论文摘要
本文工作是结合国家“十五·863”高技术研究发展计划-新型平台抗冰振技术项目（项目编号:2001AA602015）完成的。针对我国渤海冰区边际油田的现役抗冰导管架平台的冰激振动,通过比较不同的减振策略,选择合理、有效、可行的减振装置对现役平台进行减振控制,并试图通过对柔性抗冰平台的冰激振动减振研究,为大型复杂柔性结构在环境荷载作用下的振动减振研究提供一套新的思路和途径。本文研究内容主要包括以下几方面:第一章介绍了本文研究的背景、意义,对柔性结构在环境荷载作用下的振动及其减振策略进行概括,主要对柔性抗冰导管架平台的冰激振动及其相关研究现状进行阐述。第二章以渤海抗冰导管架平台作为研究对象。借助于抗冰平台现场监测对抗冰平台的结构特点、冰荷载特性以及平台的冰激振动响应特性进行分析,进一步明确了抗冰平台冰激振动危害以及对抗冰平台采取冰激振动减振措施的必要性。基于现场原型监测的冰荷载及冰激振动分析是开展抗冰平台减振的基础。第三章介绍了当前土木工程应用中较成熟的减振策略,如耗能减振、端部隔振以及动力吸振等减振策略在海洋平台冰激振动减振中应用的可行性。基于现场原型监测,认为采用调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper-TMD）对现役抗冰平台进行冰激振动减振是较优的选择。本章同时对TMD的参数优化、不同外激励作用下TMD减振效果进行了分析。第四章针对目前土木工程应用中TMD减振效果无法准确评估的问题,依据TMD的减振机理并基于TMD与结构相互作用位置产生对结构的作用力的实质提出的时域相位分析方法。该方法区别于以往在频域或采用附加阻尼的宏观效果评价方法,为从机理上研究TMD减振效果提供了参考。第五章主要研究TMD在抗冰平台冰激振动减振中应用的可行性。研制了可应用于实际抗冰平台减振的大比尺、单向、滑动式TMD装置,并对该装置的概念设计及详细设计进行介绍。同时针对该减振装置进行实验研究,建立了一套可对大型复杂结构进行减振、控振实验研究的半仿真实验系统（Semi-Simulation experimental testing system）。该实验系统由仿真部分和物理部分组成。仿真部分为实测响应数据（或通过计算机中建立的数学模型计算得到的结构响应）通过计算机控制的伺服作动器系统输出:物理部分为实物减振装置。该实验系统的建立为大型复杂结构的减振、控振实验研究提供了参考,该系统具有较大的实际工程意义。第六章介绍了一种用于测试TMD装置等效作用力的测量方法。TMD减振机理和要依靠装置运动过程中对结构产生的作用力,然而针对该作用力的测试和研究还不多。本章在研究TMD装置在海洋平台冰激振动减振效果时,提出了一种可以直接测量结构安装TMD装置时产生的作用力,并通过实验验证了该等效作用力测试的准确性。利用该测试系统检验了冰荷载作用下TMD对抗冰平台减振的减振效果,结果表明TMD能有效降低平台的动力响应。第七章提出了一种用于测量调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper-TLD）等效阻尼力的测试方法。利用该方法可以实时测量TLD液体水箱晃动过程中对结构产生的作用力,从而解决了由于液体晃动剧烈时的强烈非线性而无法采用理论计算得到TLD对结构作用力计算的难题。为了从机理上研究TLD的减振效果并为实际应用中TLD减振效果评估提供依据,从TLD基本晃动特性分析出发,对设计制作的小比尺TLD减振装置进行共振情况下等效阻尼力的识别。第八章基于海洋平台结构复杂、某些物理参数不确定等因素,考虑系统参数不确定性影响的H∞控制方法对海洋平台的冰激振动进行主动控制研究。导管架平台动力学模型的自由度数较多,但研究表明平台的振动主要集中在前几阶模态,甚至是第一阶模态起主导作用。本文采用模态空间平衡降阶法对平台动力学模型进行降阶,进而构造了H∞控制器和H∞模态观测器,并利用主动质量阻尼器（Active Mass Damper-AMD）作为控制装置对抗冰平台的冰激振动进行仿真分析。最后,对全文工作进行总结,并提出了需要进一步研究的内容。
