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基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 摘要 海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的 基地。在风浪流等动载荷的作用下，有可能产生过大的振动响应，因此将结构振 动控制理论和方法应用于海洋工程当中是非常必要的。在海洋工程中应用虚拟样 机技术具有非常现实的意义，可缩短研究周期、节约研究费用、提高研究质量。 本文以一实际平台结构为研究对象，在考虑实际应用和工程条件要求的前提 下，设计一种新型变刚度调谐质量阻尼器( v s t m d ) ，并对控制装置的振动控制 效果进行了研究。在充分了解c i i 海洋平台结构特点和环境特征的前提下，首先 建立该平台的有限元模型分析其模态特性及其在随机波浪载荷作用下的动力响 应，确定结构y 方向为主振动方向，为振动控秘指明方向。然后根据平台结构参 数、动力响应、载荷特点设计了控制装置主要参数，并提出切实可行的控制方案 及完整的控制系统。在此基础上，使用多种软件对该控制器的控制效果进行了联 合仿真，首先建立海洋平台的柔性体模型并验证了模型的正确性通过一定的约 束关系将控制器模型添加至4 平台甲板上，建立控制系统模型并进行机电一体化仿 真。仿真结果表明，该控制装置对由随机波浪力引起的平台振动有良好的控制效 果，平台甲板的位移响应均方根差下降了2 3 0 2 ，加速度响应均方根差下降了 2 6 5 1 ，支撑移动位移均方根差为0 ，0 6 1 2 m 在允许范围内。在确定控制装置有效 的基础上，对控制装置的安装位置进行了分析研究，为物理样机的设计、制造、 调试和安装提供了依据。 关键词：海洋平台；随机响应；振动控制；虚拟样机：联合仿真；a d a m s ；a n s y s ； s i m u l i n k ；变剐度讽谐质量阻尼器 v ir t u a is i m u i a t i o no fo f f s h o r e p i a t f o r mv l b r a t i o n o o n t r olb a s e do nv a tia bles tif f n e s st u n e dm a s sd a m p e r a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r mi st h eb a s i ce q u i p m e n to ft h ee x p l o i t a t i o no f o f f s h o r eo ila n dg a sr e s o u r c e s ，a n dt h eb a s eo ft h ew o r ka n dli v i n ga tt h e s e a d y n a m i cl o a d i n g ss u c ha sw i n d ，w a v e ，c u r r e n ta n ds oo nm a yc a u s e p l a t f o r mt ov i b r a t ee x c e s s i v e l y ，w h i c hm a k e si tn e c e s s a r yt oa p p l y s t r u c t u r ev i b r a ti o nc o n t r o lt h e o r i e sa n dm e t h o d si no c e a ne n g i n e e r i n g i t i sv e r yr e a l i s t i ct oa p p i yv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi no c e a ne n g i n e e r i n gi no r d e rt os h o r t e nr e s e a r c hc y c l e ，c u tr e s e a r c hc o s ta n dt o i m p r o v er e s e a r c hq n a l it y t a k i n gp r a c t i a la p p l i c a t i o na n de n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n ti n t oa c c o u n t ， t h et h e s i s i n v e s t i g a t e st h ec o n t r o le f f e c to fas e m i a c t i v ev i b r a t i o n a b s o r b e r ，v a r i a b l es t i f f n e s st u n e dm a s sd a m p e rw h i c hi sd e s i g n e df o ra c e r t a i no f f s h o r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ec 1 i p l a t f o r ms t r u c t u r ea n d i t se n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，af i n i t ee l e m e n tm o d a li s e s t a