海洋平台半主动振动控制方法及模型试验研究(新).ppt

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1、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,1,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,滑移模态控制与模糊控制原理,海洋平台随机振动响应分析,随机波浪荷载计算方法,绪论,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,2,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,结构振动控制技术研究与应用,论文研究内容任务,海洋平台振动

2、控制技术研究的意义及现状,1、绪论,3,1.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。,4,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,（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

3、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。,5,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,2 海洋平台振动控制技术研究的意义及现状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

4、安全性的指标之一。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。,7,江苏科技大学 霍发

5、力,2023/10/30,引 言,随机波浪力的确定,随机波浪理论,线性波浪理论,Morison方程,2、随机波浪荷载计算方法,8,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,2.2 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：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。,9,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,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

6、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：,10,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,2.4 Morison方程以绕流理论为基础的半理论半经验公式。通过一定的假定可以得到D/L0.2时柱体上波浪力的计算公式如下：2.5 随机波浪力的确定(1)时域计算方法基于线性波浪理论，运用Morison方程仿真波浪力可以得到：(2)频域计算方法,11,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,引 言,数值算例,振动控制

7、方程,平台振动响应,3、海洋平台随机振动响应分析,12,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,3.2 振动控制方程本文采用精度较高的有限元法来确定平台振动方程。海洋平台运动方程可以表示为：3.3 平台振动响应时域分析常用的数值解法有威尔逊 法、纽马克法和中心差分法。3.3.2 频域分析可以求得平台位移、速度和加速度的谱密度函数为：,13,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,3.4 数值算例模拟位于墨西哥湾海域一导管架海洋平台，水深125m，水面处桩腿直径为1.6米，海底处桩腿直径为3米。该平台共离散为390多个单元。根据当地海域情况，选取JONSWAP谱来描述海况，波浪的周期为8

8、s，有效波高为10m，波浪作用方向沿x轴。,14,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,海洋平台有限元模型,15,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,引 言,模糊控制,滑移模态振动控制,4、滑移模态控制与模糊控制原理,16,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,4.2 滑移模态振动控制滑移模态控制也称为变结构控制，是一种有很好鲁棒性能的控制方法。可以应用于线性和非线性结构的控制。它特别适合在控制过程中受控制体的参数不断变化的半主动变刚度和变阻尼控制。对于联系控制器（无间断点），为了使 小于0，控制力取：对于非连续控制器，取控制力为：,17,江苏科技大学 霍发力,2023/1

9、0/30,4.3 模糊控制属于非线性智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展，具有易于掌握、输出量连续、可靠性高等优点。模糊控制器设计包括以下几项内容：确定模糊控制器的结构与输入、输出变量；语言变量和论域的选取；确定模糊控制器的参数（如量化因子、比例因子）；建立模糊数模型和编制模糊控制算法的应用程序。,18,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,引 言,海洋平台结构半主动控制方法,磁流变阻尼器基本原理,数值算例及结论,5、磁流变阻尼器及半主动式控制方法,19,江苏科技大学 霍发力,2

10、023/10/30,5.2 磁流变阻尼器基本原理磁流变液的优点：（1）连续性。它能够随场强的变化而连续变化，因而磁流变阻尼器的阻尼力可以通过控制磁场大小而连续调节。（2）可逆性。即施加磁场后，磁流变液随磁场强度的增加硬化成为具有一定剪切强度的粘塑性体，当撤去磁场后，又恢复为自由流动的液体状态。（3）反应迅速。流变性能的转化通常在ms级时间内就可以完成。,20,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,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

11、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:,21,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,5.3 海洋平台半主动振动控制方法,22,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,经典线性最优控制、瞬时最优控制算法、滑移模态控制算法等,如Semi1控制算法、Semi2控制算法或界限最优控制算法求Us,根据MRFD的Us(t)=f(I)函数来确定需要的控制电流,5.4 数值算例5.4.1 滑移模态半主动控制算例本文采用剪切阀式MRFD进行分析计算阻尼力，在半主动控制算法中，采用限界Hrovat最优控制算法来计算磁流变

