（机械电子工程专业论文）海洋平台振动控制研究及相似模型设计.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 海洋平台是海上石油天然气资源开发的基础设施。平台的有效振动控制已成为延 长平台使用寿命、提高平台可靠性、改善平台工作人员的舒适感的重要措施。因此， 如何减轻平台在各种载荷作用下的振动日趋重要。本文结合国家自然科学基金项且， 对e t m d 减振系统在海洋平台中的减振效果和海洋平台相似模型进行研究，本文研 究内容主要包括以下几个方面。 第一，利用海洋平台上的设备和装置作为质量体构造e t m d 减振系统。为分析 e t m d 减振系统的振动控制效果，将海洋平台和e t m d 减振系统简化为二自由度系 统进行研究。同时：引入振动控制效果评价指数作为减振效果评价指标，研究各个参 数对振动控制效果的影响。结果表明，影响e t m d 系统振动控制效果的参数有系统 的阻尼比、固有频率比和质量比，各参数的取值不同，振动控制效果也不同。 第二，为得到e t m d 减振系统的最优参数，根据二自由度动力学方程，编写了 m a t l a b 程序。得到最优振动控制效果下e t m d 系统的参数( 胁= 0 6 2 5 ，厶= 0 5 0 0 和 品= o 4 3 1 ) 及最优参数区间：肋，_ ( o 4 7 5 ，o 8 7 5 ) ，厶产( 0 3 5 0 ，o 7 5 0 ) 和点户( o 1 9 1 ， 0 5 9 1 ) 。 第三，为验证e t m d 减振系统对海洋平台的振动控制效果，应用a n s y s 有限元 软件，对海洋平台在随机波浪载荷和地震载荷作用下的振动控制进行了仿真分析。仿 真结果表明e t m d 减振系统能够有效的控制海洋平台的振动。 第四，为满足将来模型试验的需要，本文还进行了海洋平台相似模型的设计研究。 基于b a c k i n g h a m 霄定理，推导出海洋平台相似模型设计需要满足的条件。针对海洋 平台模型设计中，模型与原形固有频率难以满足相似条件的问题，引入固有频率比相 对误差作为模型相似程度的衡量标准，对南海w 1 2 一l 海洋采泊平台进行相似模型设 计，得到较为满意的相似模型。 最后，对相似模型进行验证。对海洋平台相似模型进行结构动力响应分析，按照 相似关系求出原型响应的推算值。按照相似关系对海洋平台的原型进行结构动力响应 分析，得到响应的原型值。分别对海洋平台模型的位移、速度和加速度的推算值与海 洋平台的原型值进行了比较验证。研究的结果表明海洋平台相似模型能很好的满足相 似条件。 总之，理论分析和仿真研究表明，e t m d 减振系统对海洋平台的振动具有显著的 i 海洋平台振动控制研究及相似模型设计 控制效果。根据满足固有频率相似条件的方法，设计的海洋平台模型能够满足相似条 件，为下一步的研究奠定了基础。在后续研究中，将制造模拟平台，对e t m d 减振 系统在海洋平台控制中的应用做进一步的研究。 关键词：海洋平台；振动控制；e t m d ；相似模型 i i 一一：，一：，。，! 一：! ，鎏星至些茎些圣：，一：。一：。：一 a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r m sr r et h eb a s e so f o f f s h o r eo i la n dg a se x p l o i t a t i o n v i b r a t i o nc o n t r o l t e c h n i q u eo f o f f s h o r ep l a t f o r m si so n eo f t h ei m p o r t a n tm e t h o d st oe x t e n dt h es e v i c el i f e ， e n h a n c er e l i a b i l i t yo ft h ep l a t f o r m sa n di m p r o v et h ec o m f o r t a b l ef e e l i n go ft h ew o r k e r s s o m er e s e a r c h e so nt h ee f f e c to ft h ee x t e n d e dt u n e dm a s sd a m p e r ( e t m d ) s y s t e mf o r v i b r a t i o nc o n t r o lo fo f f s h o r ep l a t f o r m sw e r ed o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n 。