b l i s h e d t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ep l a t f o r mu n d e ri r r e g u l a rw a v ef o r c ei sg a i n e d ， w h i c hi n d i c a t e st h eyd i r e c t i o nv i b r a t i o ni sm o s ts e r i o u s r e f e r r i n gt o p l a t f o r ms t r u c t u r e ，l o a d sa n dit sd y n a m i cr e s p o n s e , t h ep r i m a r yp a r a m e t e r s a r ed e s i g n e d ，p r a c t i c a lc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o m p l e t ec o n t r o ls y s t e ma r e p u tf o r w a r d t h ee f f e c to ft h ec o n t r o l l e ri si n v e s t i g a t e db yt h ej o i n t s i m u l a t i o no fa d a m s ，a n s y sa n ds i m u l i n k t h er e s u l t si n d i c a t et h a tu n d e r t h ei r r e g u l a rw a v ef o r c e ，t h ed i s p l a c e m e n ts t a n d a r dd e v i a t i o na n d t h e a c c e l e r a t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o no ft h et o pd e c kc a nb er e d u c e db y2 3 0 2 a n d2 6 5 1 r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ed i s p l a c e m e n ts t a n d a r dd e v i a t i o no ft h e c o d t r o l l e r ss i i d e r i n gs u p p o r tisr e a s o n a b l e ，0 0 6 1 2m e t e r t h e1 0 c a t i o i lo ft h ec o n t r o l l e ri so p tj m i z e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s ef o rt h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，d e b u ga n di n s t a l l a t i o no ft h ep h y s i c a l c o n t r o l1e r k e yw o r d s ：o f f s h o r epla t f o r m ；s t o c h a s ticr e s p o n s e ；v ib r a tio nc o n t r oi ： v i r t u a ip r o t o t y p e ：j o i n ts i 帅i a t i o r l ：a d w s ：a n s y s ：s i 删ii n k ： v a ria bies til l n e s st u n e dm a s sd a m p e r ( v s t u d ) 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 1 前言 1 1 工程背景与研究意义 海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的 基地。我国自上世纪6 0 年代在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已建成海洋 平台1 0 0 多座。我国海洋平台结构的主要形式是固定式导管架结构 1 j 。 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地结构相比，它所处 的海洋环境十分复杂，风、海浪、海冰、海流和潮汐等时时作用于结构，地震灾 害也有可能对结构产生威胁。而环境腐蚀、海洋生物附着、材料老化、疲劳累积 等不利因素都将导致平台结构构件及整体抗力的衰减，影响结构的安全度和耐久 度。海洋平台结构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 身结构以及所承受的外载荷都具有不确定性。所以，在众多不确定因素影响下即 使海洋平台的静强度足够，但是在风浪流等动载荷的作用下，仍有可能产生过大 的振动响应。而长时间、大幅度振动无疑会影响平台的正常作业，严重的可能导 致平台疲劳损坏，酿成重大海难事故。 历史上就曾多次发生海洋平台事故，造成了重大的经济损失和人员伤亡。 1 9 6 4 年冬，美国阿拉斯加库克湾两座新建成的钻井平台被海冰推倒。