12、阻尼力。控制效果：海洋平台的最大位移响应由0.0172m减少到0.0064m，减少了67.74%，均方差减少了63.82%；最大速度由0.0155m/s减少到0.0050m/s,减少了62.79%，均方差减少了66.03%；最大加速度由0.0226m2/s减少到0.0073m2/s，减少了67.70%，均方差减少了69.87%。,23,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,24,2023/10/30,加速度控制效果,位移主动与半主动控制对比,速度与加速度主动与半主动控制对比,位移和速度控制效果,5.4.2 模糊半主动控制算例本文采用墨西哥湾某典型导管架海洋平台为例，进行平台多自由度数值模

13、拟。运用ANSYS软件建模，半主动控制算法采用Semi1算法，平台结构如图5.11所示。控制效果：位移响应均方差由0.0566m减少到0.0325m，减少了42.53%；平均速度由0.0335m/s减少到0.0142m/s,减少了57.67%；平均加速度由0.0763m2/s减少到0.0311m2/s，减少了59.20%。,25,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,26,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,控制振动响应效果,5.5 小结仿真结果表明，两种MRFD半主动控制系统能够非常有效的控制海洋平台响应，而且半主动控制方法与主动控制方法控制效果非常接近。半主动模糊控制在多自由

14、度的数值模拟中，减振效果在50%以上。因此，MRFD半主动控制系统能够有效的控制海洋平台的随机振动。两种半主动控制方法中，模糊控制对系统的参数要求不高，特别在结构物复杂、环境参数很难准确的描述的情况下有很好的控制效果。所以模糊控制方法在海洋平台的振动控制中有很大的发展空间。,27,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,引 言,本章小结,模型试验减振效果的数值模拟,试验方案的设计,水池试验及试验结果分析,6、海洋平台磁流变半主动控制模型试验研究,28,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.1.1 目的主要通过模型试验的研究手段，来验证所发展的半主动式减振方法的有效性。6.1.2

15、试验内容模型试验主要包括静态校准试验、动力响应试验及半主动减振效果试验。各部分具体实验内容如下：(1)静态校准试验：主要获得海洋平台干模态时海洋平台的基本动力特性指标。(2)减振装置控制效果试验：获得平台在安装未阻尼器前，以及安装后通电与不通电情况下不同海况下海洋平台各观测点的动力响应，并进行比较分析从而评价减振装置的减振效果和特点。,29,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.1.3 模型试验中半主动控制系统实施流程本试验采用半主动模糊控制下的磁流变阻尼器来控制海洋平台模型在波浪载荷下的振动，控制原理如图所示。,30,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.2 试验方案的设

16、计6.2.1 海洋平台结构模型设计模型的设计主要主要保证几何相似和动力相似，模型几何比：1:50。实物与模型主要相似比参数见下表。,31,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.2.2 测点布置设计,32,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,试验方法及工况设计一、岸上校验试验：（1）静态校验试验：加水平方向拉力，测静位移。（2）捶击试验：通过锤击，测位移及加速度响应。二、平台模型减振效果试验试验方法：将海洋平台模型固定于池底，调节水深到2.5m，造波机造浪，测量平台的动态响应。,33,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.3模型试验减振效果的数值模拟为了进一步检验设计

17、方案的可行性，对设计的7种工况运用ANSYS软件进行数值模拟，来检验控制效果。,34,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,35,2023/10/30,工况I01波浪力,控制力,控制电流,位移控制效果,速度控制效果,加速度控制效果,2023/10/30,工况R01波浪力,控制电流,控制力,位移控制效果,速度控制效果,加速度控制效果,37,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.4 水池试验及试验结果分析,试验条件（1）试验水池试验是在702所的05风浪流水池中完成的。05水池主尺度为69米46米4米，造波能力为：规则波最大波高可达0.5m，周期范围为0.55.0s；不规则波最大有

18、义波高为0.4m。（2）测试仪器见下表：,38,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,(3)海洋平台模型,39,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,6.4.2 岸上静态试验,40,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,试验结果如下表：,岸上静位移测量结果,41,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,海洋平台固有频率,6.4.3水池试验及磁流变阻尼器减振效果试验分为没有安装阻尼器和安装磁流变阻尼器通电以及不通电三种情况进行。,42,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,工况R01试验结果：,43,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,工况I01试验结果：,4

