（机械电子工程专业论文）海洋平台相似模型振动控制实验研究.pdf

s i m i l a rm o d e le x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nc o n t r o l o fo f f s h o r ep l a t f o r m s b y z h a n gh a i t i n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f m ar u j i a n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 4 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：独i 1 丑亚一 e t 期：幽垒：壶：至坚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 论文作者签名：熟i 抽压导师签名日期：出l 里：窆：2 k 济南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义l 1 1 1 研究背景l 1 1 2 课题的意义2 1 2 国内外研究动态一2 1 2 1 海洋平台振动控制方法研究2 1 2 2 相似模型振动实验研究状况和方法5 1 3 课题主要研究内容一9 1 4 本章小结1 0 第二章平台模型及力学分析。 2 1 平台承受的载荷1 1 2 2 平台模型及有限元模型1 1 2 3 平台模型模态分析1 2 2 4 本章小结一1 4 第三章振动控制装置设计与分析1 5 3 1e t m d 振动控制原理及方法1 5 3 1 1 振动控制原理。15 3 1 2 振动控制效果影响因素分析1 8 3 2 振动控制器装置2 0 3 2 1 垂直减振器设计2 2 3 2 2 水平减振器设计2 3 3 3 振动控制装置参数分析2 4 3 4 本章小结2 6 第四章振动控制装置控制效果仿真分析。2 7 4 1 仿真分析方法2 7 i 海洋甲台相似模型振动榨制实验研究 4 2 垂直减振器减振效果分析3 2 4 2 1 地震载荷作用下减振效果分析3 2 4 2 2 波浪载荷作用下减振效果分析。3 4 4 3 水平减振器减振效果分析3 6 4 3 1 地震载荷作用下减振效果分析3 6 4 3 2 波浪载荷作用下减振效果分析3 7 4 4 本章小结4 0 第五章相似模型振动控制实验研究4 1 5 1 实验装置4 l 5 2 实验研究方案4 3 5 3 实验数据的测量与记录4 6 5 4 本章小结4 6 第六章实验结果分析 6 1 实验数据及处理4 7 6 2 实验结果及分析5 1 6 2 1 实验结果和仿真结果比较一5 l 6 2 2 实验误差分析5 3 6 3 本章小结5 4 第七章结论与展望 7 1 结论5 5 7 2 创新点一5 5 7 3 展望5 6 参考文献 5 7 致谢6 1 附录硕士期间发表学术论文及科研情况 济南大学硕士学位论文 皇曼曼鼍i ,- - _ i ! 曼曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼皇皇曼皇曼曼皇曼皇曼曼毫曼曼鼍曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇皇曼蔓 摘要 海洋平台是海洋资源开发的基础性设施，其所处的环境恶劣，经常会受到风、浪、 流甚至是冰、地震荷载的联合作用。这种长期性的作用会造成海洋平台的振动，从而 会加剧平台的疲劳破坏，降低系统的可靠度，给生产和生活带来诸多不利影响。海洋 平台结构受到外界激励会产生振动，有害的振动会影响工作人员的健康，使设备和仪 器不能正常使用并且会降低结构的使用性能，严重的会导致平台结构的损坏，造成平 台倒塌的灾难。因此海洋平台的振动控制问题已引起海洋工程界的极大关注，成为技 术人员研究的热门课题。本文结合国家自然科学基金项目，对海洋平台相似模型振动 控制进行了实验研究，主要内容包括以下几个方面。 第一，以海洋平台相似模型为基础，使用a n s y s 软件建立有限元模型，对平台 模型进行力学分析，得出了平台的模态频率、质量和振型，为振动控制装置设计提供 了基础数据。 第二，根据二自由度系统简化模型，分析了e t m d 减振系统的减振原理，得出 了平台的动力放大系数。并以动力放大系数为研究对象，分析了e t m d 减振系统各 个参数对振动控制效果的影响，运用m a t l a b 软件进行了参数分析。 第三，根据海洋平台相似模型振动控制的要求，设计了两种减振装置，分别用于 垂直方向的振动控制和水平方向的振动控制，并阐述了其工作原理。 第四，对海洋平台相似模型进行动力响应分析，研究了平台模型在地震载荷和波 浪载荷作用下，平台模型的振动响应情况。