组合抗振海洋平台振动控制研究

论文摘要

固定式海洋平台是常用的一种海上石油勘探开发的承载体。海洋平台体积增大引起的载荷和费用增加、桩腿承载不均以及在恶劣环境载荷作用下的剧烈振动等问题限制了固定式平台向深水发展。传统的增加平台刚度和添加减振系统的振动控制方法由于受到各种条件的限制，表现出严重的局限性，不能满足安全性和可靠性要求。针对这种情况，作者研究设计了一种集抗振、减振、吸振等多种振动控制形式于一体的新型平台结构——组合抗振海洋平台。该平台由巨型框架平台和METMD减振系统组成。巨型框架平台是利用陆地高层建筑上应用日趋成熟的巨型框架体系构造的一种适应深水作业的新型海洋平台；METMD减振系统由多个具有不同控制频率的ETMD子系统构成，每个子系统由平台上的设备、装置或部分平台结构通过弹簧、阻尼器联结在平台上构造，是可以在恶劣环境载荷下进行平台振动有效控制的扩展TMD减振系统。该减振系统可以在不增加平台额外载荷的情况下提高平台的振动控制效果。为充分发挥组合抗振海洋平台的振动控制作用，本文对以下几个方面的内容着重进行了研究。 首先，利用巨型框架构造理论，以传统导管架平台为基础构造巨型框架平台。具体说就是将传统的导管架立柱直径增大形成巨型柱；沿平台均匀分布的横撑和斜撑集中并重新布置，形成沿巨型柱合理布置的巨型梁。巨型柱和巨型梁构成巨型框架平台的主结构，具有很强的抗侧刚度，能有效承担垂直载荷和抵抗水平载荷。其余设备、装置或结构利用弹簧、阻尼器联结在平台上，形成次结构。主次结构协调工作，形成组合抗振体系。 然后，对巨型框架平台的静态性能和动态性能进行了分析，并与功能相似、重量相同的普通导管架平台和直桩导管架平台进行了比较，结果证明该类平台具有优良的动静态性能。相同不均布载荷作用下，巨型框架平台的各个桩腿承载更均匀、应力更小。通过改变巨型梁道数、巨型梁高度、巨型梁刚度和改变巨型柱刚度、巨型柱倾斜角度等方式构造多种巨型框架平台，研究巨型梁和巨型柱的结构参数对平台静态性能和动态性能的影响，得到具有较好性能的优化平台。 第三，为进一步分析平台的减振性能，将组成组合抗振海洋平台的巨型框架平台和ETMD系统简化为二自由度模型，分析ETMD系统与平台剩余质量的质量比、阻尼比等参数对振动控制效果的影响。为扩大平台抵抗外载荷激励频率的范围，在巨型框架平台上设置多个ETMD减振子系统，构成METMD减振系统。利

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 海洋平台的发展和面临的挑战
• 1.2.1 固定式平台
• 1.2.2 移动式平台
• 1.2.3 顺应式平台
• 1.2.4 海洋平台面临的挑战
• 1.3 海洋平台振动控制方法研究
• 1.3.1 基础和结构隔振技术
• 1.3.2 耗能减振技术
• 1.3.3 主动控制、半主动控制与混合控制
• 1.3.4 振动控制方法展望
• 1.4 巨型框架结构体系的振动控制研究
• 1.4.1 发展及特点
• 1.4.2 振动控制研究
• 1.5 课题的提出和研究内容
• 1.5.1 课题的提出和研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 海洋平台承载分析
• 2.1 引言
• 2.2 平台承受的载荷
• 2.2.1 环境载荷
• 2.2.2 使用载荷
• 2.2.3 施工载荷
• 2.3 风载荷
• 2.4 波浪载荷
• 2.5 海（潮）流载荷
• 2.6 地震载荷
• 2.6.1 地震特性
• 2.6.2 设计地震
• 2.6.3 地震动时程曲线的获取
• 2.7 本章小结
• 第3章 组合抗振海洋平台的构建及静力分析
• 3.1 引言
• 3.2 组合抗振海洋平台的构建
• 3.3 竖向载荷作用下平台静力分析
• 3.3.1 竖向荷载
• 3.3.2 模型的构建
• 3.3.3 平台重力计算
• 3.3.4 承载均匀性分析
• 3.4 水平载荷作用下平台静力分析
• 3.4.1 水平荷载
• 3.4.2 承载均匀性分析
• 3.5 结构参数对巨型框架平台静力性能的影响
• 3.5.1 巨型梁布置对平台静力性能的影响
• 3.5.2 巨型梁刚度对平台静力性能的影响
• 3.5.3 巨型柱刚度对平台静力性能的影响
• 3.5.4 巨型柱倾斜角度对平台静力性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 巨型框架平台自振特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 平台自振分析的意义及应用
• 4.2.1 动态设计
• 4.2.2 载荷识别
• 4.2.3 灵敏度分析
• 4.3 巨型框架平台自振分析
• 4.4 结构参数对巨型框架平台自振特性的影响
• 4.4.1 巨型梁布置对平台自振特性的影响
• 4.4.2 巨型梁刚度对平台自振特性的影响
• 4.4.3 巨型柱刚度对平台自振特性的影响
• 4.4.4 巨型柱倾斜角度对平台自振特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 ETMD减振系统振动控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 ETMD减振系统的构成
• 5.3 ETMD二自由度系统减振原理分析
• 5.3.1 模型的建立
• 5.3.2 ETMD减振系统最优质量比研究
• 5.3.3 ETMD减振系统最优阻尼比研究
• 5.4 METMD多自由度系统减振原理分析
• 5.4.1 METMD减振系统构造及方程
• 5.4.2 METMD减振系统的参数研究
• 5.5 组合抗振海洋平台振动控制研究
• 5.5.1 新型摩擦阻尼器的结构及工作原理
• 5.5.2 新型摩擦阻尼器的动态力学性能
• 5.5.3 组合抗振海洋平台振动控制原理
• 5.5.4 组合抗振海洋平台的优点
• 5.6 本章小结
• 第6章 组合抗振海洋平台振动控制仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 随机波浪载荷作用下平台振动控制仿真研究
• 6.2.1 随机波浪载荷的计算方法
• 6.2.2 振动控制仿真分析
• 6.3 地震载荷作用下平台振动控制仿真研究
• 6.3.1 地震波的选取与调整
• 6.3.2 振动控制仿真分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 巨型框架抗振方法的工程应用
• 7.1 引言
• 7.2 巨型框架抗振方法在W12-1平台振动控制中的应用
• 7.2.1 原始平台灵敏度分析
• 7.2.2 减振措施的确定
• 7.2.3 减振措施的简化
• 7.3 振动控制仿真分析
• 7.3.1 原始响应
• 7.3.2 减振方案响应
• 7.3.3 仿真结果分析
• 7.4 工程实施及减振效果分析
• 7.4.1 工程实施
• 7.4.2 减振效果分析
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