基于ANSYS-Workbench的模块化绞车有限元模态分析

于 强

(中海油田服务股份有限公司 天津300451)

基于ANSYS-Workbench的模块化绞车有限元模态分析

于 强

(中海油田服务股份有限公司 天津300451)

针对海洋地震拖缆模块化绞车，基于Solidworks完成绞车框架及卷筒三维实体模型的建立，并将模型导入有限元分析软件ANSYY-Workbench，在完成对绞车材料的定义并划分网格后对其进行模态分析。通过计算得出模块化绞车的前六阶固有频率集中在10～40,Hz，绞车滚筒与其液压马达的工作不会与其产生共振，通过对其振型的分析得出振动形变较大区域为框架顶端横梁部分及绞车轮毂边缘，计算结果为绞车的设计提供了可靠的理论依据，且对结构的优化提出了方向性建议。

模块化 地震拖缆模块 绞车 ANYSY-Workbench 模态分析

0 引 言

随着全球经济发展，人类对石油天然气的需求也逐步增大，海洋石油资源日益成为各国争夺的战略重点。近几十年来我国海洋开发技术突飞猛进，海上物探由之前的二维勘探逐步发展为三维地震勘探，海上采集最初只拖一根安装有检波器的电缆逐步发展为现在足以覆盖高尔夫球场面积大小的组合拖缆，现在我国物探船最多可以拖拽12条6,km的电缆，勘探效率也大大提高。[1]但由于物探船数量较少且更新速度较慢，目前大多物探船作业量都已饱满，不能完全满足人们对海洋开发的需求，同时在非物探船上装备完整的海上地震采集设备不仅耗资巨大，还需要对船体进行较大改动。将海洋勘探地震采集系统进行模块化分割，必要时对符合噪音条件的船只进行简单改装后搭载相应模块，即可进行海洋地震勘探作业。

模块化绞车在工作前借助工程软件例如ANSYS进行模态分析，可以计算其固有频率，这样可以有效避免其在工作中与外界激励发生共振而引起破坏，同时模态分析也是对模块绞车后续进行动力学分析的基础。因此在上船作业前进行模态分析具有重要意义。

1 有限元模态分析理论

对于有限个自由度的系统而言，任何运动均可由其自由振动的模态组合而成，运用有限元进行模态分析就是建立模态模型并进行数值分析的过程。[2]

模块绞车可以简化为无阻尼自由振动模型，运用动载荷虚功原理可推导出其弹性系统运动方程，其矩阵形式为：

式中：[M]——结构总质量矩阵；[C]——结构总阻尼矩阵；[K]——结构总刚度矩阵；{δ}——节点位移矩阵；{p}——结构的载荷矩阵。

在模态分析中取{p}为零矩阵，忽略阻尼影响，由此可得出模块绞车的无阻尼自由振动方程：

其中(2)式为常系数线性齐次微分方程组，其解的形式为：

式中：ω——振动固有频率；Φ——振动初相位。

将(3)式代入(2)式后，便可得到如下的齐次线性代数方程组：

(4)式中有非零解得条件是其系数行列式等于零，即：

当矩阵[K]和[M]的阶数为n时，(5)式是2ω的n次实系数方程，称为常系数线性齐次常微分方程组(2)的特殊方程，系统自由振动特性(固有频率和振型)的求解问题就是求矩阵特征值ω和特征向量{δ}的问题。[3]

2 模块绞车有限元模型建立

2.1 三维模型的建立

本文为了避免ANSYS Workbench中建模的复杂性，选用三维造型软件Solidworks进行实体建模，同时为了节约计算资源与计算时间，对非重要模型部分进行了简化处理，这样既保证计算精度也兼顾计算时间，将模型导入ANSYS Workbench，如图1所示。

图1 模块绞车模型Fig.1 The model of module winch

2.2 网格划分及边界条件施加

在ANSYS Workbench中对模型进行材料的选型，材料选用普通结构钢，框架部分为结构方钢，绞车部分为钢材辊轧焊接而成，按两部分的装配方式进行接触类型的定义；边界条件充分模拟其在船上的工况约束，即框架底部与船体进行焊接，反应到ANSYSWorkbench建模中是对框架底部进行固定即施加Fixed Support，此后对模型进行网格划分，由于四面体单元的自适应性强，易实现网格的自动生成，且还能保证相对较高的计算精度，故本文选用四面体四节点单元。模型网格及材料属性如表1所示。

