海洋平台事故与金属阻尼材料F4 2003

1、 调研报告撰写者：章靖国调研报告撰写者：章靖国 （宝钢集团有限公司（宝钢集团有限公司 上海钢铁研究所）上海钢铁研究所） 由于海洋环境的复杂性、随机性以及平台 结构的损伤积累等原因，国内外都曾多次 发生海洋平台事故，造成了重大的经济损 失。 1964年冬，美国阿拉斯加库克湾两座新 建成的钻井平台被海冰推倒。 1969年春，我国自行建造的渤海老二号 平台被海冰推倒。 由于海洋环境的复杂性、随机性以及平台结构 的损伤积累等原因，国内外都曾多次发生海洋 平台事故，造成了重大的经济损失。 1964年冬，美国阿拉斯加库克湾两座新建成 的钻井平台被海冰推倒。 1969年春，我国自行建造的渤海老二号平台 被海

2、冰推倒。 海冰对结构的作用 冰荷载是高纬度海域海洋平台结构设计考虑的主要 环境荷载之一。 在冰情严重的海域，冰荷载甚至超越其他荷载，成 为海洋平台结构设计的控制荷载。 冰连续的作用引起结构剧烈振动，长期大幅度振动 引起结构的疲劳累计损伤，甚至可能导致失效。 渤海是我国重要的海洋油气开发基地，也是我国惟 一冬季结冰的内海。其中以辽东湾最为严重。 渤海JZ20-2油气田的生活动力平台JZ20-2MUQ平 台，位于辽东湾北部，冰致振动非常严重，实测20- 30cm厚单冰作用下平台结构振动加速度最高达 300gal 。 结构振动控制: 主动控制、半主动控 制、被动控制和混合控制。 主动控制主动控制 A

3、ctive Control 半主动控制半主动控制 Semi- Active Control 被动控制被动控制 Passive Control 混合控制混合控制 Hybrid Control 被动控制 Passive Control 通过采用隔振、吸振和耗能等技术来减小结构吸收 的能量，达到减振的目的。 1. 隔振技术隔振技术 2. 动力吸振技术动力吸振技术 3. 耗能技术耗能技术 1. 隔振技术 在上部结构与基础之间安置适当的抑制振动的装置， 限制输入结构的能量，增大结构的自振周期，同时 增加结构的阻尼。 橡胶隔振、滑动隔振、摆动隔振、弹簧隔振等。 采用隔振手段技术简单、造价低、性能可靠，因而

4、 是一种有效的振动控制技术。 橡胶隔振垫橡胶隔振垫的老化老化和耐久性耐久性问题。（阻尼合金的优阻尼合金的优 势势） 2 .动力吸振技术 动力吸振技术动力吸振技术是在主结构上附加一子系统，在荷载 作用下，通过子系统大量吸收能量，保护主体结构。 动力吸振减振装置： 调谐质量阻尼器(TMD) 调谐液体 阻尼器(TLD) 液压一质量控制系统(HMS) 3. 耗能技术是将结构的某些部件设计成耗 能构件或安装一些耗能器来消耗振动能量。 1978年美国Kelly和Eidinger提出叠层橡胶支座叠层橡胶支座隔震 方法和技术，结构基础隔震进入了蓬勃发展的阶段。 20世纪70年代初，美国Kelly 提出在结构中

5、设置非 结构构件的耗能元件金属软钢屈服耗能器金属软钢屈服耗能器，包括 扭转梁、弯曲梁和U形钢器件等，分担和耗散本来 由结构构件耗散的能量。这一思想是对结构抗震延 性设计的一个重要发展，由此形成了结构耗能减振 的一个重要方向。 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器: 利用材料的粘弹性改变结构的能量 储备与耗散。 摩擦阻尼器摩擦阻尼器: 通过摩擦装置滑动做功。 3. 耗能技术（续一） 优点优点： 不同的结构耗能技术具有广泛的适用性，同时耗能 装置成本低廉、性能可靠。 不足： 需要装设较多数量耗能装置才能起到有效的减振效 果。 被动控制系统不需要外部能源，但是只对某种设定 的荷载动特征进行控制，缺乏跟踪 和调节

6、的能力。 其效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动 态特性，适用范围较窄。 半主动控制 半主动控制以被动控制为主体，同时用少量能量改变控制 系统的参数或工作状态，起到调节控制力的作用，实现对 结构的可调控制。 目前已经出现的半主动控制装置：主动变刚度控制装置、 电流变阻尼器、磁流变阻尼器、可调干摩擦阻尼器、可调 粘滞阻尼器、半主动调谐质量阻尼器和半主动调谐液体阻 尼器等。 较近发展起来智能材料智能材料为基础的智能可调智能可调半主动控制装 置：磁流变液MRF、电流变液ERF、结构形状记忆合金 SMA和压电材料等。以它们为材料制成的智能器件(如阻 尼器、驱动器等) 具有构造简单、调节驱动容易、