w h i c hi sa s s o c i a t e d w i t har e s e a r c hp r o j e c ts p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h e m a j o ra s p e c t so f t h er e s e a r c ho f t h ed i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s f i r s t l y , t h ee t m ds y s t e mi sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h ee q u i p m e n t so f o f f s h o r ep l a t f o r m a st h em a s sb o d y t h eo f f s h o r ep i a t f o r m ，o d w h i c ho n em a s sb o d yi sc h o s e na sa ne t m d s y s t e m ，i ss i m p l i f i e da sad o u b l e d e g r e e o f - f r e e d o ms y s t e mi nt h er e s e a r c h i no r d e rt o a n a l y z et h ei n f l u e n c eo f a l lp a r a m e t e r st ot h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t s ，t h ea p p r a i s a li n d e x o fv i b r a t i o nc o n t r o le f f e c ti si n t r o d u c e dt os t u d yt h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c to ft h ee t m d s y s t e m t h ei n f l u e n c eo fa l lp a r a m e t e r st ot h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c to fe t m ds y s t e mi s s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r a m e t e r s ，w h i c hi n f l u e n c et h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t ， a r et h er a t i o so fd a m p i n g ，n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm a s s t h ev a l u e so ft h ep a r a m e t e r so ft h e e r 帅s y s t e md e t e r m i n et h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t d i f f e r e n tv a l u e sh a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c eo nt h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t s e c o n d l y , t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa n do p t i m a lp a r a m e t e rr e g i o n sa r eg i v e nb y m a k i n g u s eo ft h es o f t w a r eo fm a t l a b ，w h i c hg i v e s t o = 0 6 2 5 ，2 0 = 0 5 0 0 a n d 品= o 4 31 ， 甜2 ( o 4 7 5 ，o 8 7 5 ) ，厶尸( o 3 5 0 ，0 7 5 0 ) a n d 0 # ( o 1 9 1 ，0 5 9 1 ) t h ee t m ds y s t e mh a st h e b e s tv i b r a t i o nc o n t r o le f f e c tw h e nt h ep a r a m e t e r st a k et h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa n dh a s b e t t e rv i b r a t i o nc o n t r o le f f e c tw h e nt h ep a r a m e t e r st a k ev a l u e si nt h eo p t i m a lp a r a m e t e r r e g i o n s t 1 l i r d l y , t h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c to nt h eo f f s h o r ep l a t f o r mo ft h ee t m ds y s t e mi s s i m u