为了研究振动控制装置对平台模型的振动 控制效果，将设计好的垂直减振装置和水平减振装置放置在平台模型的顶端，分析了 在随机波浪载荷、地震波载荷以及正弦波载荷作用下，平台模型的振动控制效果，并 根据平台减振效果，得出了振动控制装置各个参数的最优区间。 第五，进行了平台相似模型振动实验，将设计好的水平减振器放置在平台模型振 动最大的部位，考虑到模型的几个测点较少，为了测量的准确性和精度，实验采用了 单输入单输出的测量方法。采用激振器产生的正弦载荷进行水平激振，用a z 2 0 8 r 采 集箱进行数据方面的采集，通过c r a sv 6 2 的a d c r a s 数据采集分析系统进行数据分 析，获得模型各测点的加速度、速度和位移响应曲线。 第六，分析了平台模型在有无振动控制装置时，平台模型的振动响应情况。通过 实验研究发现，平台模型减振效果良好，同时研究了减振系统的质量比与平台的振动 海洋平台相似模型振动拧制实验研究 响应关系。将相似模型的振动控制实验数据和仿真数据进行对比分析，能较好的吻合， 并且对平台相似模型振动控制实验中数据存在的误差进行了分析。 总之，理论分析、仿真分析和实验研究表明，设计的振动控制装置对平台模型具 有良好的振动控制效果。 关键词：海洋平台；相似模型；振动控制装置；实验研究 l l 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t o f f s h o r e p l a t f o r m s a r ei n f r a s t r u c t u r e sf o ro c e a nr e s o u r c e d e v e l o p m e n t ，t h e e n v i r o n m e n tw h i c ht h ep l a t f o r ms t a y si sv e r ys e v e r e ，w h i c hi sa f f e c t e db yt h ew i n d s ，w a v e s ， o c e a nc u r r e n t s ，a n de a r t h q u a k e sc o m b i n e de f f e c t t h ep r o t r a c t e de f f e c t sc a u s et h ep l a t f o r m v i b r a t i o n t h e r e b yp l a t f o r mf a t i g u ef a i l u r ei sa g g r a v a t e d ，r e d u c i n gt h es y s t e mr e l i a b i l i t y , b r i n g i n gm a n ya d v e r s ee f f e c t sf o rt h ep r o d u c t i o na n dl i f e t h eo f f s h o r ep l a t f o r m s t r u c t u r e s w i l lb ei n d u c e dv i b r a t i o na n dn o i s ew h e ns u f f e ro u t s i d ee x c i t a t i o n t h ev i b r a t i o na n dn o i s e w i l la f f e c tt h eh e a l t ho ft h ew o r k e r s ，t h ew o r kc o n d i t i o n so ft h ee q u i p m e n ta n di n s t r u m e n t a n dt h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e i tc a u s e ss t r u c t u r a ld a m a g es e r i o u s l yt oc r e a t et h ep l a t f o r m c o l l a p s ed i s a s t e r t h e r e f o r e ，v i b r a t i o nc o n t r o lo fo f f s h o r ep l a t f o r m sh a sa r o u s e dg r e a t c o n c e r na n db e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cf o rm a r i n ea n do f f s h o r ee n g i n e e r i n g s o m e r e s e a r c hw o r k sa r ep e r f o r m e df o rs i m i l a rm o d e le