19、4,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,45,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,46,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,47,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,1、采用半主动控制原理设计的MRFD系统可以对平台试验模型在波浪载荷作用下引起的振动进行有效控制，减振效果明显，位移平均为35.28%，速度平均31.41%，加速度为36.45%。2、MRFD对位移响应、速度响应以及加速度响应的减振幅度基本相当，但加速度的减振效果最好，位移、速度响应的减振效果次之。此外试验结果表明对不同浪向以及平台不同方向的响应减振效果有所区别，其中对斜浪的减振效果要差一些，同时由

20、于MRFD安装位置以及平台模型在x,y方向振动频率等特性的差别，使得MR对x方向的减振效果好于对y方向的减振效果。3、采用模糊控制原理进行设计的MRFD系统对不同海况参数下也有较好的模糊性，控制效果比较稳定，但仍表现了对规则波的控制效果要好于同等海况参数下的随机波浪作用下的控制效果。,2023/10/30,江苏科技大学 霍发力,48,6.4.4 试验测量结果与数值模拟结果比较海洋平台模型各种状态的频率数值模拟结果见下表：通过上表可以看出有限元计算结果和实物模型的X、Y方向第一节频率十分接近。,49,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,50,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,5

21、1,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,52,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,数值模拟结果与实测结果整体上吻合较好。但实测的平台X方向的振动响应要比数值模拟小一些，大约为数值模拟结果的0.7倍左右，这主要由于实际造波产生的波浪要比理论值小，以及波浪力计算值与实际值之间的误差所引起的。Y方向的振动响应测试结果要比理论上模拟的结果大很多，主要是由于波浪在传递过程中作用在结构上时，x方向的浪在Y方向也会产生作用力，而数值模拟过程中不考虑上述因素的影响，在模拟过程中仅考虑产生X方向的作用力，Y向作用力为零，因此存在较大的差距。此外，对于减振幅度的对比结果表明，吻合较好，但模拟的减振

22、效果要比实际减振效果好，主要是由于在实际MR控制系统作用时存在时滞现象以及在进行控制系统设计时实际模型与理论模型存在的偏差等原因引起的。,53,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,(1)理论上基于模糊理论和滑移模态控制理论，磁流变阻尼器半主动控制系统对海洋平台波浪载荷下振动响应有很好的控制效果。(2)采用半主动控制原理设计的MRFD系统可以对平台试验模型在波浪载荷作用下引起的振动进行有效控制，减振效果明显。(3)MRFD对位移响应、速度响应以及加速度响应的减振幅度基本相当，但加速度的减振效果最好，位移、速度响应的减振效果次之。此外试验结果表明对不同浪向以及平台不同方向的响应减振效果有所

23、区别，其中对斜浪的减振效果要差一些，对x方向的减振效果好于对y方向的减振效果。,2023/10/30,江苏科技大学 霍发力,54,论文研究得出的结论,(4)采用模糊控制原理进行设计的MRFD系统对不同海况参数下也有较好的模糊性，控制效果比较稳定，但仍表现了对规则波的控制效果要好于同等海况随机波浪控制效果。(5)数值模拟结果与实测结果整体上吻合较好，但实测的平台X方向的振动响应要比数值模拟小一些，大约为数值模拟结果的0.7倍左右。(6)对于控制效果的对比结果表明，吻合较好，但模拟的减振效果要比实际减振效果好。,2023/10/30,江苏科技大学 霍发力,55,陆上振动控制算法研究比较成熟，对于像

24、神经网络控制算法等很好的智能算法，运用到海洋平台上，需要进一步的研究。海洋平台振动控制计算研究成果还主要在理论上，实际工程上面很少。由于海洋平台空间有限，所处的环境特殊，实际运用时磁流变阻尼器结构要进行完善。,2023/10/30,56,海洋平台振动控制的展望,江苏科技大学 霍发力,57,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,创 新 点,1 嵇春艳 霍发力 陈明璐 导管架式海洋平台磁流变阻尼器半主动控制系统模型试验研究J 中国造船（已录用）2 霍发力 嵇春艳 李珊珊 基于模糊理论海洋平台的MRFD半主动控制理论研究J 中国海洋平台（已录用）3 霍发力 嵇春艳 陈明璐 海洋平台的滑移模态控制MRFD半主动振动控制研究J 船海工程（已录用）4 嵇春艳 霍发力 固定式海洋平台半主动控制方法及模型试验研究J 海洋工程（审稿中）,2023/10/30,江苏科技大学 霍发力,58,论文研究取得的成果,Thank you!,59,江苏科技大学 霍发力,2023/10/30,