l a t e db yu s i n gt h es o f t w a r eo fa n s y s ，w h i c hi ss u b j e c t e dt or a n d o ml o a d so fw a v e a n de a r t h q u a k e i ts h o w st h a tt h ee t m ds y s t e mc a l lr e d u c et h ev i b r a t i o no ft h eo f f s h o r e p l a t f o r me f f e c t i v e l y f o u r t h l y ，t h es i m i l a rm o d e o f o f f s h o r ep l a t f o r m si sr e s e a r c h e df o rt h en e x ts t u d y t h e 海洋平台振动控制研究及相似模型设计 r e q u i r e dc o n d i t i o n so fs i m i l a rm o d e ld e s i g no ft h ep l a t f o r ma r ed e r i v e db a s e do nt h e b a c k i n g h a n l sp i - t h e o r e m t h eb a s i cc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e df o rp e r f o r m i n ga l ls i m i l a r r a t i o s t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h es i m i l a r i t yo ft h en a t u r a lf r e q u e n c yr a t i oi st h em o s t d i f f i c u l tt os a r i s f yi nt h es i m i l a rm o d e ld e s i g no f o f f s h o r ep l a t f o r m s n l ea u t h o ri n 仃o d u c ea p a r a m e t e r , t h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h e o r e t i c a la n da c t u a ln a t u r a lf r e q u e n c yr a t i o s ，t o m e a s u r et h ee x t e n to f t h ea c t u a ln a t u r a lf r e q u e n c yr a t i oa p p r o a c h i n gt h et h e o r e t i c a ln a t u r a l f r e q u e n c yr a t i oa n db r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o df o rs a t i s f y i n gt h es i m i l a r i t yo f t h en a t u r a l f r e q u e n c yr a t i oi nt h es i m i l a rm o d e ld e s i g no fo f f s h o r ep l a t f o r m s a na c t u a ls i m i l a r i t y m o d e li sd e s i g n e df o rw 1 2 1o f f s h o r ep r o d u c t i o np l a t f o r ms i t e di ns o u t hc h i n as e au s i n g t h en e wm e t h o da n d s a t i s f a c t o r yr e s u l ti so b t a i n e d l a s t l y ，t h es i m i l a rm o d e lo f t h ep l a t f o r mi sv a l i d a t e d t h es t r u c t u r ed y n a m i cr e s p o n s e o f t h es i m i l a rm o d e lo f t h ep l a t f o r mi sa n a l y z e da n dt h ed e d u c t i o nv a l u eo f t h ep r o t o t y p ei s o b t a i n e db a s e do nt h es i m i l a rc o n d i t i o n s t h es t r u c t u r ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ep r o t o t y p