x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nc o n t r o lo f o f f s h o r ep l a t f o r mi nt h et h e s i s ，w h i c hi sa s s o c i a t e dw i t har e s e a r c hp r o j e c ts p o n s o r e db y n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h em a j o ra s p e c t so ft h er e s e a r c ha r e f i r s t l y , o nb a s i so fo f f s h o r ep l a t f o r ms i m i l a rm o d e l ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e li s c r e a t e db yt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ep l a t f o r mm o d e li ss t u d i e d ， t h em o d a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sh a v eb e e no b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i cd a t a f o rt h ed e s i g no fv i b r a t i o nc o n t r o ld e v i c e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e dm o d e lo ft w o - d e g r e e - o f - f r e e d o ms y s t e m ，t h e t h e o r yo fe t m dv i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da n dt h ed y n a m i cm a g n i f i c a t i o n f a c t o ri so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm a g n i f i c a t i o nf a c t o r , t h ee f f e c t so fe a c h p a r a m e t e ro f t h ev i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d ，w h e r et h em a t l a bs o f t w a r ei su s e d t h i r d l y , t w oa n t i - v i b r a t i o nd e v i c e sa r ed e s i g n e df o r t h eo f f s h o r ep l a t f o r ms i m i l a r m o d e lv i b r a t i o nc o n t r o li no r d e rt oc o n t r o lt h ev e r t i c a lv i b r a t i o na n dt h eh o r i z o n t a l v i b r a t i o no ft h es t r u c t u r e ，r e s p e c t i v e l y t h e i rw o r k i n gp r i n c i p l ei sd e s c r i b e d f o u r t h l y , t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h eo f f s h o r ep l a t f o r ms i m i l a rm o d e li sa n a l y z e d u n d e re a r t h q u a k el o a d sa n dw a v el o a d s i no r d e rt os t u d yt h ev i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t ，t h e v e r t i c a la n t i v i b r a t i o nd e v i c ea n dh o r i z o n t a la n t i - v i b r a t i o nd e v i c e