1 9 6 5 年， 英国北海的“海上钻石”号钻井平台支柱上的拉杆发生脆性断裂导致乎台沉没。 1 9 6 9 年春，我国自行建造的渤海老二号平台被海冰推倒。1 9 8 0 年3 月，北海 e k o f i s k 油田的a l e x a n d e rl k i e l l a n d 号钻井平台由于一只腿疲劳裂纹而引起 断裂，致使整座平台倾覆，导致1 2 2 人死亡。1 9 9 2 年的a n d r e w 飓风中，墨西哥 湾平台中的1 9 座不能使用，这些平台大部分是1 9 6 5 年前设计建造的 1 。所有这 些灾难的发生，都使整个世界为之震惊，从而引起了人们对海洋平台安全的极大 关注，同时也促使国内外一些国家政府和海洋石油部门加倍投资，以促进科研机 构与工程技术人员致力于海洋平台安全与防护的研究。 海洋平台是一种大型柔性结构，涉及到的士木工程问题甚为突出，如果利用 传统的减振方法，仅仅靠加强平台结构来耗散振动能量，被动地抵御风浪流等动 基于变刚度t 鼢的海洋平台振动控射虚拟实现 载荷的作用，不仅会大大地增加平台造价，而且由于结构复杂性和外载荷的不确 定性，也将难以达到预期的效果。结构振动控制技术及智能控制技术的出现为解 决海洋平台振动控制这难题提供了新的手段，并大大拓展了它们本身的应用范 围，同时也提出了一些富有挑战性的问题。因此，为了降低平台建造成本，延长 平台使用寿命，在海洋工程中应用振动控制技术势在必行。 虚拟样机技术以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线，可以 在设计早期确定关键的设计参数、更新产品开发过程、缩短产品的研制周期、节 约开发费用、提高产品质量。虚拟样机技术目前在机械制造、汽车交通、航空航 天、铁道、兵器、石油化工等领域得到广泛应用。应用虚拟样机技术可直接建立 海洋结构的样机模型，从最大程度上反映真实结构的特点，而且可以根据设计需 要对模型进行快速修改、优化和评估，而不用建造昂贵的物理样机；可以对海洋 结构所处的海洋环境参数进行模拟。考虑各种工况的组合，而不是建立简单数学 的公式；可以对关键零件的加工和装配进行仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现 问题，避免开发风险；可以将复杂的控制系统添加到样机模型上，然后对机电一 体化系统进行联合仿真，并对控制装置的安装位置和安装个数进行优化；大幅提 高仿真的精度和速度。总之，在海洋工程中使用虚拟样机技术可以设计出更加可 靠的海洋结钩，同时可大大提高设计效率，缩短研究周期，降低研究成本。因此， 在海洋工程结构设计和振动控制中应用虚拟样机技术具有实际工程意义。 1 2 结构振动控制技术研究进展及现状 结构振动控制是指通过采取一定的控制措施来减轻或抑制工程结构由于动 力载荷所引起的响应，以满足结构安全性、实用性和舒适性的要求。自从1 9 7 2 年美籍华裔学者y a o 2 1 首次提出结构振动控制的概念以来，目前已经成为结构工 程学科中的个十分活跃的研究领域，并且取得了丰硕的成果。结构控制在土木、 机械、宇航等领域已经得到广泛的应用，但在海洋工程领域中的研究和应用仍然 处于起步阶段，涉及到海洋平台的振动控制的研究成果为数不多，但是海洋平台 振动控制技术却是未来研究和应用的主要方向之一。 结构振动控制涉及到控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、生物科 学、机械工程、计算机技术、振动测量和数据处理等，是- - 1 3 交叉学科。结构控 基于变刚度t 舳的海洋平台振动控制虚拟实现 制根据所采取的控制措施是否需要外部能源可以分为被动控制、主动控制、半主 动控制和混合控制， 1 2 1 被动控制方法 结构振动被动控制方法是最早发展起来的振动控制技术，它不需要外加能 源。其控制力是被动控制装置随结构一起振动变形，因装置自身的运动而被动产 生的。它是在结构中布置一些装置或元件以达到隔离、调谐、吸能耗能减振的目 的，被动控制根据耗能机理可分为隔震、吸能和耗能三大类，被动控制的优点是 不需要外部能源、技术简单、造价低、性能可靠，但减振效果有限。被动控制装 置主要包括调谐质量阻尼器( 1 m d ) 、调谐液体阻尼器( t u ) ) 、液压质量控制系统、 质量泵以及粘弹性耗能阻尼器、摩擦阻尼器、金属耗能阻尼器等。 一、基础隔震技术 基础隔震技术是指在建筑物或构筑物基底设置控制机构来减少地震能量向 上部结构传输，使结构振动响应减小，防止地震破坏。目前研究开发并应用于实 际的基础隔震技术主要有：夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、 支撑式摆动隔震和混合隔震等【3 1 。 二、吸能减振技术 吸能减振技术是在主体结构中安装子 结构，当主体结构在外界载荷作用下发生 振动时，其振动能量便在主体结构和子结 构之间进行分配，从而达到减小主结构振 动的目的 4 1 。图卜l 是吸振的原理图，其中 h ( s ) 和g ( s ) 分别为主、子结构的传递函数。 主要有调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器及质量泵。 图卜1 结构吸振原理图 ( 1 ) 调谐质量阻尼器( t 洒) 调谐质量阻尼器( t m d ) 是通过一外加子结构对主结构进行动力调谐，以减 小其振动，是一种较为成熟的振动控制技术。是由质量块、弹性元件和阻尼元 件组成的子振动系统，如图1 - 2 所示，它可以实现对结构的某一振型加以控制。 通过优化设计t m d 的各参数，子振动系统能最大程度地吸收主结构的振动能量， 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 使其振动得到衰减。