e o ft h e p l a t f o r mb a s e do nt h es i m i l a rc o n d i t i o n si sa n a l y z e da n dt h er e s p o n s ev a l u eo ft h e p r o t o t y p ei so b t a i n e d t h ed e d u c t i o na n dt h ep r o t o t y p ev a l u eo fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o ni s s e p a r a t e l yc o m p a r e da n dc h e c k e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d e lo f o f f s h o r ep l a t f o r mc a ns a t i s f yt h es i m i l a rc o n d i t i o n s i nc o n c l u s i o n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee t m ds y s t e m h a sm a r k e de f f e c tf o rv i b r a t i o nc o n t r o lo fo f f s h o r ep l a t f o r m s 1 1 1 es i m i l a rm o d e lo ft h e o f f s h o r ep l a t f o r m ，w h i c hi sb a s e do nt h en e wm e t h o df o rs a t i s f y i n gt h es i m i l a rc o n d i t i o no f t h en a t u r a lf r e q u e n c yr a t i o ，e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no ft h en e x ts t u d y am o d e lp l a t f o r m w i l lb em a d et os t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft h eo f f s h o r ep l a t f o r mv i b r a t i o nc o n t r o lt ot h e 玎m d s y s t e mi nt h ef o l l o w - u pr e s e a r c h k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；v i b r a t i o nc o n t r o l ；e t m d ；s i m i l a rm o d e l i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耋塑丑q 日期： 塑1 ：l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 论文作者签名：羔幽圈! l 导师签名：兰鱼日期：塑望：生! 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 海洋平台是海上石油天然气资源开发的基地，由于设置在无遮掩的海域，需要经 受住暴风、巨浪、坚冰、地震等恶劣海洋环境条件的考验。平台在多种载荷联合作用 下将产生振动，轻者让工人感到不适，重者会导致平台结构的疲劳破坏，造成平台倒 塌的灾难 调谐质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r ，t m d ) 作为耗能被动控制技术之一，因 其构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，有着其它方式无法比拟的优点。t m d 减振效果是明显的，但也有局限性，其效果受频率的影响比较大，当激励为窄带激励 或结构的响应由基阶模态控制时，控制效果较好，当激励为宽带激励或结构的响应由 多个模态控制时，控制效果就不明显；并且增加额外附加物控制平台振动不经济，在 技术实现上也存在非常大的困难。为克服t m d 缺点，本文对扩展调谐阻尼器 ( e x t e n d e dt u n e dm a s sd a m p e r ，e t m d ) 进行了研究。e t m d 减振系统是t m d 减振 系统的拓展，它是利用系统内部设备进行振动控制的技术。设备用弹簧和阻尼器安装 在平台上，在正常工作情况下，阻尼器可以消耗设备振动产生的能量，避免振动向平 台传递；在地震、台风、海啸或巨大海冰冲击等恶劣环境载荷作用下，调整弹簧和阻 尼器的参数，可以让平台上的设备作为一个巨大的t m d 使用，最大限度的吸收平台 整体振动的能量，从而保护平台不受破坏。 e t m d 减振系统与传统t m d 减振系统相比具有明显的优点。