sa r ep l a c e do nt h et o po f t h ep l a t f o r mm o d e l t h ep l a t f o r mm o d e lv i b r a t i o nc o n t r o le f f e c ti ss t u d i e du n d e rt h e 1 1 1 海洋甲台相似模型振动控制实验研究 r a n d o mw a v el o a d ，s e i s m i cl o a da sw e l la ss i n ew a v el o a d i na c c o r d a n c ew i t hv i b r a t i o n c o n t r o le f f e c t ，v i b r a t i o nc o n t r o ld e v i c e so b t a i n e dt h eo p t i m a lr a n g eo f e a c hp a r a m e t e r f i f t h l y , s i m i l a rm o d e le x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nc o n t r o lo fp l a t f o r mi sd o n e t h eh o r i z o n t a la n t i v i b r a t i o nd e v i c ei sp l a c e di nt h et o po fp l a t f o r mm o d e lv i b r a t i o n t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el e s sm o d e lm e a s u r i n gp o i n t s ，t h ee x p e r i m e n tu s e st h em e t h o do f s i n g l e - p o i n te x c i ta n ds i n g l e p o i n to u t p u tm e a s u r e m e n t t h es i n u s o i d a ll o a dg e n e r a t e db y t h ee x c i t e ri sa d d e dt ot h el o a d i n gp o i n to ft h em o d e l a z 2 0 8 rc o l l e c t i o nb o xi su s e df o r t h ed a t aa c q u i s i t i o n a n dt h ed a t aa n a l y s i ss y s t e mo fc r a sv 6 2i su s e df o rt h ed a t a a n a l y s i s s i x t h l y , t h ev i b r a t i o nr e s p o n s e sa b o u tt h ep l a t f o r mm o d e la r ea n a l y z e df o rw i t ha n d w i t h o u ta n t i v i b r a t i o nd e v i c e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea n t i v i b r a t i o nd e v i c eh a sg o o d v i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t t h em a s sr a t i oo fv i b r a t i o n s y s t e ma n dp l a t f o r mm o d e l d i s p l a c e m e n tr e s p o n s er e l a t i o n s h i pi sa l s os t u d i e d c o m p a r e dt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t a l o ft h es i m i l a rm o d e lv i b r a t i o nc o n t r o lw i t ht h ed a t ao fs i m u l a t i o n ，w h i c hc a nb eb e t t e r t a l l y t h ee x p e r i m e n t a ld a t ae r r o r so fs i m i l a rm o d e lv i b r a t i o nc o n t r o