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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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