渤海jz20-2uq导管架式海洋平台110比例模型结构的数值分析

渤海jz20-2uq导管架式海洋平台110比例模型结构的数值分析

海洋平台结构是海洋平台中最常见的形状之一。海洋平台在动态振动的结构响应和振动控制方面一直受到国内外研究人员的关注，并对各种控制方法进行了深入研究。渤海海沟20-2muq平台是jz20-2气田的生活动力平台。冰激振动和地震是该海上平台结构设计的重要控制条件。王立宇等采用tsd方法对平台进行了理论和实验分析，欧金平等调查了平台结构的兵动控制措施和实施方案，主要调整了抗冰缩震的倾斜防护、粘度或滑动、甲板振动装置和生活层振动源。被动振动控制方案，如粘度弹、粘度横截面、动态振动控制方案和动态振动控制，欧金平、王刚等在模型结构的衰减、磁流阻尼器的智能振动、，本文在分析振动模型结构的新的高性能振动驱动器的优点和缺点时，研究了磁流阻尼器，并取得了最佳效果。磁流衰减装置是一种智能减压装置，具有快速响应的速度，低能耗，结构简单。它是结构振动控制领域中新型有效振动驱动器。欧金平、杨吉等在分析振动源方面控制平台结构，并在数值分析方面取得了一些进展。在本文中，我们分析了jz20-2muq波战舰模型结构的参数影响，并确定了该模型结构中隔震橡胶垫和磁流阻尼器的基本含义。在不同的地震作用下，分析模型结构的动态响应时间，验证了控制装置参数的合理性和控制方案的可行性，为平台实验提供了数据和理论保证。1海洋平台隔震体系采用JZ20-2MUQ海洋平台结构的物理相似比为1∶10的比例模型进行数值分析.平台模型的质量绝大部分集中在甲板组块和生活区组块,因此可以将其简化为单自由度模型.实测模型总质量为m=3750kg,总高度为H=6.46m.初步实验测得模型自振频率为ω=4.2Hz,剪切刚度为k=2611.5kN/m,阻尼比为ξ=2.7%,阻尼系数为c=5.3438kN/m.对海洋平台模型结构进行阻尼隔震.在平台导管架端帽与上部甲板之间设置阻尼隔震层,隔震层由叠层橡胶垫和磁流变阻尼器共同组成.由橡胶垫承担上部甲板层的全部竖向荷载,水平剪力由橡胶垫和阻尼器共同承担.模型结构和阻尼隔震方案如图1和2所示,阻尼隔震结构简化为两自由度结构,如图3所示.根据计算,简化模型与原结构的有限元模型计算结果差别很小,可以认为这种简化是合理的.基本参数为:甲板以上部分结构m1=200kg,k1=2611.5kN/m,c1=5.3438kNs/m,甲板以下导管架部分m2=3750kg,k2和c2要根据平台隔震体系的控制条件进行分析和设计,结构隔震层布置如图4所示.隔震系统的振动方程式如下:式中,x1、x2分别为首层和隔震层的绝对位移;xg为地面位移;其他参数含义与前面一致.对模型结构分别输入三种地震波加速度进行数值分析:ElCentro波,峰值加速度为300gal,时间相似比为1∶2;Taft波,峰值加速度为150gal,时间相似比为1∶1.54;天津波,峰值加速度为200gal,时间相似比为1∶5.为了考虑结构的最不利变形,地震作用的时间相似比通过共振分析获得.2结构的刚度比和阻尼比为了确定隔震层的刚度和阻尼,考查了结构刚度比和阻尼比对平台控制效果的参数影响.在不同地震作用下,隔震结构的刚度比和阻尼比对平台结构控制效果的影响如图5和6所示.图中xum和aum分别是平台结构无控情况下导管架端帽处的水平位移最大值和甲板层水平加速度最大值,xi1m、ai2m和(xi2-xi1)m分别是阻尼隔震控制下导管架端帽处的水平位移最大值、甲板层水平加速度最大值以及阻尼隔震层的层间水平变形最大值,k2/k1是结构的刚度比,ξ是隔震层的阻尼比.