la r ea n a l y z e d i nc o n c l u s i o n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y s h o wt h a tv i b r a t i o nc o n t r o ld e v i c eh a sg o o dv i b r a t i o nc o n t r o le f f e c tt ot h ep l a t f o r mm o d e l k e y w o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；s i m i l a rm o d e l ；v i b r a t i o nc o n t r o ld e v i c e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i v 济南大学硕上学位论文 i l l i i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 近几年来，随着世界经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，作为工业血液的 石油的需求量也是逐年递增。为了适应经济的发展和能源的供给，世界各国都在海上 建造石油平台。海洋平台是海洋资源开发的基础性设施，其所处的环境恶劣，经常会 受到风、浪、流甚至是冰、地震荷载的联合作用。这种长期性的作用会造成海洋平台 的振动，从而会加剧平台的疲劳破坏，降低系统的可靠度，给生产和生活带来诸多不 利影响。例如南海西部公司的w 1 2 1 平台在生产中出现振动过大的情况，导致整个 平台严重的颤动，直接影响平台上正常的生产【l 】。在很多情况下，平台上机器设备的 振动所引起的平台振动也是无法避免的，对平台的影响也比较大，例如平台上大型压 缩机的振动比较大，尤其是在满负荷的工况下，甲板振动非常剧烈，使相邻的配电间 振动明显，容易造成压缩机撬上的仪器仪表损坏，给油田的生产带来很大影响。 海洋平台结构受到外界激励会产生振动，有害的振动会影响人员的健康，使设备 仪器不能正常使用并且会降低结构的使用性能，甚至会导致结构的损坏，造成平台倒 塌的灾难。因此海洋平台的振动控制问题已引起人们的极大关注，成为海洋工程技术 人员研究的热门课题。 在很多情况下，当确定结构的工作性能时，往往是在结构计算分析的同时还需要 进行结构试验。作为试验的试件可以是真实结构，也可以是缩尺的结构模型。若以真 实的结构作为试件势必导致试验的规模很大，对设备、材料等要求很高且耗资大。所 以除了少数实验在真实结构上进行以外，一般的研究性试验都是模型试验，结构模型 试验与真实结构相比具有经济性好、针对性强和数据准确等特点【2 】。只要设计的模型 满足相似条件，则通过模型试验所获得的数据和结果可以直接推算到相应的真实结构 上去。因此，为了更好的研究海洋平台的振动问题，提高平台的可靠性和安全性，平 台振动控制已开始从理论和方案设计、试验研究，结合实际工程进行分析研究向工程 试点和应用方向发展，利用海洋平台相似模型进行振动控制实验成为我国近年来的研 究热点。 海洋甲台相似模型振动拧制实验研究 1 1 2 课题的意义 本课题研究的意义就是根据海洋平台相似模型，依据扩展调谐质量阻尼器 ( e x t e n d e dt u n e dm a s sd a m p e r ，简称e t m d ) 减振原理，设计振动控制装置。通过 对平台模型的振动控制响应仿真分析和实验研究，来比较分析减振前后平台模型的振 动响应情况。这为今后海洋平台结构振动的控制、平台抵抗外在载荷和工作载荷的能 力的提高措施，以及为满足平台可靠性、安全性和使用性的功能提供了可靠的理论依 据，对海洋平台的生存与安全具有巨大的影响，为海洋平台的振动控制提供了一种新 的方法和思路，因此，该课题的研究具有重要的意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 海洋平台振动控制方法研究 海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施和生产生活的基础，经常会受到风、浪、 流、地震等环境载荷的作用。这些大型海洋平台一般表现为以下特征：( 1 ) 固有频率 低，且低频模态密集；( 2 ) 本质上的分布参数系统，具有强耦合性和非线性；( 3 ) 结 构复杂，参数易变，自身结构以及所受外载荷具有不确定性3 1 。 传统的结构抗振主要依靠增加结构本身的性能，如采用高强度的材料和增加构件 断面的尺寸，来提高结构对外载荷的抗力，由于其所需的成本较高，经济性较差，且 受到外载荷不可预测性及结构反应的复杂性等众多因素的影响，采用此种策略未必能 达到很好的控制效果，另一方面材料的强度等性能总是有限的。 