐長生. 基于ANSYS的橋式起重機橋架結構模態分析[J]. 中國水運，2007(7)：108-109.

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

［5］ 陳浩，郭龍龍. 海洋平臺起重機吊臂靜力及模態分析[J]. 石油機械，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