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摘要Abstract目录1 绪论1.1 研究背景与选题依据1.2 结构振动控制研究进展1.2.1 被动控制技术1.2.2 主动控制技术1.2.3 半主动控制及混合控制技术1.2.4 结构控制技术的发展趋势1.3 导管架海洋平台振动控制研究进展1.3.1 导管架海洋平台发展历史及现状1.3.2 渤海抗冰导管架平台的冰激振动问题1.3.3 抗冰平台被动控制研究现状1.3.4 抗冰平台主动控制研究现状1.3.5 抗冰平台减振研究有待解决的问题1.4 抗冰平台减振研究涉及的主要问题1.4.1 动冰荷载问题1.4.2 柔性抗冰结构动力分析问题1.4.3 冰-结构相互作用问题1.4.4 冰激振动失效模式问题1.5 本文主要工作1.5.1 抗冰平台冰激振动响应特性分析1.5.2 柔性抗冰平台冰激振动减振策略研究1.5.3 TMD减振机理及时域相位分析1.5.4 TMD减振装置的研制及半仿真实验系统1.5.5 TMD等效作用力的测量1.5.6 TLD等效阻尼力的测量1.5.7 海洋平台冰激振动鲁棒控制研究参考文献2 基于现场监测的平台冰激振动特性分析2.1 引言2.2 渤海抗冰平台的原型监测系统2.2.1 渤海冰情特点及平台定点观测2.2.2 现场原型监测目的及内容2.2.3 现场原型监测的实施方案2.3 基于原型监测的冰荷载及冰激振动响应特征2.3.1 直立结构的冰荷载和冰激振动特征2.3.2 锥体结构的冰荷载和冰激振动特征2.3.3 冰激振动响应分析结果2.4 小结参考文献3 抗冰平台冰激振动吸振减振分析3.1 引言3.2 抗冰平台动力特性分析及模型简化3.2.1 平台有限元模型3.2.2 抗冰导管架平台的模态分析3.2.3 抗冰导管架平台的模型简化3.3 TMD参数优化分析3.3.1 数学模型的建立3.3.2 TMD参数对控制效果的影响3.3.3 TMD参数优化设计流程3.4 TMD减振效果分析3.4.1 TMD参数选择分析3.4.2 TMD减振效果-时程分析3.5 本章小结参考文献4 TMD减振效果的时域与相位分析4.1 引言4.2 TMD相位概念的提出4.2.1 TMD附加阻尼概念4.2.2 结构-TMD相位分析4.2.3 结构附加TMD系统的数学模型4.3 基于TMD有效作用力的相位分析4.3.1 TMD有效作用力的定义4.3.2 TMD减振效果的相位判据4.4 TMD减振效果的相位分析4.4.1 基于冰力时程的TMD相位分析4.4.2 基于半仿真实验系统的TMD相位分析4.5 小结参考文献5 基于半仿真试验系统的TMD试验研究5.1 引言5.2 基于模型实验的TMD设计5.3 基于原型实验的TMD装置设计5.3.1 TMD装置概念设计5.3.2 TMD详细设计5.4 半仿真实验系统5.4.1 半仿真实验系统的提出5.4.2 半仿真实验系统的组成5.5 TMD装置参数识别试验5.5.1 系统装置刚度的识别5.5.2 系统阻尼比的识别5.5.3 TMD系统自振频率识别5.5.4 吸振装置启动条件的测试5.6 考虑实际结构附加减振装置的启动分析5.7 本章小结参考文献6 TMD等效作用力测量及其减振效果试验分析6.1 引言6.2 TMD等效阻尼力的定义6.3 TMD等效阻尼力的测量6.3.1 测试系统及装置6.3.2 测试原理6.3.3 测试结果及分析6.4 考虑等效作用力的TMD减振效果分析6.4.1 海洋平台模型及简化6.4.2 结构的动力响应分析6.4.3 基于等效作用力的TMD减振效果分析6.5 本章小结参考文献7 TLD等效阻尼力的测量7.1 引言7.2 TLD的减振原理7.3 TLD的研究现状7.3.1 TLD理论与试验研究7.3.2 TLD工程应用7.3.3 抗冰平台TLD减振的可行性分析7.4 矩形深水TLD计算模型7.4.1 矩形深水TLD液体晃动基本方程7.4.2 矩形深水TLD的自振频率7.4.3 矩形深水TLD对结构的作用力7.5 TLD装置设计及研制7.5.1 TLD选型分析7.5.2 TLD装置研制7.6 TLD等效阻尼力的测量7.6.1 TLD等效阻尼力测试原理7.6.2 测试系统7.6.3 扫频实验7.6.4 等效阻尼力的测试结果7.7 本章小结及讨论参考文献8 基于模态空间的海洋平台鲁棒控制8.1 引言8.2 平衡降阶法8.2.1 结构系统的状态空间描述8.2.2 模态空间控制∞控制'>8.3 基于模态空间的海洋平台冰激振动的H∞控制8.3.1 动力方程的建立8.3.2 动力方程的求解8.3.3 算例8.4 AMD在工程应用中需要解决的问题8.5 小结参考文献9 结论及展望9.1 本文工作总结9.2 抗冰海洋平台振动控制研究展望附录攻读博士学位期间完成及发表的学术论文论文创新点摘要致谢
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