e t m d 减振系统不 会额外增加平台的载荷，它主要是利用平台内部的设备、装置等作为质量体进行平台 恶劣环境载荷作用下振动能量的消耗；在e t m d 减振结构体系中，全部调谐质量与 平台的剩余质量比要比普通t m d 系统的大出很多，因此减振效果良好；在减振结构 中一般设置多个减振质星体，所以整个减振结构体系相当于装设了多个t m d 的大型 t m d 减振系统，可以有效控制平台多个振型的振动。e t m d 减振系统在海洋平台控 制中的研究，对于保护平台的安全性具有重要意义 海洋平台振动控制研究及相似模型设计 1 2 海洋平台振动控制研究状况 海洋平台的振动控制技术已成为延长平台的疲劳寿命、提高平台可靠性以及改善 平台工作人员舒适感的重要手段。目前对海洋平台振动控制的研究一般采用的是传统 的结构控制方法：被动控制f ”、主动控制口捌、半主动控制1 4 j 和a g 合控制四。 国外研究方面，早在1 9 7 9 年v a n d i v c rjk 等 6 1 就对安装t l d ( t u n e dl i q u i d d a m p e r 。t l d ) 的海洋平台振动特性及其减振效果进行了研究，通过选择合适的水 箱参数可以有效地减小平台的动力响应，初步验证了t l d 的振动控制效果1 9 8 7 年， k a r e e m 等f 7 】将地面运动模拟成平稳和非平稳随机过程，进行了水箱一建筑结构体系 的随机地震反应分析，进一步验证了t l d 的减震效果。l e esc 等喁】研究了利用流体 的晃荡来吸收能量以控制平台的波激响应问题，分析表明振动器的圆桶半径、流体高 度、质量，频率和阻尼是影响减振效果的重要参数。b i s h trs 等【9 】研究了缆绳固定的 塔式海洋平台在风和波浪作用下的动力性质，并对结构进行响应分析，结果表明阻尼 是非常重要的参数。k a r e e m a 等【1 0 】用m o t e - c a r l o 法对平台结构的空气动力阻尼和水 动力阻尼进行了随机研究。l e eh 一1 1 d 2 】在导管架的斜撑上设置了粘弹性阻尼器来增 加结构阻尼，从而减小结构的振动响应；另外对受随机波浪载荷作用的海洋平台的振 动响应进行了分析，结果表明多数情况下，对于结构水平和垂向响应谱的峰值可以降 低5 0 0 , 6 。x uyl 等1 1 3 探讨了把阻尼器用来减少相邻结构中较高结构的第一和第二阶 模态的地震响应。z l m a g r h 掣“l 及s h u k l a a k 等嗍使用顺序优化程序确定了多层建 筑结构中粘弹性阻尼器的优化位置。m i l m a n m h 等1 1 6 1 利用模拟退火方法来搜索阻尼 器的优化位置。a l d e m i ru 唧使用优化的充分条件得到了广泛应用于地震激励结构控 制线性规划问题的解v m c e a 7 1 1 硼在平台结构中设置了主动质量阻尼器( a c t i v em a s s d a m p e r ，a m d ) 系统来减轻漩涡引起的振动。a h m a dsk 掣1 9 】研究了张力腿平台在 风、波浪作用下非线性耦台响应的主动控制问题，并对风和波浪组合的四种载荷工况 进行了分析，结果表明低频时的控制效果优于高频时的控制效果。t e r mmj 等1 2 0 1 将 一种多环反馈控制应用到近海钢制导管架海洋平台中，取得了较好的控制效果。在对 海洋平台主动控制算法研究中，y o s h i d a k 等口1 1 研究了线形闭环控制；s t t h a r d j o j 等劂 利用h 2 控制算法对b i d 主动控制装置在导管架平台的振动控制中的效果进行了研 究；a h m a dsk 等刚采用传统的最优控制算法对平台进行了最优主动控制研究。y a n g jn 等幽提出了两种基于主动控制理论的被动耗能装置的优化设计策略。a b d e l l 2 5 1 分 2 济南大学硕士学位论文 别从主动和被动角度研究海洋平台的振动控制问题。k a w a n o 等口日研究了半主动控制 装置在导管架海洋平台振动控制中的应用，主动控制力所产生的控制效果可以通过时 域瞬时优化控制方法来确定。 国内研究方面，l uj i a n h u i 等【2 7 】利用粘弹性阻尼器对平台振动进行控制，对阻尼 器的设计和位置优化进行了研究。欧进萍等 2 8 - 2 9 从1 9 9 7 年开始为解决渤海海洋平台 结构的冰激振动问题，研究了斜撑式粘弹性耗能减振和粘滞耗能减振方案，并且进行 了相应的模型实验：但是实验结果表明由于平台上狭小的空间限制了耗能器的数量及 其相对变形，因此减振效果不太明显。其后进一步研究了隔振装置在导管架平台上的 应用，并在导臀架端帽和甲板之问设置柔性阻尼层，对多种冰载荷工况和地震工况进 行了数值模拟，取得了良好的减振效果。王燕等【3 0 】研究了隔振层参数与结构阻尼比的 关系以及它们对结构整体和隔振层层问相对位移的控制效果，结果表明，采用阻尼隔 振是一种有效减振措施，当阻尼隔振层刚度较大时，可以有效控制平台结构的振动。 马海龙等【3 l 】针对一个实际的海洋平台计算模型，在随机波浪载荷作用下进行了平台振 动响应分析及阻尼器的位置优化设计，结果表明大跨安装阻尼器后，平台位移响应谱 幅度大大地降低。