随着人类不断向更深海域发展，寻找一种经济有效的振动控制方法就显得十分必 要。近年来发展起来的现代结构振动控制，主要是将结构的某些部件设置成耗能部件 或在原结构设置附加装置，在振动过程中主要依靠这些装置的耗能来达到减小主结构 的振动。它为结构振动控制提供了一个崭新的思想，推动了结构振动控制领域的飞速 发展。 海洋平台结构相对于一般工程结构而言，其振动具有自身的一些特点，这些特点 体现在载荷和响应两方面。因此，海洋平台结构的振动控制也相应地具有自身的特点。 在结构振动控制中，由于被动控制是一种无外加能源的控制，采用隔振、吸振和 耗能等技术减小结构吸收的能量，从而达到结构减振的目的，而且造价低，易于实现， 因此被应用在海洋平台上。 当前应用于海洋平台结构振动控制的主要有调谐质量阻尼器、调谐流体阻尼器和 2 济南大学硕十学位论文 粘弹性耗能器。所以调谐液体阻尼器、耗能阻尼器和调谐质量阻尼器在海洋平台振动 控制中的研究和应用得到了广大学者的关注。 ( 1 ) 调谐流体阻尼器 调谐流体阻尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r s ，简称t l d ) 减振系统是通过附加的子系 统( 水箱) 来实现控制振动响应的，t l d 由于结构简单，安装方便，重复利用率高 等优点，利用t l d 减振的研究和分析做的比较多，提出了许多t l d 减振理论，并用 试验和工程进行了验证。 祁德庆等【4 】主要研究液体调频减振器对结构振动的控制，通过对结构的简化，并 采用振型分解法和时程分析相结合的方法，对结构进行动力分析和振动控制效果计 算。何晓宇、李宏男等【5 】通过对安装有调谐液柱阻尼器( t u n e dl i q u i dc o l u m nd a m p e r ， 简称t l c d ) 的导管架海洋平台进行振动分析，对不同的波浪载荷激励，探讨了调谐 频率比、激励频率比对减震效果的影响，并且优化了这些参数，建立了t l c d 平台系 统的力学模型和运动方程，通过数值计算验证了t l c d 减振的有效性。 h h l e e ，s h w o n g ，r s l e e 【6 】对张力腿海洋平台应用t l c d 系统的振动响 应研究，分析和实验表明t l c d 系统能够有效的减缓振幅和共振频率动态响应。l i h o n g n a n 7 】用一个三层高的建筑物为模型，在上面安装了一至两个t l d ，然后放置在 振动台上，然后输入地震波，通过改变液体的体积来调节质量，研究表明该实验值和 理论值基本吻合。w a n gs h u q i n g 等【8 】从理论和实验两个角度对安装t l d 的海洋平台 减振效果进行了研究，通过实验对水箱不同大小、形状、频率比等参数对减振效果的 影响进行考察，并且通过实验结果验证了理论模型的正确性。 ( 2 ) 耗能阻尼器 k c p a t i l ，r s j a n g i d l 9 研究了导管架海洋平台安装消能装置受波浪载荷作用的 动态响应。比较粘弹性阻尼器、弹性阻尼器和摩擦阻尼器以及无阻尼装置时的平台动 态响应，研究各种消量装置的减振效果。王燕等【1 0 】针对导管架海洋平台研究了隔震层 参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整体隔震层层间相对位移的控制效果，进行 了在波浪力和地震工况下的数值模拟。x uy o n g j u n 等f l l 】在地震和冰载荷作用下，导 管架平台经常采用钢板橡胶隔震器和阻尼减振系统来降低振动响应。在不同的低温环 境条件下，通过试验研究橡胶隔震器的压缩性和疲劳属性，为海洋平台在冰冷条件下 的橡胶隔震设计提供了指导，同时也为海洋平台的振动控制提供了理论基础。 文献【1 2 以j z 2 0 2 m u q 平台结构的冰激振动为例，分析了不同海冰设计条件、 不同标高和方向的挤压和弯曲破坏冰力作用下的粘弹性耗能器的振动控制效果，并研 3 海洋平台相似模犁振动控制实验研究 曼曼曼鼍! 曼曼曼曼量皇曼曼曼量曼曼曼曼皇詈曼曼鼍曼量l li_ ill imi 鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼量曼曼暑曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼 究了粘弹性耗能器在平台结构中的设置方式。a a g o l a f s h a n 1 3 】研究了导管架平台 在波浪载荷作用下摩擦阻尼的减振效果，通过数学公式计算仿真模型的响应，通过调 整摩擦阻尼的参数来降低平台的振动。 ( 3 ) 调谐质量阻尼器 调谐质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r ，简称t m d ) 作为一种被动振动控制方法， 其减振原理是：通过调整附加减振系统即t m d 系统的频率与阻尼参数，使主振动系 统的能量向t m d 转移由其耗散，从而降低主振动系统的振动，基于这种理论，t m d 作为一种减振系统，被广泛的应用在海洋平台和建筑结构上。 