浅析海洋平台振动控制.docx

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浅析海洋平台振动控制

机械工程概论论文

初探海洋平台振动控制

姓名：

张鸿川

学号：

200709020046

队别：

九院四大队四队

海洋平台振动控制浅析

摘要：

综合评述了海洋平台和工程结构的基础隔振、耗能减振和振动控制研究与应用领域的新进展。

在此基础上,指出基础隔振和耗能减振技术已相对比较成熟。

半主动控制综合了主动控制和被动控制的优点,具有广阔的应用前景;平台内部机械设备的振动会引起平台的剧烈振动乃至破坏。

关键词：

海洋平台　振动控制　研究现状

为了适应社会的发展和确保能源的供给,我国建造了许多海上石油平台。

平台建筑在环境恶劣的海洋中,因此会受到各种载荷的作用。

引起平台振动和破坏的载荷主要有:

地震、波浪、风力、冰载及平台上的机器和设备。

平台受到多种载荷的耦合作用,平台结构将产生剧烈振动。

轻者让工人产生恐慌,重者会导致平台结构的疲劳破坏,造成平台倒塌的灾难。

为了提高平台的可靠性和安全性,平台振动控制成为海洋工程技术人员的热门课题。

已开始从理论和试验研究、方案设计结合实际工程的分析研究向工程试点和应用发展。

许多隔振、减振技术已取得了巨大的社会和经济效益。

笔者在查阅有关文献资料的基础上,对海洋平台结构的隔振、减振和振动控制技术做概要的简述。

基础和结构隔振技术的研究与应用

　　振动隔离简称隔振,是消减振动危害的重要途径之一。

按振动传递的方向,隔振可以分为2类:

主动隔振和被动隔振。

前者是减小由物体扰动而引起的振动,目的是隔离振源对基础的危害;后者是减小基础运动而引起的振动,目的是隔离响应。

两者概念虽然不同,实施方法却是一样的。

都是在振源和减振体之间插进弹性隔振体,依靠它的变形减轻振源对减振体的激励。

工程上常用的隔振形式有隔振器和隔振体系。

隔振器形式非常多,如橡胶隔振器、金属弹簧、G型隔振器、空气弹簧、软木、泡沫橡胶等。

隔振体系就是综合运用多种形式的隔振器进行减振的结构体系,常用的有叠层钢板橡胶支座隔振体系、摩擦摆体系等,以上隔振方式的特点是将隔振器置于物体和基础之间,作为弹性支撑,通过合理的参数选择达到减振的目的。

磁悬浮隔振系统则是将物体与基础之间无接触隔开,利用电流来控制电磁力,使振动频率迅速衰减,达到隔振效果。

这种隔振体系比传统的隔振系统衰减幅度大,效果可靠,而且设计和控制方式灵活,只需调节控制刚度就可得到不同的隔振效果。

耗能减振技术

耗能减振是将振源输入结构的能量引向特别设置的机构或元件加以吸收和耗散,以保护主体的安全。

这种方式比传统的依靠结构本身耗散能量的方式显然强得多。

但是,耗能元件往往是主体不可分割的一部分,不能完全避免主体结构出现弹塑性变形,因而不能完全脱离延性结构的概念。

材料阻尼减振

材料阻尼主要是应用材料的应力2应变滞后的特性进行振动能量的消耗。

在1个应力循环过程中,加载期间外界对材料所做的功大于卸载期间材料放出的能量,材料把一部分能量转换成热能而消耗掉。

根据材料的强度、质量和成本,选择阻尼性能好的材料来制造平台是减小振动的一个方法。

一般来讲,高强度的金属阻尼性能很低,相反,阻尼性能好的材料,常常强度低而且昂贵。

同时,材料的阻尼受温度和振动频率的影响很大。

因此,在设计平台结构时应该合理选择各部分的材料。

阻尼器减振

阻尼器减振措施是在平台原结构上并联或串联1个阻尼器从而获得具有接近双线性滞回特性的阻尼耗散效果。

常用的阻尼器包括摩擦阻尼器、软钢和合金阻尼器、铅阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器等。

常用的摩擦阻尼器有简单摩擦阻尼器、pall摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器、螺旋圈式阻尼器、筒式滑块锁紧阻尼器及拟粘滞摩擦耗能阻尼器。