根据以上分析可以看出,虽然不同地震波作用下,刚度比与阻尼比对结构减震效果的影响不尽相同,但是其基本规律是一致的,综合考虑刚度和阻尼的影响,选择了结构刚度比为:k2/k1=0.6,从图5和6中可以看出阻尼比的变化对结构反应的影响较小,而高阻尼的造价相对较高,因此选择隔震层叠层橡胶垫的阻尼比为ξ=5%,根据k1计算得到k2=1566.9kN/m,其相应的阻尼系数为c2=29.620kNs/m.3滞回模型的建立简化的磁流变阻尼器阻尼力Fs的计算公式如下所示:式中,c是拟合系数,需要通过阻尼器的性能试验获得,v是剪切速率,f是摩擦力,也需要通过试验得到.根据对两个磁流变阻尼器器件性能的试验结果,如图7所示,数值计算中阻尼器相关参数取值如下:c=10kN.s/m,f最小值=1kN,f最大值=10kN,f与电流变的函数关系较为复杂,由于不是本文的重点,所以不在这里详述,只给出其变化范围.根据以上参数,可以由公式(3)得到磁流变阻尼器的滞回模型,如图8所示,图中给出数值分析中使用的限位型磁流变阻尼器的滞回模型,以及零电场和满电场作用下拟粘滞型磁流变阻尼器Passiveoff和Passiveon的滞回模型.对平台结构进行阻尼隔震控制,阻尼器的滞回模型采用以下几种方式:(1)零电场作用下的阻尼器拟粘滞型滞回模型被动控制;(2)满电场作用下的阻尼器拟粘滞型滞回模型被动控制;(3)变电流限位型阻尼器滞回模型被动控制;(4)半主动控制,半主动控制策略如下所示:4满电场作用的控制在三种地震作用和不同控制方法情况下,平台模型结构数值计算的反应最大值列于表1中.从结构时程分析结果可以看出:当磁流变阻尼器零电场作用下,导管架端帽位移和甲板层加速度控制效果较好,对隔震层层间变形的控制效果稍差,这主要是由于零电场作用下磁流变阻尼器的控制力较小,所以对隔震层层间变形无法起到很好的控制效果;在满电场作用下,隔震层层间变形控制效果较好,导管架端帽位移和甲板层加速度控制效果稍差,这主要是由于满电场作用下磁流变阻尼器的控制力过大,虽然对隔震层层间变形的控制起到了较好的控制,但对另外两种结构反应的控制效果反而变差;限位型阻尼控制对三者的控制效果都较好,虽然限位型阻尼控制是一种被动控制,但是由于阻尼器滞回性能好,所以也达到了比较理想的控制效果;半主动控制的效果最好,对各种结构反应都有比较均衡的控制效果,各项控制效果都达到40%以上.从另一个方面来看,当隔震层的层间刚度较小时,对导管架端帽位移和甲板层加速度的控制效果较好,但是隔震层层间变形稍大;相反,当隔震层层间刚度较大时,对隔震层层间变形的控制较好,而对其它两者控制效果稍差.总的来看,采用隔震橡胶垫与磁流变阻尼器结合,作为结构隔震层的控制装置,是一种有效的控制方法.尤其是采用半主动控制的方法,对结构各项动力反应都能起到很理想的控制效果.如果合理设计磁流变阻尼器的滞回模型,可以大大改善结构被动控制的效果,还有可能在被动控制时达到半主动控制的效果.5约束参数条件的确定本文对渤海JZ20-2MUQ导管架式平台磁流变阻尼隔震的1∶10比例模型结构进行了隔震层参数影响分析和阻尼器性能实验,确定了隔震装置的基本参数,并制定了相应的阻尼器智能控制方案,对模型结构进行了多种地震作用下的时程反应分析,得到了以下结论:(1)在不同地震波作用下,刚度比与阻尼比对结构减震效果的影响尽管不同,但其基本规律是一致的,通过参数影响分析可以确定比较合理的隔震层基本参数;(2)根据磁流变阻尼器的性能试验结果,确定数值分析中磁流变阻尼器的基本参数.从结构响应时程分析结果可以看出:当磁流变阻尼器零电场作用下,导管架端帽位移和甲板层加速度控制效果较好,对隔震层层间变形的控制效果稍差;在满电场作用下,隔震层层间变形控制效果较好,导管架端帽位移和甲板层加速度控制效果稍差;限位型阻尼控制对三者控制效果都较好;半主动控制的控制效果最好