s h ix i a n g 等1 1 4 】应用有限元方法建立了固定式海洋平台三维模型，分析了多自由 度结构的动态响应是由非线性波浪力和波浪结构相互作用引起的。对结构有t m d 和 没有t m d 控制评估其减振效果，仿真结果表明优化设计的t m d 系统有着长期有效 的减振效果。嵇春艳【1 5 1 采用模态分析法对随机波浪载荷作用下调谐质量阻尼器对海洋 平台的振动控制进行了研究。李创第、黄天立【l6 】对多自由度带t m d 结构的随机地震 响应进行了系统研究，以结构的第一振型为主，通过复模态法进行解耦，获得第一振 型表示的结构地震响应的解析解，算例表明，在结构顶部装设t m d 子结构以后可显 著降低结构的位移、速度和加速度响应，能取得较好的减震效果。 鉴于t m d 在结构减振方面起着重要的作用，通过调节t m d 的参数，达到理想 的减振效果，因此t m d 系统参数优化的设计也显得尤为重要。李春祥【1 7 】利用导出的 设置调谐质量阻尼器时结构的位移和加速度传递函数的统一模式，建立了结构的位移 动力放大系数和加速度动力减振系数设计t m d 的优化准则，基于这个准则，研究了 t m d 在控制结构位移和加速度响应时的最优参数( 包括最优调谐频率比和阻尼比) 。 同长虹等【1 8 】通过分析调谐质量阻尼器减振原理以及t m d 参数对主结构振动特性影 响，得出了t m d 参数优化的理论依据。并通过在桥梁振动控制中的应用，说明所得 出的t m d 优化参数对于小阻尼结构进行振动控制是非常有效的。y u eq i a n j i n 1 9 1 等以 渤海湾的导管架平台为研究对象，研究发现当冰载的频率与平台的基频一致或接近 时，平台振动最大，严重影响平台工作人员和设备，因此提出了t m d 被动减振方法， 结果表明t m d 减振效果良好。 ( 4 ) 扩展调谐质量阻尼器 传统的调谐质量阻尼器和多重调谐质量阻尼器( m u l t i p l et u n e dm a s sd a m p e r s ， 简称m t m d ) 振动控制就是在平台上附加额外的质量块进行被动控制。这种减振方 4 济南大学硕上学位论文 法虽然具有很好的减振效果，但是需要增加额外的质量，因此增加了平台的重量。这 对深水导管架平台和柔性平台是不利的，研究不增加平台额外质量的振动控制系统是 非常必要的。课题组根据t m d 减振系统原理，利用内部装置或设备进行振动控制， 提出了扩展调谐质量阻尼减振系统的概念。 e t m d 是t m d 减振系统的延伸，主要是利用平台内部设备进行振动被动控制的 技术。在e t m d 减振结构体系中，主要利用平台内部的设备，平台不增加额外的载 荷，一般在系统中可以设置多个减振质量体，可以有效地控制平台结构振型的数量和 激励频宽问题。赵东利用e t m d 减振系统，对海洋平台振动控制进行有限元分析， 结果表明，e t m d 减振系统的频率接近或与激励的激振频率一致时，有较大的振动位 移，可以很好的吸收海洋平台的振动能量。研究表明质量比在【3 7 5 - 5 】之间，频率比 在【o 3 0 3 5 、【0 3 5 0 5 】两个区间具有较好的减振效果。 传统导管架平台上的大型设备，如大型压缩机是焊接或用螺栓直接与平台甲板相 连，作为平台质量的一部分。在恶劣环境下，其惯性力将成为导致平台破坏的主要原 因。在e t m d 减振系统中，这些大型的设备通过弹簧和阻尼器安装在平台上。正常 工作时，设备振动产生的能量通过阻尼器消耗，避免产生的振动传递给平台。在地震、 波浪、飓风等恶劣环境载荷下，通过调整弹簧和阻尼器的参数，让平台上的设备作为 一个巨大的t m d 减振系统，可以最大限度的吸收平台整体振动的能量，保护平台不 受破坏。马汝建等【2 1 1 以导管架平台为例，建立了有限元模型，分别模拟有e t m d 和 无e t m d 的情况下的海洋平台响应，得出e t m d 减振系统具有良好的减振效果。 考虑到实际的平台结构中，由于结构的限制，很难找到一个合适的巨大的质量体 和合适的阻尼器来构建巨型e t m d ，这无疑会影响减振效果。为了提高e t m d 减振 系统的减振效果，在结构上同时设置多个质量较小的e t m d ，构成多重扩展调谐质量 阻尼器( m u l t i p l ee x t e n d e dt u n e dm a s sd a m p e r s ，简称m e t m d ) 。文献【2 2 】研究证 明，m e t m d 的振动控制频带比单个e t m d 宽，频带宽度在0 3 5 0 6 之间时，平台 具有较好的减振效果，在0 4 5 左右时，系统振动最小，所以m e t m d 振动控制效果 优于单个e t m d 。