海洋平台半主动振动控制方法及模型试验研究(新)

海洋平台半主动振动控制方法及 模型试验研究Studies on Semi-active Vibration Control Method and Model Experiment of Offshore Platforms

答 辩 人：霍发力 指导老师：吴立人 教授 嵇春艳 副教授2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 1

绪论

随机波浪荷载计算方法海洋平台随机振动响应分析

滑移模态控制与模糊控制原理磁流变阻尼器及半主动式控制方法

海洋平台磁流变半主动控制模型试验研究结论与展望2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 2

结构振动控制技 术研究与应用 海洋平台振动控制技 术研究的意义及现状

论文研究内容任务

1.结构振动控制技术研究与应用 (一)被动控制方法 被动控制方法是最早发展起来的结构振动控制技术,已形成了较完整的体系。被动控结构简单、造价 低、易于维护且无需外加能源等优点。 但是，缺乏跟踪和调节的能力，其控制效果一般依 赖于外载荷的谱特性和结构的动态特性。 (二)主动控制 主动控制需要较大的外加能源才能够提供所需的控 制力，在地震等特别环境下，外加能源不能够得到 保证，而且也不能够满足社会提倡的节能要求。2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 4

(三)半主动控制 半主动控制以被动控制为主体,其控制原理与结构主动控制基本相同。它根据系统输入的变化和对系统 输出的要求,实时调节系统中某些环节的刚度、惯性 以及阻尼特性,从而使系统能获得良好的振动特性， 只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便 使其主动地甚至可以说巧妙地利用结构振动的往复 相对变形或相对速度，尽可能地实现主动最优控制 力。 半主动控制能够运用很少的外界能量实现接近主动 控制的效果，现在是国内外研究的热点。2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 5

2 海洋平台振动控制技术研究的意义及现状 1.3.1海洋平台振动控制研究的意义 (1) 陆上资源的枯竭，海洋油气资源得到国内外的重视,海洋平台数量剧增。 (2) 海洋平台所处环境恶劣，而且随着工作水深的增加 ，平台振动加剧，影响到平台安全。 (3) 现在海洋平台响应已经是评价安全性的指标之一。 1.3.2海洋平台振动控制技术的发展 海洋平台的振动控制技术属于前沿的研究方向，仍处于 理论探索阶段，当前的研究成果也十分有限。 对平台的振动控制的试验研究国内主要有：欧进平、张 纪纲等对冰和地震载荷作用下的振动控制试验研究。对 波浪载荷的研究主要在理论上，波浪载荷振动控制水池 试验国内外还没有。

3 论文研究内容任务 (1) 研究波浪力的数值模拟方法，以及海洋平台动力响应特性。 (2)研究模糊控

制理论和滑移模态控制。 (3)研究基于磁流变阻尼器的海洋平台半主动控制方法及 数值模拟。 (4)设计海洋平台MRFD半主动控制水池模型试验方案， 及减振效果的数值模拟。

(5) 进行水池模型试验。

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引 言 线性波浪理论随机波浪理论 Morison方程

随机波浪力的确定2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 8

2.2 线性波浪理论 认为波动面是水面呈简谐形式的起伏运动。水质点的运动是以平衡位置为圆心的圆周运动，即以圆频率 作简谐 振动。 计算波浪中水质点在水平和垂直方向的运动速度如下： H chk ( z d ) x cos(kx t ) x T shkd H shk ( z d ) z sin(kx t ) z T shkd

2.3 随机波浪理论 海洋中的波浪是随机的，具有统计规律，随机波浪理论是运用概率统计原理对海浪进行研究。2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 9

谱分析是阐明海浪的能量相对于波浪频率或其它独立变量分布规律，建立其函数关系。 常见的波浪频谱包括：P-M谱、JONSWAP谱、文氏谱 、Wallops谱等，本文运用JONSWAP谱计算波浪频谱。 大量经验表明：JONSWAP谱和实测结果是吻合的，而 且它可以适用于不同成长阶段的风浪，因此得到广泛的 应用。用有效波高和峰值频率表示如下： S H s 0 m * 2

*

exp 1.25 m 0.0624 5 4 1

2 m exp 2 2 02

0.230 0.0336 0.185 1.9 江苏科技大学 霍发力

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2.4 Morison方程 以绕流理论为基础的半理论半经验公式。通过一定的假定可以得到D/L<0.2时柱体上波浪力的计算公式如下