7、耗能小、 响应迅速的优点，在结构振动控制领域中它们具有广阔的 应用前景。 磁流变阻尼器 磁流变阻尼器(Magneto-Rheological Fluid Damper， 简称MRFD)是利用磁流变液的磁流变效应而制成的可调 阻尼元件 MRFD是一种可调阻尼元件，控制方便、响应迅速 (十毫 秒级)、能耗小、调节范围宽、温度适应性强、结构简单 等特点。 20世纪80年代以来，随着智能结构和材料智能结构和材料出现，MRF技 术得到了快速发展，MRF阻尼器件也显示出广泛的应用 前景。 已应用于汽车、建筑结构和直升飞机中。 基于MRFD的海洋平台半主动控制技术海洋平台半主动控制技术，在海洋工程领域在海洋

8、工程领域 有重要应用前景。有重要应用前景。 混合控制 混合控制就是在结构上同时应用被动控制和主动控 制，或者是同时应用不只一种的被动控制方法，以 获得更好的控制效果。 阻尼材料 结构振动在很多情况下非常有害： 疲劳破坏 噪声 振动 表征阻尼性能的若干主要参数 从从0.01Hz0.01Hz到超声波具有高阻尼到超声波具有高阻尼 STAR SILENT 阻尼合金从0.01Hz 到超 声波频率的8MHz的宽频率带展现出高阻 尼性能。 在超声波频域上的阻尼性能堪比橡胶。橡 胶虽能有效地吸收高频波，但却无法去除 低频波。 STAR SILENT 阻尼合金的特点是其低 频端阻尼性能优于高频端阻尼性能。去除

9、低频波是HZ-ZN阻尼合金的特点。 优良的低频端阻尼性能 低频大振幅下具有良好阻尼性能 STAR SILENTSTAR SILENT 合金合金的阻尼性能与频率及振幅的关系 合金合金的阻尼性能与频率及振幅的关系 极低温度下的高阻尼性能及高延性极低温度下的高阻尼性能及高延性 STAR SILENT 合金在液氦（Helium） 温度下也具有良好的阻尼性能。 STAR SILENT 合金有高延性。没有出 现低温脆性。 即使便是铅及高分子材料，其阻尼性能也 会在低温下急剧下降，材质脆化，但是 STAR SILENT合金却不会发生这种情况。 应用及国内外概况 阻尼合金的应用方法 插入振动路径插入振动路径

10、贴在振动源上贴在振动源上 包围振动源包围振动源 连接在振动源之间连接在振动源之间 阻尼合金阻尼合金 （A A）夹、插入（）夹、插入（B B）支撑（）支撑（C C）连结）连结 （D D）粘附（）粘附（E E）聚集（）聚集（F F）包围）包围 阻尼合金应用的主要领域阻尼合金应用的主要领域 家电业界家电业界 精密仪器测定精密仪器测定 汽车制造业汽车制造业 医疗器械行业医疗器械行业 建筑行业建筑行业 土木业土木业(公路桥梁公路桥梁) 应用范围应用范围 在航天工业上在航天工业上, , 可用于火箭、导弹和飞机等使用的控制台及陀可用于火箭、导弹和飞机等使用的控制台及陀 螺仪等精密仪嚣螺仪等精密仪嚣, , 以

11、及发动机罩或涡轮机叶片等有关机械。以及发动机罩或涡轮机叶片等有关机械。 在汽车工业上在汽车工业上, ,有车身、制动器盘、旋转机械零件、变速器和滤有车身、制动器盘、旋转机械零件、变速器和滤 气器等。气器等。 在土木建筑业在土木建筑业, , 有桥梁、凿岩机等。有桥梁、凿岩机等。 在机械制造业上在机械制造业上, , 有锻压机、链式运输机用的链条导轨和各种有锻压机、链式运输机用的链条导轨和各种 齿轮等。齿轮等。 在铁路上在铁路上, , 有车轮和路轨等。有车轮和路轨等。 在造船工业上，有旋转机械零件和螺旋桨等。在造船工业上，有旋转机械零件和螺旋桨等。 在家用电器方面在家用电器方面, , 有空凋器、洗衣机

12、等。有空凋器、洗衣机等。 在办公设备方面在办公设备方面, , 有打字机和钻眼机等。有打字机和钻眼机等。 1，潜艇螺旋桨：英国研究的，潜艇螺旋桨：英国研究的 Sonostone 合金合金 用于潜艇螺旋桨已有十几年的使用实绩用于潜艇螺旋桨已有十几年的使用实绩, 并为法并为法 国、瑞典、丹麦、意大利和南斯拉夫等国的潜国、瑞典、丹麦、意大利和南斯拉夫等国的潜 艇配装了螺旋桨艇配装了螺旋桨, 有明显的降噪效果。有明显的降噪效果。 2, 链式输送机导轨：链式输送机导轨： 电子仪器装配厂用英国的电子仪器装配厂用英国的 Sonostone 合金改装的链式输送机导轨合金改装的链式输送机导轨, 噪声噪声 明显下降