调谐质量阻尼器( t u n e di v a s sd a m p e r ，t m d ) 和调谐液体阻尼器 在海洋平台振动控制中的研究和应用也得到了广大学者的关注。陆建辉等d 2 。3 3 1 对随机 波浪载荷作用下调谐质量阻尼器对海洋平台的振动控制进行了研究，并采用多种方法 对t m d 参数进行了优化。孙树民 3 4 - 3 5 在采用调谐质量阻尼器对独桩平台在波浪作用 下控制研究时，考虑了流体桩土相互作用的影响，计算结果表明适当选择t m d 的 参数可以有效地控制独桩平台的波浪响应。d o n gs 和w a n gs h u q i n g 等 3 6 - 3 7 从理论和 实验两个角度对安装t l d 的海洋平台减振效果进行了研究，通过实验对水箱的形状、 频率比等参数对减振效果的影响进行考察，并且通过实验验证了理论模型的正确性 李宏男等d 8 】研究了海洋平台采用t l c d ( t u n e dl i q u i dc o l u m nd a m p e r ，t l c d ) 后对 地震响应的振动控制，探讨了t l c d 参数对于平台减振效果的影响。韦林【3 9 l 对近海 平台中的振动问题进行了最优控制的研究，他通过对该结构设置各种有效的振动控制 阻尼器( 包括调谐液体阻尼器和调谐质量阻尼器) ，详细分析了平台在主动与被动控 制情况下的减振效果，结果表明适合海洋平台构造的t l d 阻尼器和t m d 阻尼器可 以在主动与被动控制下有效地减弱振动。李华军、嵇春艳、吴永宁、苏荣华等 4 0 - 4 3 1 依据设计目标中对安全性和经济性的权衡，使得二次型控制目标函数最优化，推导出 了随机最优控制力的计算方法，从而实现了最优控制的目的，结果表明海洋平台的前 海洋平台振动控制研究及相似模型设计 馈反馈控制有很好的减振效果，可以在宽广的范围内实现大幅度的减振。周亚军等( 4 4 1 基于人工神经网络方法以及模糊逻辑理论，建立了海洋平台振动智能主动控制的框 架，实现了海洋平台的振动主动控制。“h l 坷m 等【4 5 】利用控制算法对a m d 主动控 制装置进行了研究。张纪刚等【硐通过对基于主动最优控制设计方法的研究，设计了磁 流变阻尼隔振系统，分析了冰激振动和地震作用下的磁流变阻尼智能振动控制反应， 结果表明海洋平台半主动磁流变阻尼隔振体系对导管架端帽处最大位移和甲板处最 大加速度均有很好的控制效果。管友海等【4 刀通过对磁流变阻尼器在海洋平台上半主动 控制的研究，建立了海洋平台半主动控制的数学模型，介绍了磁流变阻尼器的性能及 恢复力模型，并最终设计出了磁流变阻尼器的参数。孙树民 4 s l 也对采用磁流变阻尼器 的独桩平台的地震响应控制进行了研究，数值算例表明磁流变阻尼器对海洋平台振动 控制的有效性。l uj i a n , l u i 等网采用变刚度系统对位于墨西哥湾的海洋平台进行了半 主动控制研究，取得了很好的控制效果 虽然对于海洋平台的振动控制的研究，国内外已经取得了一些成果【5 嗍，但是与 要求相比，仍然存在着差距和不足。随着平台向深海推进，传统的导管架平台结构被 迫增大，抗弯刚度明显降低，振动周期增加，因此，避免平台与海浪的共振作用成为 研究重点。同时，为了提高平台对垂直载荷的承载能力，平台的结构不可避免地要增 大。而结构的增大，既会带来建造、运输、安装费用的增加，又会因水面下结构物迎 流面积的增大，增加海浪对平台的影响，平台的振动因此会增大，其安全性和可靠性 受到了挑战。主动控制的优点是适应性强，减振效果好，对受控结构的改动不大。但 主动控制无论在理论上还是工程实现上，都有相当的难度，而且需要夕卜界补充能源， 从而带来了耗费、工艺和安装上的问题。虽然对减振效果较好的半主动控制已进行了 长期有效的研究，但是却没有研究出非常有效的耗能产品，特别是质优价廉的耗能产 品。混合控制的方法虽然综合了几种方法的优点，应用前景广阔，但是研究成果甚少。 而被动控制方法不仅简单，造价低廉，减振效果良好，而且容易实现，目前发展最快， 应用最广。在海洋平台的被动振动控制方法中，t m i ) 已经用在陆上大型结构振动控 制中，并取得了明显的控制效果。基于t m d 在结构振动控制中的成功经验，有必要 研究其在海洋平台振动控制中的减振控制效果。 1 。3t m d 结构振动控制的发展现状 近年来结构控制的理论与应用得到了飞速发展，t m i ) 作为被动控制技术之一， 4 济南大学硕士学位论文 在生产实践中不断地得到应用嘲t m d 是一种最常用的被动控制系统，它是在结构 物顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相连，利用共 振原理，对主体结构某些振型的动力响应加以控制。主要是通过调整t m d 系统与主 体结构的质量比、频率比和t m d 系统的阻尼比等参数，使系统能吸收更多的振动能 量，从而大大减轻主体结构的振动响应 1 3 1t m d 振动控制的演化 t m d 的演化可以分为3 个阶段。第1 个阶段主要是对单个t m i ) 系统的研究， 多集中子对结构控制效果和最优控制参数的理论研究。自d e n h a r t gjp 冈提出一种无 阻尼系统t m d 优化参数原则以来，许多研究者对不同结构激励形式下的t m d 参数 优化问题做了研究。