:

d FH 0 (C M A

2.5 随机波浪力的确定 (1)时域计算方法 基于线性波浪理论，运用Morison方程仿真波浪力可以得到： F ( z, t ) CM AI u( z, t ) u( z, t ) dz C D AD u( z, t )dz0 0 d d

u 1 C D Du u )dz t 2

(2)频域计算方法S F TF S 22013-8-2 江苏科技大学 霍发力 11

引 言 振动控制方程

平台振动响应数值算例2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 12

3.2 振动控制方程 本文采用精度较高的有限元法来确定平台振动方程。 海洋平台运动方程可以表示为： x M t C x t K x t E F (t ) 3.3 平台振动响应 3.3.1时域分析 常用的数值解法有威尔逊 法、纽马克法和中心差分法。 3.3.2 频域分析 可以求

得平台位移、速度和加速度的谱密度函数为： Sv i Sa S xii

Txi

2

S

s 2 S x ( ) s4Sx

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3.4 数值算例 模拟位于墨西哥湾海域一导管架海洋平台，水深125m ,水面处桩腿直径 为1.6米，海底处桩腿直径为3米。该 平台共离散为390多个单元。 根据当地海域情况，选取JONSWAP 谱来描述海况，波浪的周期为8s,有 效波高为10m,波浪作用方向沿x轴 。

海洋平台有限元模型2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 14

0.15

X方向 Y方向 Z方向 合位移

最小值 -0.1114 -0.0075 -0.0064 -0.1118

最大值 0.1160 0.0079 0.0066 0.1164

均方差 0.0431 0.0026 0.0025 0.0433

Displacement response (m)

0.1 0.05 0 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 0 200 400 600 Time (m) 800 1000 1200

0.08 0.06

X方向 Y方向 Z方向 合速度

最小值 -0.0713 -0.0040 -0.0041 -0.0714

最大值 0.0645 0.0040 0.0037 0.0646

均方差 0.0271 0.0012 0.0015 0.0272

Velocity response (m/s)

0.04 0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 0 200 400 600 Time (s) 800 1000 1200

0.05

X方向 Y方向 Z方向 合加速度

最小值 -0.0474 -0.0021 -0.0027 -0.0474

最大值 0.0453 0.0023 0.0026 0.0453

均方差 0.0180 0.0006 0.0010 0.0180

Acceleration response (m/s2)

0

-0.05 0

200

400

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600 Time (s)

800

1000

1200

引 言

滑移模态振动控制

模糊控制

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4.2 滑移模态振动控制 滑移模态控制也称为变结构控制，是一种有很好鲁棒性能的控制方法。可以应用于线性和非线性结构的控制。 它特别适合在控制过程中受控制体的参数不断变化的半 主动变刚度和变阻尼控制。 对于联系控制器(无间断点),为了使 小于0,控制力 取：

ui Gis i i

对于非连续控制器，取控制力为： Gis i H ( 0 ) i 0 ui Gis i H ( 0 ) i 0 i 0 02013-8-2 江苏科技大学 霍发力 17

4.3 模糊控制 属于非线性智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。 模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大 规模、非线性复杂系统扩展，具有易于掌握、输出量连续、 可靠性高等优点。 模糊控制器设计包括以下几项内容：

确定模糊控制器的结构与输入、输出变量； 语言变量和论域的选取； 确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子); 建立模糊数模型和编制模糊控制算法的应用程序。

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引 言磁流变阻尼器基本原理

海洋平台结构半主动控制方法

数值算例及结论

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5.2 磁流变阻尼器基本原理 磁流变液的优点： (1)连续性。它能够随场强的变化而连续变化，因而磁流变阻尼器的阻尼力可以通过控制磁场大小而连续调 节。 (2)可逆性。即施加磁场后，磁流变液随磁场强度的 增加硬化成为具有一定剪切强度的粘塑性体，当撤去磁 场后，又恢复为自由流动的液体状态。 (3)反应迅速。流变性能的转化通常在ms级时间内就 可以完成。

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磁流变阻尼器特点：具有能耗低、出力大、响应速度快、结构简单、阻尼力连续可调，并可方便地与微机控制 结合等优点，已经成为结构振动控制新一代的高性能、 智能化的减振装置。 MRFD主要分为剪切式、阀式、剪切阀式和挤压流动式 ，下面主要介绍剪切阀式。 典型剪切阀式MRFD构造原理图：

剪切阀式MRFD的阻尼力可以表示为下面形式，即: 3 L D 2 d 2 L D 3 L D 2 d 2 Fsv v L D Y h h 4 Dh3 2013-8-2 江苏科技大学 霍发力 21

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