所以，我们在平台上设置多个e t m d ，由于每个e t m d 有不同的 固有频率，这样e t m d 可以在一个频率范围内有较好的减振效果，研究e t m d 对海 洋平台的振动控制具有重要的意义。 1 2 2 相似模型振动实验研究状况和方法 对海洋平台等大型结构物进行结构振动控制研究及试验分析时，需要建立实际模 海洋平台相似模型振动控制实验研究 詈曼曼皇曼曼曼曼皇曼鼍量曼曼曼鼍曼曼鼍曼m m m mm。i。m l l 曼曼舅曼! 曼蔓皇曼曼曼皇皇曼皇曼鼍曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅曼鼍 型装置以及与之相匹配的模型控制装置。由于足尺度模型具有体积大、建造复杂、成 本高等缺点，同时受实验条件和场地等客观条件的限制，往往很难制造或者根本没有 条件制造。按照相似性理论，对原有结构进行缩尺处理，制造与原结构相似的缩尺模 型，在相似模型的基础上进行振动试验研究成为研究海洋平台的一种重要手段。 l ih 心u i l 掣2 3 - 2 4 】针对渤海某一海洋平台，根据原始数据建立了有限元模型，分 析认为在波浪载荷作用下，由于平台结构支撑腿和导管的刚度较弱而产生剧烈的振 动。由此设计了比例为l ：2 0 平台结构物理模型，模型试验结果与数值分析结果吻合， 并通过三种不同减振系统t m d 、t l d 和主动质量阻尼器( a c t i v em a s sd a m p e r ，简称 a m d ) 来研究海洋平台振动控制的问题。纪晓东，钱稼茹，徐龙河1 2 5 】通过对一个两层 钢支撑框架模型进行了模拟环境激励试验和力锤激励试验，通过改变结构质量和特征 灵敏度分析，得到质量归一化振型，同时进行了有限元计算分析。通过试验模态参 数识别与有限元计算得到的模态参数的对比，证明了该方法的有效性。杜国锋等【2 6 】 按l ：1 0 缩尺设计制作了一个钢管混凝土柱h 钢梁框架结构模型，并进行了模拟地震 振动台试验。根据模型加速度、位移和应变反应，按相似关系反推原型结构在各种那 个地震波作用下的地震反应，得到原型结构顶层层面最大位移和层间位移值。试验分 析结果表明，通过模型试验得出的数据和原型结构相比，数据基本吻合，未超出现行 规范限值要求。殷爱国，李兆霞【2 7 】从桥梁结构多尺度损伤有限元模拟的研究需要出发， 利用相似模型实验的理论、方法，对桥梁结构中包含焊接细节的钢桁架结构相似模型 试样的设计、制作安装和实验方案等方面进行了研究，并在对实验的钢桁架模型式样 进行初步有限元分析的基础上，确定了实验研究的载荷工况和测试方案。m j t a i t 【2 8 1 利用t l d 减振的室内模拟试验，模拟试验的模型按t l d 的几何比尺计算，给缩尺模 型分别施加正弦激励和随机激励，通过调节t l d 的大小和阻尼频率，来看t l d 的振 动响应和结构的幅值变化，验证t l d 减振效果是合理的。 范鹤等【2 9 1 依据相似理论，根据现场资料，满足几何相似条件，制作相似材料模型。 把模型试验的结果按照相似指标推算出原型结构的应力分布。用有限元软件a n s y s 进行受力全过程的数值模拟，并将数值模拟结果与模型试验、模型试验推算出的原型 结构数据加以对比，结果表明，模型试验和有限元数值模拟二者可以相互印证，对实 际工程设计具有参考意义。董胜等【3 0 】以渤海地区生产平台为原型按照动力相似原则设 计模型比尺为1 4 0 的模型，对规则波作用下圆形调谐液体阻尼器的可行性及有效性 进行了试验研究。黄维平、杨永春等1 3 1 】通过4 个1 2 0 的导管架平台模型试验，研究 6 济南大学硕十学位论文 了直立式桩腿导管架平台在海底淘空条件下的超常振动原因及其减振方案，提出了结 构频率降低以及导管架与桩之间的碰撞是造成该平台剧烈振动的根本原因及其相应 的治理措施。a h r n e d a 0 2 1 通过实验和理论两个方面研究缩比例导管架海洋平台，给 结构施加随机波浪载荷，利用有限元法确定模型的动态响应。研究表明，实验值和理 论值能较好的吻合。 近年来，随着科技的进步和经济的发展，越来越多的结构抗震控制装置被安置到 结构中，比如t m d 系统，对这些系统的试验验证显得越来越重要，对结构的动力试 验技术也提出了更高的要求，很多学者对结构进行了动力特性试验和地震模拟振动台 试验等。 周立超等【3 3 】通过模型振动台试验，以整体预应力板( 梁) 柱体系的人工质量模型 为例，对动力特性试验和有限元计算结果进行对比分析，介绍了模型设计、制作应满 足的量纲理论、相似关系及其在试验中的具体应用。李创第、黄天立等p 4 j 以 k a n a i t a j i m i 谱作为理论分析和振动台试验的地震激励模型，在运用复模态法获得多 自由度带t m d 结构随机地震响应解析解的基础上，对t m d 结构参数的优化取值问 题进行系统的理论与研究，并通过一个三层2 m x 2 m 6 m 的大尺度减振结构模型的振 动台试验，检验优化设