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机房或旋转 餐厅，日本千叶港已安装一座塔式建筑的t m d 系统。由于t m d 能有效地衰减结 构的动力响应，且安全、经济，因此，己被广泛用作高层建筑和高耸结构以及 大跨度桥梁的抗震抗风装置【5 - 9 。 晦 锺 图卜2t m d 系统示意图 ( 2 ) 调谐液体阻尼器( t l d ) 图卜3t l d 系统示意图 调谐液体阻尼器m d ) 是利用水槽中浅水层的波浪效应来控制结构的振动， 如图1 3 所示。它是依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量，减小结构 的动力响应。与t m d 相比，t l d 系统的造价低，不需要特别装置，对容器形状 也无特殊限制，不需要维修，可以方便地设置在已有建筑之上，并可兼作水箱 之用1 1 0 - 1 5 】。 三、耗能减振技术 耗能减振控制是把结构物中的某些构件( 如支撑、剪力墙等) 设计成耗能部件 或在结构物的某些部位( 节点或连接处) 装设耗能阻尼器，在风载和小震作用下， 耗能插件和阻尼器处于弹性状态，结构体系具有足够的抗侧移刚度以满足正常使 用要求。在强烈地震作用时，耗能插件或阻尼器率先进入非弹性状态，从而保护 主体结构在强震中免遭破坏，主要有粘弹性耗能阻尼器1 1 6 1 、摩擦阻尼器【i 6 1 、金 属耗能阻尼器【1 7 1 、粘滞阻尼器【1 6 】、复合型耗能器等嗍。 耗能减震技术为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径，它克服 了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计方法，具有概念简单、减震机理明确、减震 效果显著，安全可靠的特点。被动减振控制技术具有很多优越性，因而已被成功 应用于高耸结构、大跨桥梁、海洋平台或其他特种结构抗震设计及已有建筑物的 加层改造等。 基于变刚度彻的海洋平台振动控制虚拟实现 1 2 2 主动控制方法 主动控制是通过安装在结构上的传感器测得结构的响应或外荷载并输入计 算机，从而对环境动荷载和结构的响应实现联机的实时跟踪和预测，并通过作动 器对结构施加控制力，在满足一定的优化准则前提下，达到减小或抑制结构振动 响应的目的。由于实时控制力可以依据外界荷载的变化而变化，所以明显优于被 动控制。主动控制技术己发展为- - 1 7 涉及控制理论、随机振动、结构工程、材料 科学、机械工程、计算机科学、测量技术、信号处理和自动控制技术等方面的新 兴交叉学科。 但由于土木结构自重大而且旌加其上的动荷载能量较大，所以需要的控制力 也非常巨大，这就使主动控制不易实现而且成本昂贵。此外，主动控制系统设计 复杂，可靠性可能成为问题，这些都使主动控制在土木工程中的应用和推广受到 较大的限制。因此，结构主动控制可采用的主动控制装置种类也相对较少。主动 控制的研究工作主要分为主动控制算法和主动控制装置两部分。 一、主动控制算法 控制算法是结构振动主动控制研究的重要内容。2 0 多年来，国内外从事结 构控制的学者对主动控制算法进行了大量研究，取得了一系列成果。从原理上讲， 所有现代控制理论的控制算法都可以借鉴过来用于结构主动控制，但由于土木工 程结构的特殊性，有些算法可直接应用，有些算法就要作些特殊处理。目前结构 振动主动控制常用的有以下几种算法：( 1 ) 经典线性最优控制( c o c ) 0 8 - 2 1 1 ，它是 基于现代控制理论，以线性二次型性能指标函数为目标函数来确定控制力与状态 向量之间的关系式。目标函数中用权矩阵来协调经济性与安全性之问的关系，需 求解r i c c a t i 方程。由于该方法忽路了外载荷项，严格说来，按该方法得到的控 制并非最优控制。但是数值分析和实验证明这一控制算法是行之有效的。( 2 ) 瞬 时最优控制( i o c ) u s - 2 1 1 ，i o c 算法与c o c 算法的区别在于它们所采用的性能指标 不同。i o c 算法采用时问变量的二次性能指标，使控制力在任意瞬时都能使所采 用的目标函数值最小。( 3 ) 极点配置法 2 2 - 2 3 l ，在状态向量空间内，控制系统矩阵 决定系统的动态特性，可通过选择适当的增益矩阵，使闭环系统的动态特性取得 满足设计者要求的预期值，这就是极点配置法。 以上都是针对线性结构的基本算法，在此基础上还派生出了其它分支算法。 基于变刚度t m n 的海洋平台振动控制虚拟实现 如独立模态空间控制法、滑动模态控制、日。状态反馈控制、随机最优控制法、 自适应控制法等，各种方法之间并非完全排斥，在实际应用中更多的是结合实际 控制对象，采用混合控制技术。 二、主动控制装置 目前，结构主动控制可采用的主动控制装置种类较少，主要有：( 1 ) 主动质 i n 劂( a m d ) t 1 8 j ，a m d 控制系统在惯性质量与结构间提供一对控制作用力， 用以调整主结构与惯性质量之间的能量分配，研究表明a m d 系统抗震及抗风效 果都较好但对刚度较敏感，而且造价高。( 2 ) 主动空气动力挡风板系统 2 4 - 2 6 ，该 装置是通过改变挡风板的受风面积来调整挡风板所受的风压力，进而抑制结构的 风振响应。大部分控制能量来源于风力，控制系统只需提供改变挡风板受风面积 的能量。( 3 ) 主动支撑系统( a b s ) t 2 4 1 ，它是通过在抗力构件上增加斜撑，利用电 液伺服控制机构控制斜撑的收缩运动，构成主动控锘4 装置。