文献【5 7 】对t m d 的参数对主结构振动的影响进行了分析，从分 析结果可以看出，它是一种很有效的减振方法，同时发现适合应用于主结构阻尼较小 和对已有结构的被动控制。文献 5 8 1 研究了被动的t m d 系统对高耸结构电视塔的风 振控制效果和影响其控制效果的相应参数，研究结果表明它对结构风振的最佳效果可 达5 0 ，并且用实例进行了验证，另外被动t m d 系统对高耸的风振控制有明显的效 果。针对参数优化理论存在的两个问题：( 1 ) 结构响应实际上可以是变形、速度或 加速度，而激励也可以是地震作用或风载荷等不同激励，结构不同的部位在不同激励 下的不同响应所得结构响应不应当是一个单一目标函数，而应当包含多个目标函数； ( 2 ) 基于参数最优值进行t m d 系统设计时，设计者通过计算得到的最优调谐比和 最优阻尼比事实上很难准确实现，实际工程中所实现的阻尼比和调谐比与最优值总是 有误差的，而这样的误差所导致目标函数的优化损失，设计者也无从把握。为解决这 两个问题，文献 5 9 】提出了t m d 参数有效域的概念，采用此法进行设计可以有效解 决上述两方面的问题，使得系统设计的可靠性大大提高。但t m d 的减振也存在着缺 点，即它的有效性对结构自振频率的波动很敏感，由于误调或偏离最优点，其有效性 会很快下降。研究表吲h m l l ，当结构所受的外激振力频带非常窄时t m d 的减振效果 很好；当外激振力频带较宽时，减振效果明显降低。 第2 个阶段是对多重调谐质量阻尼器( m u l t i p l et u n e dm a s sd a m p e r s ，m t m d ) 的研究。主要对m t m d 结构刚度和质量摄动的鲁棒性进行研究，即讨论结构频率变 化对m t m d 控制有效性的影殉闯题，从而为设计提供一些有益的参考。1 9 8 8 年c l a r k a 2 1 提出了m t m d 的新思想及优化方法。为改善t m d 的缺点，x u k ，l g u s a t 【6 3 l 海洋平台振动控制研宄及相似模型设计 提出了具有多个不同动力特性组成且频率呈线性分布的m t m d 新思想。此后，众多 学者致力于这方面的研究。文献删分析了顶部带有附属物的结构控制效果，并且与 t m d 的控制效果加以比较验证算例表明多模态控制对结构的相对位移和绝对加速 度均有较好的控制效果，并且优于t m d 控制效果。文献【6 5 】对拥有多个调频质量阻 尼器的建筑结构在简谐地震作用下的特性进行研究，并将其与t m d 进行比较，分析 可得在已知质量系数的前提下，系统中的频率范围、阻尼系数和t m d 的个数是系统 的主要参数，它们对建筑结构的响应起主要作用，而且这些参数存在优化问题，优化 m t m d 对建筑结构的振动控制要比优化t m d 更为有效文献【6 6 】采用频域分析法推 导出了具有m t m d 的多自由度结构受控。并进行参数分析和设计，理论研究与计算 结果表明只要设计正确，它就可以有效地减小结构在地震作用下的动力响应，同时具 有造价低廉，维护简易的特点， 第3 个阶段是关于t m d 概念的扩展目前这方面的研究尚处在起步阶段，研究 成果比较少。p a l l a z z 0b ，l e t t il 6 ：q 在1 9 9 4 年提出了将基底隔震结构和t m d 系统合 二为一减小基频响应的新设想。分析结果表明将t m d 系统应用于基底隔震结构可以 更有效地吸收地震能量，基底相对位移显著降低。文献【6 8 】指出可用结构顶层代替 t m d 系统的质量块，这是一个具有实用意义的设计思想。文献【6 9 】基于调谐质量阻 尼器的原理，对新型减震结构进行了试验研究这种结构的主结构与顶层楼体间通过 叠层橡胶支座连接，形成一个大型的悬浮顶层t m d 系统。研究表明对吸震体进行适 当的参数选择，在不同地震波作用下主结构顶层加速度响应减少l ，4 以上。该体系减 震效果好、工艺简捷，对于工程抗震有较好的实用价值。 1 3 2t m d 振动控制的工程应用 日本在7 世纪和s 世纪建成的法隆专五重塔，经历多次地震仍安然无恙 7 0 1 。许多 著名学者对其抗震性能解说纷纭，至今尚未完全给予说明。但有一点是值得注意的， 就是该塔上部吊有像电线杆那样的长木竿，竿的自重对五重塔起到预压力作用，提高 了塔的抗弯能力，竿的下部置于比竿直径还大的圆筒形洞内，地震时五重塔振动的一 部分能量被竿的振动所转移，竿犹如板子振动碰撞洞壁，使能量耗散，这一点与t m d 吸振的原理相一致。美国最早开始进行理论的研究并将t m d 装置应用到了高层建筑， 如纽约的c i t i c o r pc e n t e r ，波士顿昀j o h nh a n c o c kb u i l d i n g ，都获得了令人满意的效 果。其典型应用可追溯到1 9 0 2 年安装于德国邮船上的f r a h m 防摇水箱t 7 1 1 。t m d 在 6 济南大学硕士学位论文 土木工程中有着较早的应用历史。前苏联于2 0 世纪5 0 年代初就在钢电视塔及烟囱上 安装了撞击式摆锤，使得风载荷作用下的振动得到较大的衰减。2 0 世纪7 0 年代，美 国波士顿6 0 层的j o h nh a n c 心：k 大楼和纽约2 7 4 m 高的世界贸易中心大楼也分别安装 了数百吨重的t m d 装置，有效地控制了结构的风振响应。