这些阻尼器都可以利用普通的材料制造,结构和加工工艺相对简单,适合在多层和高层土木建筑结构中使用。

摩擦阻尼器本身没有自动复位功能,只能依靠结构本身的刚度复位。

由于其锁紧力固定不变,因此只能对较窄的振动频率起到减振效果。

为了扩大其减振频率范围,可以将多个摩擦阻尼器联合使用,组成多级摩擦阻尼器。

筒式滑块锁紧阻尼器能使摩擦力随滑动位移线性增加,并且具有一定的自复位功能,适应性较强,但是结构复杂,价格比较贵。

软钢和合金阻尼器、铅阻尼器都属于弹塑性阻尼器,具有丰满的滞回特性,可以串联在平台支撑结构中,也可以设置在平台相对变形较大的部位,主要用来抵抗地震激励下的振动。

主动控制

主动控制是应用现代控制技术,对输入的振动和结构响应实现联机实时观测跟踪乃至预测,再按照分析结果应用伺服加力装置对机构施加控制力,实现自动调节,使结构的振动响应控制在允许的范围之内,达到保护结构和设备免遭损伤的目的。

主动控制有开环控制与闭环控制2种形式。

开环控制中控制器的控制规律是按预定的要求设置好的，与受控对象的振动状态无关。

闭环控制中的控制器是按照受控对象的振动反馈信息工作的,因此减振效果要比开环控制好。

总之,主动控制可在很大频率范围内有效抑制振动。

但对于尺寸和载荷都很大的结构来讲,主动控制要消耗很多的能源。

在结构中常用的主动控制方法是在结构的适当位置应用作动器拖动附加质量块（AMD）来抑制振动。

为了进一步改善控制的效果,人工智能技术在结构振动控制中的应用日益受到重视,如模糊数学、遗传算法、神经网络技术、联想记忆系统等。

近年来,由于利用材料的压电、磁致伸缩、形状记忆等特性的灵敏元件的出现与应用,突破了作动器使振动主动控制难实现的壁垒,为新型作动器开辟了新的途径。

除此之外,还出现了主动结构,即将结构中的受力元件与作动器元件合二为一,使结构紧凑,质量减轻。

阻尼半主动控制

半主动控制兼有被动控制和主动控制优点。

它具备主动控制的效果又只需要很少能量,通过调节和改善结构的性能而减小振动响应。

流量可调油阻尼器是应用机电控制阀门调节阻尼器中流体的流动阻力达到根据需要改变阻尼的目的。

电流变和磁流变阻尼器也是半主动控制装置。

其特点是能够通过控制电场和磁场在几毫秒时间内使阻尼器中的流变体实现自由流动、粘滞流动和半固态的交替变化。

电流变阻尼器应用的电流变技术是一项高新技术,其关键在于电流变液智能材料,在外加电场强度到达一定值时会产生显著的电流变效应,液体的性质由液态向类固态转变,液体的粘度及抗剪切力明显增大,转变的时间极短,并且可逆,即当外电场撤去后,又由类固态迅速向液态转变,变化是无级连续的。

这种变化可外加电场控制,所需的能耗极小,可与微机结合,实现实时控制。

同电流变阻尼器相比,磁流变阻尼器有更好的前景。

磁流变元件中有导磁性能的固体颗粒,使阻尼的控制变得简单、可靠。

在磁流变阻尼器中以矿物油、合成油、乙二醇甚至水作为媒体,其中应含有20%～40%的比较纯净的碳酰铁粒子,这些碳酰铁粒子悬浮在介质中。

磁流变元件中的磁流体对纯度和环无特殊要求,即对污染不太敏感。

在相同的力学性能条件下,磁流变机构中的磁流体用量比电流变机构中电流体的用量少得多。

尽管磁流变和电流变阻尼器所需要的总能量和负载功率差不多,但前者可以直接应用低压电源,对线路和环境无特殊要求,对温度的影响也不敏感,适用于极低和极高温度场合,因此应用前景广泛。

磁流变和电流变阻尼器不需要伺服阀,从而避免了机械元件的不可靠性和特别维护要求。

目前这一技术已有用于汽车离合器、减振器等的报道。

混合控制

将主动控制和被动控制结合起来应用或采用其他复合控制方式通常称为混合控制。

其常用的方式是作动器拖动调谐质量阻尼器（HMS）。

日本将混合控制应用在高层建筑物上,1993年建成70层横滨三菱重工界碑塔就是应用混合控制的典范。

主动控制、半主动控制和混合控制都需要实时观测结构反应并进行实时分析和反馈控制,系统极为复杂,在推广应用方面受制于经济和技术条件。

相比之下,增加结构阻尼、避免共振的被动控制技术更适合在众多的实际工程中应用。

综述：

海洋平台的振动控制研究内容空前广泛和深入。

但是,也有许多不足。

在平台激励研究方面,他们把过多的精力投放在平台外部载荷上,如地震、波浪、风和海冰等,而忽略了平台内部振源的研究。

在许多情况下,平台上机械设备和装置振动所引起的平台的响应是连续、持久且不可以避免的,其影响也很大。

对于海洋平台的振动控制研究，笔者认为，还可以跨学科，跨领域收集多方面的类比资料，或者从中能获得一些灵感，如从海洋生物体和其生理学、力学入手，利用类仿生的方法进行一些研究，探索振动控制的新方法。