该装置可利用机构上 已有的支撑构件。主动支撑控制装置适用范围广，但结构复杂、成本较高，同时 需耗费大量的能源。 其它主动控制系统有主动拉索系统( a t s ) 、主动变刚度系统( a v s s ) 、主动调 谐质量阻尼系统( a i w d ) 。 1 2 3 半主动控制方法 半主动控制一般以被动控制为主体，通过改变结构的刚度和( 或) 阻尼自适应 调整结构动力特性来达到减振目的的一种振动控制方法【2 6 1 。它具有控制效果接近 主动控制而仅需极少能源的优点，而且由于是受限输入受限输出( b i b o ) 系 统，不存在主动控制那样的控制失稳问题，在能源供给失效时，可立即变为被动 控制系统而发挥控制作用。其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生， 但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，对被动控制系 统的工作状态进行切换，以适应系统对最优状态的跟踪，从而起到调节控皋4 力的 作用。现有的半主动控制技术有：主动变刚度装置、主动变阻尼装置、半主动 t m d 、半主动隔层装置和半主动力触动器等。 一、主动变刚度系统 主动变刚度控制系统是由日本学者k o b o f i 2 72 8 1 等首先提出来的。所谓主动变 6 基于变刚度t 岫的海洋平台振动控制虚拟实现 刚度控制就是通过探测外载荷的关键参数或根据结构本身的振动状态来预见外 载荷的特性，改变和控制结构的刚度，使结构的周期避开外载荷的卓越周期，建 立一种所谓的非共振状态，从而达到减少结构振动反应的目的。 二、主动变阻尼系统 主动变阻尼控制系统由h 删a t 【2 9 1 首先提出，他对应用可变阻尼器控制结构 的风振反应进行了研究，并进行了数值模拟计算，得到了与主动控制接近的效果。 k a w a s h i m a e 3 0 1 等对可变阻尼器进行了实验，并研究了由可变阻尼器与橡胶支撑组 成的混合控制系统对桥梁结构在地震激励下的振动控制，显示了良好的控制效 果。y a n g 等3 1 1 提出可变摩擦阻尼器，这种阻尼器用一个摩擦杆与结构的支撑刚 性连接，通过调节滑动距离来确定摩擦面上的阻尼力。另外还出现了基于被动控 制装置的、可调节限板孔洞的柱型液体阻尼：器( t l c d ) 3 23 3 。 半主动控制本质上是一种参数控制，通过改变结构的阻尼或刚度等参数，使 结构或是避开外界载荷的卓越周期，或是产生等效的控制力，以消耗振动能量， 减小振动响应。半主动控制结合了被动控制和主动控制的优点，仅仅需要极小的 能量就能产生接近主动控制效果的控制力，具有很广的应用前景。 1 2 4 混合式控制方法 混合控制是在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一 种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处，克 服它们的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有以下几 种：同时采用a m i ) 和t i v i d 的混合控制系统，主动控制和基础隔震相结合的混 合控制系统，主动控制和耗能装置相联合的混合控制系统。 在这四种控制技术中，被动控制造价低廉，减振效果良好，容易实现，目前 发展最快，应用最广，尤其是基础隔震技术己相当成熟，并得到了一定程度的推 广应用，但被动控制有其局限性，仅适合窄带振动控制。主动控制的效果最好， 适合宽带振动控制，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控 制装置的控制算法比较复杂，因此其应用少于其它三种控制技术。半主动控制属 参数控制，只需提供较小控制力或动力能源，它是依赖于结构的振动反应或动荷 载的信息实时改变结构的参数来减小结构的响应 3 ”，且其控制精确度较高，系 基于变刚度t 帅的海洋乎台振动控蛊4 虚拟实现 刚度控制就是通过探测外载荷的关键参数或根据结构本身的振动状态来预见外 载荷的特性，改变和控制结构的剐度，使结构的周期避开外载荷的卓越刷期，建 立一种所谓的非共振状态，从而达到减少结构振动反应的目的。 二、主动变阻尼系统 主动变阻尼控制系统由h r o v a t t ：9 1 首先提出，他对应用可变阻尼器控制结构 的风振反应进行了研究，并进行了数值模拟计算，得到了与主动控制接近的效果。 k a w a s h i m a ”l j 等对可变阻尼器进行了实验，并研究了由可变阻尼器与橡胶支撑组 成的混合控制系统对桥梁结构在地震激励下的振动控制，显示了良好的控制效 果。y a n g 等口1 1 提出可变摩擦阻尼器，这种阻尼器用一个摩擦杆与结构的支撑刚 性连接，通过调节滑动距离来确定摩擦面上的阻尼力。另外还出现了基于被动控 制装置的、可调节限板孔洞的柱型液体阻尼器( t l c d ) ”3 3 3 。 半主动控制本质上是一种参数控制，通过改变结构的阻尼或刚度等参数，使 结构或是避开外界载荷的卓越周期，或是产生等效的控制力，以消耗振动能量， 减小振动响应。半主动控制结合了被动控制和主动控制的优点，仅仅需要极小的 能量就能产生接近主动控制效果的控制力，具有很广的应用前景。 1 2 4 混合式控制方法 混合控制是在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一 种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控胄4 形式和每一种控制装置的长处，克 服它们的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有以下几 种：同时采用a m d 和t m d 的混合控制系统，主动控制和基础隔震相结合的混 合控制系统，主动控制和耗能装置相联合的混合控制系统。 