CN104915502A - 一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，包括以下步骤：1)建立待监测的圆柱状海洋工程结构物的有限元模型，并在模型上任意选取m个离散的节点；2)利用有限元方法对有限元模型进行振动模态分析，求解出前n阶模态的振动频率f₁，f₂，……，f_n，以及各阶振动频率所对应的振型，从而得到前n阶模态中每一阶模态在m个节点中每一个节点的振幅；3)计算在每个节点位置上，各相邻阶模态的振幅差的平方和d_i；4)将m个节点按照计算出的d_i值由大到小的顺序排列，将振动监测装置安装在排列靠前的节点位置上。

Description

一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法

技术领域

本发明涉及一种振动监测装置在海洋工程结构物上的布置方法，属于海洋石油工程领域。

背景技术

海流绕流钻井隔水管、生产立管、以及其它呈圆柱状的海洋工程结构物引起的漩涡周期性交替泄放的漩涡会对圆柱体产生脉动变化的流体力，引起结构物的周期性振动，即涡激振动，它是影响服役期间这些结构物疲劳损伤的重要因素，一般在做圆柱状海洋工程结构物前期设计期间会考虑涡激振动造成的影响。传统的设计方法以统计规律获得的海流剖面为输入条件，在设计寿命内假设圆柱状海洋工程结构物持续受到恒定的剪切流引起涡激振动，这种设计方法能够在大多数情况下保证设计的安全余量。但是实际上海流的大小、方向在圆柱状海洋工程结构物服役期间会发生变化，实际情况下，海流引起的涡激振动激起的频率范围可能与设计阶段有偏差。因此利用安装在圆柱状海洋工程结构物上的振动监测装置进行实时监测是最好的方法(如图1所示)，但是对于一些用于深水作业的圆柱状海洋工程结构物(例如隔水管)，长度往往较长，全尺寸的监测将采用非常多的监测仪器，给安装作业和后续的回收作业带来很大的工作量，而且这么多水下的监测仪器的供电线缆的布置会对平台空间造成负担，而且水下监测装置仪器的租用费用较高，维护难度也非常大。此外，一般情况下，像钻井隔水管这类海洋工程结构物也会有安装和作业时间的限制，现场可接受的监测装置的安装数量是有限的，如何利用有限的监测仪器获得更多的振动信息，是困扰设计者的一大难题。

容易想到的一个解决方法是，监测装置可以优先安装在振动对涡激振动幅度比较大的位置，但是这种方法的前提是假设海流条件，通过计算得到振动幅值较大的位置，但是实际现场的海流大小和方向都是不断变化的，这种海流的不确定性可能会导致振动监测装置安装位置与设计时的技术要求有所不同，导致无法监测到振动数据。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，按照该方法所布置的振动监测装置能够对圆柱状海洋工程结构物的涡激振动模态进行监测和识别，不受实际海流变化的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，它包括以下步骤：

1)建立待监测的圆柱状海洋工程结构物的有限元模型，并在模型上任意选取m个离散的节点；

2)利用有限元方法对有限元模型进行振动模态分析，求解出前n阶模态的振动频率f₁，f₂，……，f_n，以及各阶振动频率所对应的振型，从而得到前n阶模态中每一阶模态在m个节点中每一个节点的振幅，即：

$A=\left[\begin{array}{c}{X}_{1,1},X_{1,2},\mathrm{......},X_{1,m}\\ X_{2,1},X_{2,2},\mathrm{......},X_{2,m}\\ \mathrm{......}\\ X_{n,1},X_{n,2,}\mathrm{......},X_{n,m}\end{array}\right]=\[X_{i,j}\],i=1,2,\mathrm{.....},n;j=1,2,\mathrm{......},m$

其中，A表示模态矩阵，X_i,j表示第i阶模态在第j个节点的振幅；

3)计算在每个节点位置上，各相邻阶模态的振幅差的平方和d_i，即：

第1个节点：d₁＝(X_2,1-X_1,1)²+(X_3,1-X_2,1)²+......+(X_n,1-X_n-1,1)²

第2个节点：d₂＝(X_2,2-X_1,2)²+(X_3,2-X_2,2)²+......+(X_n,2-X_n-1,2)²

……

第m个节点：d_m＝(X_2,m-X_1,m)²+(X_3,m-X_2,m)²+......+(X_n,m-X_n-1,m)²；

4)将m个节点按照计算出的d_i值由大到小的顺序排列，将振动监测装置安装在排列靠前的节点位置上。

节点的数量m是待安装的振动监测装置的数量的1.5～5倍。

n＝50。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过模态分析的方法求解出各模态在圆柱状海洋工程结构物上所选取的离散的节点上的振幅，然后对各节点参照各阶模态的振幅差的平方由大到小进行排列，振动监测装置安装在排列在前的节点位置上，由于在排列在前的位置上，各阶参与振动的模态振幅差异较大，易于监测识别，因此，通过该方法能够利用有限个振动监测装置尽可能地识别出较多的振动信息，实现振动监测装置的合理布置。