参　考　文　献

1　成学明,李龙渊,王钦健1海洋平台分振结构减振效果的试验研究2　周　云,邓雪松,徐赵东1铅粘弹性阻尼器性能试验研究

3　陆建辉,彭临慧,李华军1固定式近海石油平台振动控制研究

4　孙树民1自立式独柱平台的TMD减震控制研究

5赵东1海洋平台振动控制研究现状及近期发展

GENERALSPECIFICATION

总体规格书

MATERIALSFOROFFSHORESTRUCTURES

海洋结构物的材料

CACT-NONE-S-F993-S002

TABLEOFCONTENTS

1.INTRODUCTION3

INTRODUCTION

导言

1.1Scope

适用范围

ThisGeneralSpecificationdefinesanacceptablestandardforthemanufactureandsupplyofcarbonsteelandcarbon-manganesesteelflatplate,platefortubulars,structuralshapes,structuraltubulars,andmiscellaneousmaterialstobeusedinthefabricationofthefixedoffshorestructure（s）definedintheTechnicalSpecifications.

此规格定义了在技术说明书中对于固定式海洋结构物建造所用到的各种碳钢和碳锰钢材料的钢板，卷管用板，结构型钢和结构管材以及附件材料的标准。

ThisGeneralSpecificationisintendedforoffshorestructures,whichwillbesubjecttospecificenvironmentalconditionsasfollows:

此规格专门用于受以下特殊环境条件影响的海洋结构物。

∙Upto400feetwaterdepth.

400英尺以上水深。

∙MildclimatessuchasoffshoreUSGulfofMexico,WestAfrica,andtheSouthChinaSea.

温和的气候条件例如美国的墨西哥湾，西非，和中国南海海面。

∙Lowriskearthquakeareas.

低地震发生风险地区。

ThisGeneralSpecificationmaybemodifiedorenhancedbytheTechnicalSpecificationandFabricationDrawingswithwhichitisassociated.

此规格可能会随技术说明书和建造图中相关内容的变动而修改或进一步详细说明。

1.2References

参考文件

ThefollowingreferencessupplementthisGeneralSpecification:

以下的参考文件作为此规格的补充：

CACT-NONE-S-F993-S003

FabricationofOffshoreStructures

ReferencesthatarenotapplicabletotheScopeofWorkasspecifiedintheTechnicalSpecificationhavenotbeenincludedintheContractDocuments.

参考文件不适用于在合同文件中不包括的工作范围，像技术说明书中详细说明的部分。

1.3CodesandStandards

编号和标准

Thestructuralmaterialshallbemanufacturedinaccordancewithgoodengineeringpracticesandincompliancewiththelatesteditionsandrevisions（unlessnotedotherwise）ofthefollowingCodesandStandardsasapplicable:

结构材料的制造应符合优良的工程惯例，遵照下列编号和标准的最新版本及修订本（除非另有说明）：

1.3.1AmericanNationalStandardsInstitute,ANSI

ANSI/ASMEB1.1

UnifiedInchScrewThreads（UNandUNRThreadForm）

1.3.2AmericanPetroleumInstitute,API

APIRP2A

RecommendedPracticeforPlanning,Designing,andConstructingFixedOffshorePlatforms

APISpecification2B

SpecificationforFabricatedStructuralSteelPipe

APISpecification2H

CarbonManganeseSteelPlateforOffshorePlatformTubularJoints

APISpecification5L

SpecificationforLinePipe

1.3.3AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM

ASTMA6

SpecificationforGeneralRequirementsforRolledSteelPlates,Shapes,SheetPiling,andBarsforStructuralUse

ASTMA36

SpecificationforStructuralSteel

ASTMA53

SpecificationforPipe,Steel,BlackandHot-Dipped,Zinc-CoatedWeldedandSeamless

ASTMA123

SpecificationforZinc（Hot-DipGalvanized）CoatingsonIronandSteelProducts

ASTMA320

SpecificationforAlloys-SteelBoltingMaterialsforLow-TemperatureService

ASTMA325

SpecificationforHigh-StrengthBoltsforStructuralSteelJoints

ASTMA572

SpecificationforHigh-StrengthLow-AlloyColumbium-VanadiumSteelsofStructuralQuality

ASTMA578

SpecificationforStraight-BeamUltrasonicExaminationofPlainandCladSteelPlatesforSpecialApplications

ASTMA633

SpecificationforNormalizedHigh-StrengthLow-AlloyStructuralSteel

ASTMA770

ThroughThicknessTensileTestingofStealPlateforSpecialApplications

ASTME112

MethodsforDeterminingAverageGrainSize

IncaseofconflictbetweenthisGeneralSpecificationandtheCodesandStandardsabove,themoststringentrequirementshallgovern.