13、。明显下降。 3，机械滤波器罩：，机械滤波器罩： 用用 Sonostone 合金后合金后,下下 降了降了14 分贝。分贝。 4，凿岩机杆：，凿岩机杆： 用用 Sonostone 合金镶片合金镶片, 从从111 分贝降至分贝降至98 分贝。分贝。 5，消声车轮：，消声车轮： 用用 Sonostone 合金减振后合金减振后,噪噪 声下降了声下降了6 分贝。分贝。 6，科特雷尔式高温静电集尘器用锤：，科特雷尔式高温静电集尘器用锤： 用美国用美国 研制的研制的 Incramute 合金后合金后, 噪声下降了噪声下降了13-30 分分 贝。贝。 7，圆盘锯和电粉碎机：，圆盘锯和电粉碎机： 用用 Incr

14、amute 合金减合金减 振后振后, 噪声下降了噪声下降了13-30 分贝分贝 8，垃圾处理机：垃圾处理机的升降装置用，垃圾处理机：垃圾处理机的升降装置用 MnCu 合金后合金后, 噪声降低噪声降低6-9 分贝分贝. 9, 燃气涡轮机啮（燃气涡轮机啮（nie）合齿轮：在啮合齿轮上）合齿轮：在啮合齿轮上 套装套装 MnCu 合金减振环后，减振效果是原来的合金减振环后，减振效果是原来的 300多倍。多倍。 10，汽车用凸轮轴齿轮：，汽车用凸轮轴齿轮： 用用 MnCu 合金环包覆合金环包覆 在齿轮上后在齿轮上后, 减振能力增加了减振能力增加了10-40倍。倍。 应用例应用例1 阻尼合金用于阻尼合金用

15、于Tool Holder Tool Holder 阻尼合金阻尼合金 应用例应用例1 阻尼合金用于阻尼合金用于Tool Holder 未使用阻尼合金未使用阻尼合金使用阻尼合金使用阻尼合金 应用例应用例1 阻尼合金用于阻尼合金用于Tool Holder 制振合制振合 金金 制振合金制振合金 振動：颤振振動：颤振 ： 振纹振纹 应用例应用例2 2 用阻尼合金垫圈和阻尼合金板隔振用阻尼合金垫圈和阻尼合金板隔振 Washer 垫圈 应用例应用例2a2a 用普通金属垫圈和阻尼合金板隔振用普通金属垫圈和阻尼合金板隔振 金属垫圈制振原理金属垫圈制振原理 金金 属属 垫垫 圈圈 制制 振振 原原 理理 无垫圈无

16、垫圈 普通金属垫圈普通金属垫圈 阻尼合金垫圈阻尼合金垫圈 例例4 4 在音响设备中的应用在音响设备中的应用 装配在装配在CD上的上的夹持器夹持器（clamper）, 由于由于其自身的旋转，在其自身的旋转，在700Hz左右产左右产 生共振，由此使音质受到影响。生共振，由此使音质受到影响。 但是在夹持器与光盘相接的一面贴上但是在夹持器与光盘相接的一面贴上 一枚一枚0.1mm的圆形中空状的阻尼合金的圆形中空状的阻尼合金 薄片，就能吸收光盘多余振动。薄片，就能吸收光盘多余振动。 下面一个图表示下面一个图表示: 对新旧型夹持器的对新旧型夹持器的 测试数据测试数据: 虚线是未使用阻尼合金的数据虚线是未使用

17、阻尼合金的数据; 实线所示的是使用阻尼合金的数据。实线所示的是使用阻尼合金的数据。 从数据可以看出从数据可以看出: 在在700Hz附近附近,由于由于 使用阻尼合金薄片使用阻尼合金薄片, 降低了降低了10几几dB。 阻尼合金阻尼合金 阻尼合金阻尼合金 例例4 4 在音响设备中的应用在音响设备中的应用 左图表示：模仿路面振动，故意使左图表示：模仿路面振动，故意使 其干扰并显示其干扰并显示CDCD的转轴（的转轴（spindlespindle） 的的聚焦伺服（聚焦伺服（focus servofocus servo）的错误的错误 信号的变化。信号的变化。 图下方的剧烈的振幅波形是干扰信图下方的剧烈的振幅波形是干扰信 号，上方左右的波形是号，上方左右的波形是伺服系伺服系统统所所 发挥的制振效果。发挥的制振效果。 右边所示的是使用阻尼合金薄片的右边所示的是使用阻尼合金薄片的 测试结果。把其与左边所示不使用测试结果。把其与左边所示不使用 阻尼合金薄片的测试结果进行对比阻尼合金薄片的测试结果进行对比 ，发现：使用阻尼合金片，显著抑，发现：使用阻尼合金片，显著抑 制了干扰