附图说明

图1是在圆柱状海洋工程结构物上的安装振动监测装置的示意图；

图2是以某圆柱状海洋工程结构物的3阶模态振型的举例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，它包括以下步骤：

1)建立待监测的圆柱状海洋工程结构物的有限元模型，并在模型上任意选取m个离散的节点，节点的数量m可以是待安装的振动监测装置的数量的1.5～5倍。

2)利用有限元方法对有限元模型进行振动模态分析，求解出前n阶模态的振动频率f₁，f₂，……，f_n，以及各阶振动频率所对应的振型，从而得到前n阶模态中每一阶模态在m个节点中每一个节点的振幅，即：

$A=\left[\begin{array}{c}{X}_{1,1},X_{1,2},\mathrm{......},X_{1,m}\\ X_{2,1},X_{2,2},\mathrm{.....},X_{2,m}\\ \mathrm{......}\\ X_{n,1},X_{n,2,}\mathrm{.....},X_{n,m}\end{array}\right]=\[X_{i,j}\],i=1,2,\mathrm{......},n;j=1,2,\mathrm{......},m$

其中，A表示模态矩阵，X_i,j表示第i阶模态在第j个节点的振幅。

3)计算在每个节点位置上，各相邻阶模态的振幅差的平方和d_i，即：

第1个节点：d₁＝(X_2,1-X_1,1)²+(X_3,1-X_2,1)²+......+(X_n,1-X_n-1,1)²

第2个节点：d₂＝(X_2,2-X_1,2)²+(X_3,2-X_2,2)²+......+(X_n,2-X_n-1,2)²

……

第m个节点：d_m＝(X_2,m-X_1,m)²+(X_3,m-X_2,m)²+......+(X_n,m-X_n-1,m)²

4)将m个节点按照计算出的d_i值由大到小的顺序排列，将振动监测装置安装在排列靠前的节点位置上，因为在这些点上，各阶参与振动的模态振幅差异较大，易于监测识别。

利用上述实施例给出的方法，能够利用有限个振动监测装置尽可能地识别出较多的振动信息，此外，对于圆柱状海洋工程结构物公知的敏感位置可以增设振动监测装置，例如对于深水的钻井隔水管来说，位于泥线附近的部分的振动对进口稳定性和寿命具有较大的影响，因此需要在钻井隔水管位于泥线附近的部分安装振动监测装置。

上述实施例中，对于钻井隔水管，如果有准确的海流数据，可以按照斯特劳哈定律进行漩涡泄放频率范围的计算f_泄放min～f_泄放max。对比其固有模态频率f₁～f_n，按照f_泄放的范围确定实际激励的模态阶数。如果没有准确的海流数据，一般可以取前n＝50阶次模态。

下面以3阶模态为例，说明本发明方法的有益效果，如图2所示，当振动监测装置安装在各阶模态相交的位置1时，将无法识别出在该位置有哪些模态参与了振动，尤其是当振动监测装置安装在各模态零点位置2时，将无法监测到振动数据，这是最坏的情况。与之相反，各阶参与振动的模态振幅差异较大的地方，易于被监测识别，这些地方也就是各相邻阶模态的振幅差的平方和d_i较大的地方。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，它包括以下步骤：

1)建立待监测的圆柱状海洋工程结构物的有限元模型，并在模型上任意选取m个离散的节点；

2)利用有限元方法对有限元模型进行振动模态分析，求解出前n阶模态的振动频率f₁，f₂，……，f_n，以及各阶振动频率所对应的振型，从而得到前n阶模态中每一阶模态在m个节点中每一个节点的振幅，即：

$A=\left[\begin{array}{c}{X}_{1,1},X_{1,2},......,X_{1,m}\\ X_{2,1},X_{2,2},......,X_{2,m}\\ ......\\ X_{n,1},X_{n,2},......,X_{n,m}\end{array}\right]=\[X_{i,j}\],i=1,2,......,n;j=1,2,......,m$

其中，A表示模态矩阵，X_i,j表示第i阶模态在第j个节点的振幅；

3)计算在每个节点位置上，各相邻阶模态的振幅差的平方和d_i，即：

第1个节点：d₁＝(X_2,1-X_1,1)²+(X_3,1-X_2,1)²+......+(X_n,1-X_n-1,1)²

第2个节点：d₂＝(X_2,2-X_1,2)²+(X_3,2-X_2,2)²+......+(X_n,2-X_n-1,2)²

……

第m个节点：d_m＝(X_2,m-X_1,m)²+(X_3,m-X_2,m)²+......+(X_n,m-X_n-1,m)²；

4)将m个节点按照计算出的d_i值由大到小的顺序排列，将振动监测装置安装在排列靠前的节点位置上。

2.如权利要求1所述的一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，其特征在于：节点的数量m是待安装的振动监测装置的数量的1.5～5倍。

3.如权利要求1或2所述的一种振动监测装置在圆柱状海洋工程结构物上的布置方法，其特征在于：n＝50。