如出现规范与以上标准产生矛盾的情况，以最为苛刻的条件为准。

1.4

MaterialSubstitutions

材料代替品

SubstitutionsofanymaterialsnotmeetingthisGeneralSpecificationortheTechnicalSpecificationandnotapprovedinwritingbyACT-OGshallnotbeacceptedandshallberemovedfromtheWorkandreplacedwithspecifiedmaterialsbytheContractorathissoleexpense.ContractorshallsubmitsubstitutionrequestinwritingtoACT-OGforapproval,allowingreasonabletimeforevaluationwithoutdisruptionoftheworkschedule.Requestsshallincludenatureandextentofthesubstitution,effectonContractamount,fullspecificationsandphysicalpropertiesofproposedsubstitute,andanyotherpertinentinformationrequestedbyACT-OG.

不符合此规格或技术说明书并且没有被ACT-OG书面认可的替换材料是不被接受的，这些材料在工程中将严禁使用并且由承包商自己出资购买指定的材料。

承包商需要在不打乱施工进度的条件下向ACT-OG提交书面的材料替换请求来获得批准。

STEEL

钢材

1.5Grades

等级

1.5.1General

概述

a）Thefour（4）gradesofsteel,whichmaybeusedtofabricateplate,rolledshapes,built-upgirdersandbeams,andtubularsare:

MildSteel（MS）,SpecialMildSteel（SMS）,HighStrengthSteel（HS）,andSpecialHighStrengthSteel（SHS）whicharedefinedherein.

用于制造钢板，卷制型材，做成各种横梁和管材的钢有四种：

低碳钢（MS），特殊低碳钢（SMS），高强度钢（HS），特殊高强度钢（SHS）。

在这里我们将分别予以定义。

b）ThelocationanduseofthesegradesofsteelshallbeasdefinedintheFabricationDrawings.

这些不同等级钢材的用途和位置将在建造图中予以详细的定义。

c）SteelconformingtocomparablespecificationsofotherstandardsorganizationsshallbeconsidereduponwrittenapplicationtoACT-OG.

钢材如要参考其他组织的规范和标准需向ACT-OG提交请求。

1.5.2MildSteel（MS）

低碳钢（MS）

a）MildSteel（MS）plate,shapes,andplatefortubulars,shallconformtoASTMA36,"SpecificationforStructuralSteel".

低碳钢（MS）材料的钢板，型材，卷管用板须遵从ASTMA36，“结构钢材说明书”。

b）Structuralgradeseamlesslinepipemaybeusedfortubularslessthantwenty-four（24）inchesO.D.,forhandrails,gratingsupports,walkways,orasshownontheFabricationDrawings.LinepipeshallmeettherequirementsofAPISpecification5LGradeBorASTMA53GradeB.

这种结构等级的无缝管材可能会用于在栏杆，格栅，走道上外径小于24英寸的管材，以及建造图纸上的指定位置。

管线管需要遵守APISpecification5LGradeBorASTMA53GradeB的要求。

c）Allmildsteelshallhaveaminimumof36,000poundspersquareinch（psi）（250Mpa.）yieldstrength.

所有低碳钢的钢材的屈服强度要大于每平方英寸36,000磅（psi）（250Mpa.）。

1.5.3SpecialMildSteel（SMS）

特殊低碳钢（SMS）

SpecialMildSteel（SMS）plateshallconformtoASTMA36,exceptthatthissteelshallbemanufacturedtoafullykilled,finegrainpractice,grainsizesix（6）andfinerasdeterminedbyASTME112.

特殊低碳钢（SMS）的板材需遵从ASTMA36，除非这些钢材需要手工完全割开，finegrainpractice，grain6号和finer则需要遵从ASTME112。

1.5.4HighStrengthSteel（HS）

高强度钢（HS）

a）HighStrengthSteel（HS）plateshallconformtotherequirementsofAPI2HGrade50orASTMA633GradeC.

高强度钢（HS）的板材需要遵从API2HGrade50orASTMA633GradeC的要求。

b）HighStrengthSte