在这四种控制技术中，被动控制造价低廉，减振效果良好，容易实现，目前 发展最快，应用最广，尤其是基础隔震技术己相当成熟，并得到了一定程度的推 广应用，但被动控制有其局限性，仅适合窄带振动控制。主动控制的效果最好， 适合宽带振动控制，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控 制装置的控制算法比较复杂，因此其应用少于其它三种控制技术。半主动控制属 参数控制，只需提供较小控制力或动力能源，它是依赖于结构的振动反应或动赫 载的信息实时改变结构的参数来减小结构的响应口”，且其控制精确度较高，系 载的信息实时改变结构的参数来减小结构的响应”3 ”，且其控制精确度较高，系 基于变刚度t 鼢的海洋平台振动控$ 虚拙实现 统造价较主动控制装置低廉，因此具有广阔的应用和发展前景。混合控制综合了 某几种控制方法的优点，因此也具有较好的控制效果，发展前景较为广阔。 1 3 虚拟祥机技术发展概况f 3 8 l 1 3 1 虚拟样机技术概念 虚拟样机技术( v p v i r t u a lp r o t o t y p e ) 叉叫虚拟原型，是指在产品设计 开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术( 在某单一系统中零部件的c a d 和 f e a 技术) 揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投 入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、 提高产品性能的一种新技术。 1 3 2 虚拟样机技术在产品研制周期中的几个阶段 ( 1 ) 概念设计。在设计的开始阶段及概念设计阶段，工程师需要应用设计自动化 工具粗略地进行不同的初始设计，并以某种形式表示之，而且这种形式很容 易与其他形式进行通讯，容易被检查、研究处理及改进。各种实体建模器是 零件和部件概念设计阶段采用的普通建模工具。 ( 2 ) 设计细化。旦系统的初始设计模拟样机被建成，其简单的运动特性被测试 之后，系统及其零部件的设计就可以不断地细化、改进。此时用户能将系统 模型返回到自己的c a d 环境中，建立更精确的模型。如由a d a m s 计算的反作 用力可以通过a d a m s f 1 e x 模块按照载荷工况输入到有限元分析程序中；由有 限元程序得到的数据也可以返回到a d a m s 模型中建立其柔性体模型，从柔性 体角度来考察产品的工作性能。 ( 3 ) 设计验证。在一个具体的产品样机未建造前，设计方案检查( d e s i g nr e v i e w ) 是非常重要的一步。通过各种输入，能够有效地观察其设计的一系列运动过 程，因此避免了以后因重新设计而使工程预算增加或工程延期带来损失。 ( 4 ) 试验规划。理想情况下，在建造物理样机之前，工程人员就能准确的知道设 计是不是合理。虚拟样机技术能非常有效地用模拟样机代替大多数物理样机 进行模拟实测试验。对这种模拟样机用户能以非常快的速度产生，并提供给 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 用户巨大的设计创造性和灵活性，产生这种样机所需的成本也相当低。 1 3 3 虚拟样机技术的结构体系 一个性能优越的虚拟模型分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学 析，还应该包含以下技术： ( 1 ) 形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建模，或者 用来展现机械系统的仿真分析结果。 ( 2 ) 有限元分析( f e a ) 软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分析结 果，确定进行机械系统有限元分析( f e a ) 所需的外力和边界条件，或者利用 有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种作用力的软件编程技术。虚拟模型软件运用开放式的软件编程技 术来模拟各种力和动力。 ( 4 ) 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处理 输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟模型可以运用传统的和现代的控制 理论，进行机械系统的运动仿真分析，或者可以应用其他专用的控制系统 分析软件，进行机械系统和控制系统的联合仿真。 ( 6 ) 优化分析软件和技术。运用虚拟分析技术进行机械系统的优化设计和分析， 是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机 械系统获得最佳的综合性能。图卜4 给出了虚拟模型技术的体系结构。 图卜4 虚拟模型技术的体系结构 基于变刚度t 硒的海详平台振动控制虚拟实现 1 3 4 虚拟样机的意义 在传统的产品开发过程中，在详细设计完成后，通常要制造物理样机验证设 计的正确性，有时检验甚至是破坏性的，当发现缺陷时，只能回头修改设计并再 用样机验证，只有通过若干反复试验产品才能达到要求的性能。