表1 绞车模型及材料特性Tab.1 Winch model and material properties

3 模态分析结果分析

有限元的模态分析方法主要有两种：子空间迭代法(Subspace Method)与兰索斯法(Block Lanczos Method)，前者适用于求解大型特征值问题提取少数阶模态情况，后者采用稀疏矩阵求解器，较前者更为省时，且对病态矩阵适应性好。[4]本文采用兰索斯法对模块绞车进行分析。由于模块绞车的低阶模态对绞车的振动分析有实际意义，故本文利用有限元软件计算求得其前6阶模态(即n＝6)，各阶固有频率如表2所示，表中：n——模态阶次；ω——固有频率值。

表2 前6阶固有频率参数Tab.2 The first 6-order natural frequency parameters

利用ANSYS Workbench计算得出模块绞车前6阶振型，第1阶振型为框架与绞车沿Y轴方向的整体摆动振型，最大形变发生在绞车框架顶部中间位置；第2阶振型为框架与绞车绕Y轴方向的整体扭曲振型，最大形变发生在框架前后两端顶部横梁；第3阶振型为框架与绞车沿Y轴方向的相向摆动振型，最大形变发生在框架尾部顶端横梁；第4阶振型为框架与绞车沿X轴方向的整体摆动振型，最大形变发生在绞车左端轮毂上；第5阶振型为框架与绞车绕Y轴方向的相向扭曲振型，最大形变发生在绞车两侧轮毂上；第6阶振型为框架与绞车绕X轴方向的相向扭曲振型，最大形变发生在绞车轮毂上。其6阶振型图如图2所示。

图2 模块绞车前6阶模态振型图Fig.2 Module winch before 6-order vibration mode

从计算结果可以看出，该模块绞车的前6阶固有频率在10～40,Hz之间，其振动最大幅值发生在绞车框架的顶端横梁和绞车轮毂边缘，这主要是由于绞车为板材类零件，且绞车轮毂缺乏加强筋的支持，加之绞车框架外形结构共同决定了其弯曲、扭转幅值最大出现在上述位置，建议在模块绞车后续的结构改进时考虑绞车两边轮毂添加加强筋，框架顶端焊接纵向横梁。

4 计算结果分析

引起拖缆采集地震模块共振的潜在振源包括外部环境载荷和船载设备等，环境载荷有风力、海流力、波浪以及地震力等，[5]但一般情况下拖缆采集工程船在设计阶段均会避免环境载荷引发共振的可能，故外部环境载荷对模块化绞车的影响基本可以忽略，应重点考虑船载设备频率对模块绞车的影响。

在拖缆采集作业中，电缆绞车滚筒转速一般为：0～15,r/min，对应频率为0～0.25,Hz；绞车液压马达转速为200～800,r/min，对应频率为3.3～13.3,Hz。通过对比可以看出：绞车滚筒、液压马达的频率基本不会与模块化绞车的前6阶固有频率产生重叠，这两台设备不会与模块化绞车产生共振。

5 结 论

模块化绞车的固有频率与绞车滚筒及其液压马达的工作频率相距较大，该两台设备基本不会与模块化绞车产生共振；经过前6阶固有频率分析可以看出，绞车滚筒边缘为应力较为集中区域，建议在模块绞车后续的结构改进时考虑绞车两边轮毂添加加强筋，框架顶端焊接纵向横梁；配备此模块的船只，在装备其他设备时，应注意监测设备的工作频率，尽量避免与模块化绞车的固有频率发生重叠，或通过对模块绞车进行结构改造来避免共振现象的发生。■

［1］ 毛宁波，褚荣英. 海洋石油地震勘探[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2004：61-62.

［2］ 曹妍妍，赵登峰. 有限元模态分析理论及其应用[J].机械工程与自动化，2007(1)：73-74.

［3］ 张韵韵，徐长生. 基于ANSYS的桥式起重机桥架结构模态分析[J]. 中国水运，2007(7)：108-109.

［4］ 刘生涛，杨凤鹏. 精通Ansys [M]. 北京：清华大学出版社，2002.

［5］ 陈浩，郭龙龙. 海洋平台起重机吊臂静力及模态分析[J]. 石油机械，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