海洋平台半主动振动控制方法及模型试验研究

论文摘要

海洋平台在服役期间会受到风、浪、流甚至冰以及地震等载荷的作用。在这种连续性、长期性环境载荷作用,海洋平台结构会发生明显、连续的振动,从而加剧了平台的疲劳破坏、增加生产风险,同时影响了平台作业人人员的工作环境,因此,海洋平台的振动控制成为工程界十分关注的课题。本文基于线性波浪理论、采用Morison方程计算随机波浪力,分析了海洋平台在随机波浪载荷下所表现的动力响应特性,以及磁流变阻尼器阻尼的特点,对海洋平台的半主动振动控制方法进行了理论和模型试验的研究。本论文主要研究内容包括:◆采用线性波浪理论、Morison方程、波浪力谱分析方法计算随机波浪力,并进行了数值模拟。◆建立了海洋平台结构振动方程,并分别从频域和时域给出了振动方程的求解方法,以一典型的海洋平台为数值算例,对实际海洋平台的振动响应进行了时域和频域分析,给出了平台的振动响应特征。◆将平台结构视为多自由度系统,推导出了加有控制装置后平台振动方程,基于滑移模态控制和模糊控制等智能振动控制理论,采用磁流变阻尼器为半主动控制实现装置给出了海洋平台结构的半主动控制系统设计方法,并以一典型的海洋导管架式平台为数值算例,进行了减振效果的数值仿真。◆以一典型导管架式海洋平台为原型,根据动力相似准则按1:50比例设计海洋平台结构模型,采用减振效果较好的模糊控制理论设计了针对该海洋平台结构模型的磁流变阻尼器半主动式振动控制系统,并对其在规则波及随机波设计实验工况下的减振效果进行了数值仿真。◆基于本文所发展的海洋平台结构模型设计方法及半主动式控制设计原理,实际制作典型导管架海洋平台模型及磁流变阻尼器(MR)为控制器的半主动控制系统,并在波浪水池中进行了多种工况模型试验,对平台在随机波、规则波作用下的减振效果进行了模型试验研究,并将数值模拟结果和模型试验结果进行了比较分析。结果表明,设计的控制系统对海洋平台在波浪载荷下的振动响应控制效果在30%以上,起到了很好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构振动控制技术研究与应用
• 1.2.1 被动控制方法
• 1.2.2 主动控制
• 1.2.3 半主动控制
• 1.2.4 智能控制
• 1.3 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
• 1.3.2 海洋平台振动控制技术的发展
• 1.4 论文研究内容任务和创新点
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 论文关键技术和创新点
• 1.4.2.1 关键技术
• 1.4.2.2 创新点
• 第2章 随机波浪荷载计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 线性波浪理论
• 2.3 随机波浪理论
• 2.3.1 随机波浪波面高度的分布特性
• 2.3.2 随机波浪的谱特性
• 2.3.2.1 PM 谱
• 2.3.2.2 JONSWAP 谱
• 2.4 MORISON 方程
• 2.5 随机波浪力的确定
• 2.5.1 广义随机波浪力的时域计算方法
• 2.5.2 频域中随机波浪力谱的计算方法
• 2.6 小结
• 第3章 海洋平台随机振动响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 振动控制方程
• 3.3 平台振动响应
• 3.3.1 时域分析
• 3.3.2 频域分析
• 3.4 数值算例
• 3.4.1 平台概况
• 3.4.2 设计海况
• 3.4.3 数值仿真结果
• 3.5 小结
• 第4章 滑移模态控制与模糊控制原理
• 4.1 引言
• 4.2 滑移模态振动控制
• 4.2.1 滑移面的确定
• 4.2.2 滑移模态控制器设计
• 4.3 模糊控制
• 4.3.1 模糊控制器结构
• 4.3.2 语言变量、论域的选取
• 4.3.3 量化因子、比例因子
• 4.3.4 建立模糊数模型[
• 4.4 小结
• 第5章 磁流变阻尼器及半主动式控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 磁流变阻尼器基本原理
• 5.2.1 磁流变液
• 5.2.2 磁流变阻尼器
• 5.3 海洋平台结构半主动控制方法
• 5.3.1 振动控制方程
• 5.3.2 基于滑移模态控制原理的磁流变半主动控制器设计方法
• 5.3.3 基于模糊控制原理的磁流变半主动控制器设计方法
• 5.3.4 磁流变阻尼器阻尼力的模拟方法
• 5.4 数值算例
• 5.4.1 滑移模态半主动控制算例
• 5.4.2 模糊半主动控制算例
• 5.5 小结
• 第6章 海洋平台磁流变半主动控制模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 试验的目的
• 6.1.2 试验内容
• 6.1.3 模型试验中半主动控制系统实施流程
• 6.2 试验方案的设计
• 6.2.1 海洋平台结构模型设计
• 6.2.2 测点布置设计
• 6.2.3 试验方法及工况设计
• 6.3 模型试验减振效果的数值模拟
• 6.4 水池试验及试验结果分析
• 6.4.1 试验条件
• 6.4.2 岸上静态试验
• 6.4.3 水池试验及磁流变阻尼器减振效果
• 6.4.4 试验测量结果与数值模拟结果比较
• 6.5 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学位论文
• 附录