这一过程对于像 汽车等结构复杂的产品来说代价是昂贵的，由于设计周期无法缩短，基于物理样 机上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的快速 反应。虚拟榉机技术在产品开发过程中的推动作用主要表现在以下几个方匾：( 1 ) 在产品的概念设计阶段，应用系统工程的方法，确定产品的总体参数和局部参数， 并定义两者的关联控制结构，实现产品级的参数化，这样可以很好地贯彻设计师 的设计意图和实现对概念模型个性化需求的快速修改、优化和评估。( 2 ) 在产品 的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立部件级的几何关联结构和 约束层次关系，并确定详细设计步骤，实现部件级的相关修改。( 3 ) 在产品的详 细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零件级的数字化主模型。( 4 ) 进行关 键零件的加工仿真和装配仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现问题，避免开发风 险。( 5 ) 节约成本，缩短研发周期，提高产品性能等。 1 3 5 虚拟样机技术的应用领域 虚拟样机技术已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防 工业及通用机械制造业等领域。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，上 天的火箭至g 轮船的锚链。在各个领域，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节 省了开支、时间并提供了满意的设计方案。 很多国外公司都通过虚拟样机技术解决了一直困扰它们的问题。约翰一迪尔 ( j o h nd e e l - e ) 公司采用虚拟样机技术解决了工程机械在高速行驶时的蛇行现象 及在重载下的自激振动问题。一家保龄球制造商采用虚拟样机技术，在计算机上 不断地改变球的几何形状及指孔分布并进行动力学仿真，结果不仅缩短了设计周 期，而且精确地达到了使用者的要求。一家卡车制造公司借助虚拟样机技术解决 了常规测量技术在高温高速的环境下失灵的f q 题，发现了点火控制系统链条运动 失稳的原因并改进了控制系统。虚拟样机技术甚至还应用到法庭上，福特公司专 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 门雇佣一家咨询公司用虚拟样机技术为它进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真 结果为自己辩护。p e l l e r i nm i i n o rc o r p o r a t i o n 公司( 洗衣机设备制造商) 应 用虚拟样机技术减少了大型洗衣机的振动，降低了研究成本又快速优化了产品的 性能。飞机制造成本高，系统复杂，因此对虚拟样机的需求最为迫切。现在世界 上的主要汽车制造商都在应用a d a m s 数字化虚拟样机软件，利用虚拟样机技术可 模拟任何零部件，还可进行整车测试并进行不同工况的操纵稳定性试验。 在国内也开始了对虚拟样机技术的应用。谭理刚等f 3 9 】在新型内燃机开发研究 中应用虚拟样机技术，提高了设计效率。姜士湖等【4 0 】根据我国石油机械产品特点 和石油机械制造业产品技术开发现状，详述了石油机械应用虚拟样机技术的体系 结构和要解决的关键问题及其可行性。刘延庆等【4 1 】应用多体系统动力学软件 a d a m s 开发出双简液压减振器虚拟样机，进行数值仿真。虚拟样机动态仿真与台 架试验结果基本相符。尹沾松【4 2 】对2 z b 一8 水稻摆秧机振动排秧盘参数进行了计 算机虚拟优化研究，开始了虚拟样机技术在农机中的应用。刘懿等【4 3 】利用虚拟样 机技术建立了轿车发动机减振系统模型并对其进行了优化，取得了良好的效果。 虽然虚拟样机技术在很多领域都得到广泛应用，但本文作者还未检索至虚拟样机 技术应用于海洋平台设计或进行平台动力分析的研究报道。 1 4 海洋平台振动控制现状 海洋平台长期在恶劣的海洋环境下工作，时时刻刻受到风浪流等环境载荷 的作用，所引起的振动问题己经得到了国内外专家学者的广泛关注，对此进行了 深入的研究并己经取得了一定的成果，但是由于海洋平台的振动控制问题涉及到 多个学科，需要在多个方面有所突破，因此目前的多数相关研究仍然停留在理论 阶段，距离实际应用仍有一定的距离，但这却是海洋平台振动问题解决的主要方 向。目前对海洋平台振动控制的研究般采用的是传统的结构控制方法，即被动 控制、主动控制、半主动控制和混合控制等。 文献【4 4 研究了基于被动压力式空气垫的半潜式平台振动控制。l e e 45 在导 管架平台的斜撑上设置了粘弹性阻尼器，用来增加结构阻尼，从而减小结构的振 动响应。陆建辉等 4 6 利用粘弹性阻尼器对平台振动进行控制，对阻尼器的设计与 安装位置优化进行了研究。调谐质量阻尼器( t m d ) 和调谐液体阻尼器( t l d ) 在海 基于变丽度i i v i d 的海洋平台振动控制虚拟实现 洋平台振动控制中的研究和应用也得到了许多学者的关注 4 7 - 5 0 。韦林等5 1 1 对近海 平台中的振动问题进行了最优控制的研究，通过对该结构设置各种有效的振动控 制阻尼器，从而寻求实施最优控制的方案。李华军等 5 2 - 5 s 1 依据设计目标中对安 全性和经济性的权衡，通过使得二次型控制目标函数最优化，推导出随机最优控 制力的计算方法，从而实现晟优控制的目的。