1 9 8 0 年澳大利亚的悉尼电 视塔也成功安装了t m d 风振控制装置。在日本1 9 8 0 年第一个t m d 安装于c h i b a p o r t 塔上，随后，大阪f u n a d e 桥的桥塔也安装了t m d t r 2 1 在澳大利亚的悉尼电视塔上安 装了两个t m d 来减小电视塔的第一、二振型风振反应，特别应该指出的是用于控制 第振型反应的t m d 是悬吊在塔楼顶部重达1 8 0 t 的水箱，这是第一个用水箱来代替 质量块的尝试。世界上最长的悬索桥a k s h i k a i k y o 桥也采用t m d 来控制其3 0 0 m 高 主桥塔的风振响应 7 3 1 。在我国，瞿伟廉【7 川教授对u 型水箱进行了系统的研究，并将 其应用到厦门九洲大厦和上海气象塔的抗风设计中去，这是我国结构风振控理论应用 于实际工程的第一例。顾明、陈人、项海帆等【 】人对杨浦大桥的抖动问题进行了研究， 分别设计了对应不同质量比的7 种t m d 系统。根据需要的控制效率和许可的预算， 可任意选取一组用于对杨浦大桥的抖振控制。九江长江大桥应用新型t m d 抑制吊杆 涡振，成功的抑制了吊杆的涡激振动 7 6 1 。楼梦麟、吴和霖和马恒春等【7 7 1 研制出了一 种利用电磁涡流耗能的t m d 新装置，试验研究表明该装置具有良好的阻尼特性。并 且通过钢框架的振动台试验，研究这一装置减小结构地震反应的控制性能，以验证所 设计的电磁耗能装置的有效性和合理性，为实际工程中应用提供必要的实验依据。另 外t m d 被动控制与主动控制相结合形成的混合控制也在工程中得到了应用。日本东 京大学f u j i t at ，m i z u t am u g 最先进行了主被动切换混合调谐质量阻尼器控制的试验 研究，随后在1 3 0 m 高的日本信用银行大厦上安装了第1 个主被动切换混合调谐质量 阻尼器( 质量为1 9 5 t ) ，取得了非常好的控制效果【7 9 】。地王大厦位于深圳市罗湖区， 建筑高度3 2 4 。9 5 m ，任军，滕军，叶列平踟对地王大厦风振t m d 主被动切换混合控 制进行了研究。 尽管t m d 振动控制在高耸结构及桥梁振动控制中取得了许多成果，并且在实际 工程得到有效应用，但仍然存在着缺点。传统的控制方法主要是在结构上添加t m d 控制系统，但是t m d 作为外加的部分会额外地增加平台的承载负担，使可靠性减小。 作为外加系统，t m d 的质量不能太大，因此恶劣载荷作用下耗能减振能力有限。另 外，传统的t m d 用于结构振动控制时，有效频带较窄、控制效果不稳定、可实现性 较差。因此弥补t m d 振动控制的缺点，研究其在海洋平台控制中的减振效果具有重 7 悔洋平台振动控制研究及相似模型设计 要的意义。 1 4 课题主要研究内容 本文结合国家自然科学基金资助项目，对e t m d 系统在海洋平台中的减振效果 和海洋平台的相似模型进行了分析研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 构建e t m d 减振系统，引入振动控制效果评价指数对e t m d 系统的振动 控制效果进行研究。 ( 2 ) 研究了各个参数对振动控制效果评价指数的影响，并研究了e t m d 减振系 统的最优参数和最优参数区间。 ( 3 ) 利用时程分析方法，对海洋平台在随机波浪载荷和三维地震载荷作用下 e t m d 减振系统的控制效果进行了仿真研究。 ( 4 ) 基于b a c k i n g h a m 牡定理推导出海洋平台相似模型设计中各个物理参数需要 满足的关系式；对满足固有频率相似的模型设计方法进行了研究。 ( 5 ) 根据满足固有频率相似模型设计方法，对南海w 1 2 1 海洋采油平台进行相 似模型设计研究；分别对海洋平台模型的位移、速度和加速度的推算值与海洋平台的 原型值进行了比较验证研究。 1 5 小结 本章简要介绍了本课题的选题背景意义和研究的主要内容，对国内外海洋平台的 振动控制研究现状和t m d 结构振动控制现状进行综述。海洋平台振动控制的各类方 法有优点，同时也存在缺点和局限性。相比较而言，对海洋平台的振动控制更适合应 用被动振动控制方法t m d 作为典型的被动振动控制方法已经用在陆上大型结构振 动控制中，迸一步研究其在海洋平台振动控制中的应用，具有重要的意义。 第二章海洋平台载荷分析 海洋平台为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所随着海洋开发事 业的迅速发展，海洋平台得到了广泛的应用。与陆地结构物相比，海洋平台所处的海 洋环境十分复杂，时时承受各种载荷的作用。海洋平台在建造和使用期间所承受的载 荷可分为施工载荷、使用载荷和环境载荷三类。施工载荷指海洋平台在建造以及海上 调运、安装过程中所承受的载荷，这些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力。使用载 荷是指海洋平台在使用期间所受到的除环境载荷以外的其它载荷，它可分为固定载荷 - 和活载荷两种。固定载荷指作用在海洋平台上的不变载荷，活载荷则指与海洋平台使 用相关的载荷。环境载荷主要有地震载荷、波浪载荷、流冰载荷、风载荷等。环境载 荷是引起海洋平台振动的主要载荷，并且受环境条件影响，计算比较