y i n c e n z d 蚓在平台结构中设置主动 质量阻尼器( a m d ) 系统以减轻漩涡引起的振动。a h m a dsk ，a b r o a ds t 朋、周亚军 1 5 习采用传统的最优控制算法对海洋平台进行了最优主动控制研究。李华军【铷、 s u h a r d j oj f 6 1 1 等利用z 控制算法对a m i ) 主动控隶g 装置在导管架平台的振动 控制中的效果进行了研究。a b d e l - r o h m a n m 6 2 分别从主动和被动的角度研究了海 洋平台的振动控制问题，主动控制力所产生的控制效果可以通过时域瞬时优化控 制方法来确定。k a w a n o 等【6 3 1 研究了半主动控制装置在导管架海洋平台振动控制 中的应用。陆建辉等1 6 4 采用变刚度系统对海洋平台进行了振动控制。管有海、孙 树民等【6 5 鲫研究了磁流变( m r ) 阻尼器对海洋平台振动的控制效果，建立了海洋 平台m r 半主动控制的数学模型，并介绍了磁流变阻尼器的性能及恢复力模型， 设计了磁流变阻尼器的参数，数值算例均表明m r 阻尼器对海洋平台振动控制的 有效性。 此外，针对海洋平台所受外载荷的特点以及不同的控制目标，预测实时控制、 界限状态控制、模糊控制也可见于有关文献。但还未见文献报道使用虚拟样机技 术对海洋平台振动控制进行研究。 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 1 5 本文主要工作 本文分析、总结了国内外海洋平台振动控制的研究现状，深入研究虚拟样机 技术的发展和应用，并将虚拟样机技术应用于海洋平台的动力分析和振动控制研 究中。文中以ci i 海洋平台为研究对象，分析了该平台所处海洋环境，建立其有 限元模型并进行模态分析，研究了该平台在随机波浪载荷作用下的动力响应，确 定平台的主振动方向。文中针对具体的海洋平台结构，在考虑实际应用和工程条 件要求的前提下，设计了一种新型控制装置变刚度调谐质量阻尼器( v s t b i d ) 分析了该控制装置的控制原理，提出了自己的控制策略，并给出了符合实际工程 应用的控制方案，设计了v s t m i ) 的作动器和控制系统。 采用虚拟样机技术对该控制装置的控制效果进行了研究。文中使用有限元分 析软件a n s y s 建立海洋平台模型，将其作为一种大型柔性体结构导入虚拟样机技 术商业化软件a d 蝴s 中，给平台添加适当的约束和载荷，并对该模型的正确性进 行验证，从而使a d a m s 中的样机模型更符合实际平台特点。使用参数化建模软件 p r o e 建立振动控制装鼍的三维实体模型，借助其m e c h p r o 模块导入a d a m s 中， 建立控制装置的虚拟样机，并通过添加一定的约束关系将其连接到海洋平台模型 上。结合专业化控制仿真软件s i m u l i n k ，研究海洋平台承受随机波浪载荷时该 控制装置的控制效果，仿真结果说明本文所设计的控制装置是很有效的，提出的 控制策略也是可行的。在确定方案可行的基础上，对控制装置的安装位置问题进 行了分析研究，为物理样机的设计、制造、安装和使用提供依据。 基于变剐度t 啪的海洋平台振动控带4 虚拟实现 2 海洋平台动力响应 2 1g i i 海洋平台概况 c i i 平台位于渤海湾南部、莱州湾西北部的浅海海域，离岸约l o 公里，是油 田浅海油气生产的主要设施之一，总造价4 亿多人民币，自1 9 9 7 年建成并投产 以来，年产原油近百万吨、气三十万吨。平台海域高潮位对，平台处的水深约 1 1 2 m 。由于结构本身的原因，c i i 平台投产后不久，生活平台的振动问题逐渐 暴露了出来，在冬季风浪较大时，其剧烈的振动令平台上的工作人员感到不安， 担心平台疲劳累积而损坏。c i i 平台的振动问题成为中国石油化工总公司的十大 生产安全隐患之首。 该平台由导管架、桩以及一个两层的甲板系统组成。4 个桩呈梯形分布，纵 向间距为1 4 6 5 m ，横向最大间距为1 5 m ，最小间距为8 3 2 m ，均固定于海底， 考虑到泥面处冲刷，根据平台设计规范取桩水下1 9 6 m 处固定。四根桩的直径 均为1 4 m ，导管架的直径为1 7 1 6 m 。图2 一l 为生活平台的照片，图2 2 是平 台结构的平面布置图。平台的主要结构参数及波浪特征见表2 - 1 。 图2 - i 生活平台照片 1 4 基于变刚度t m d 的海洋平台振动控制虚拟实现 图2 - 2c l i 平台平面布置图 表2 - 1 海洋平台及波浪基本参数 总质量2 4 0 0 0 0 0 k g 海洋平台 阻尼比系数 褊( 主振形) 等效固定高度 4 1 1 m 等效拖曳力系数 1 2 等效惯性力系数 2 0 波浪载荷方向 东北 平均水深 1 1 2 m 设计有效波高和周期3 5 册：4 5 j 2 2c i i 海洋平台有限元模型 2 2 1a n s y $ 简介 对于大多数工程问题，由于物体的几何结构比较复杂或者问题的某些特征是 非线性的，我们很难求得其解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入 简化假设，但这种方法只是在有限的情况下是可行的，也正是因为这样，有限元 数值模拟技术是强有力的工具。有限元方法在工程中得到了广泛的应用，到上世 纪8 0 年代初期，国际上较大型面向工程的有限元通用软件达到了几百种，其中 著名的有：a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a d i n a ，s a p 等。其中，以a n s y s 为代表的工程 数值模拟软件，即有限元分析软件，