海洋平台的动力特性与主动控制

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随着人类对资源的需求越来越大,陆地资源的开采已经不能满足人类发展的需要。因此,在科技高度发达和工业制造日益强大的今天,人们已经将目光转向更加广袤、资源更为丰富的海洋。海洋平台作为开发海洋石油天然气资源的基础性设施,集海上生产、生活诸多功能于一体,其安全性和重要性不言而喻。但是由于海洋平台所处的工作环境非常恶劣,长期受到风、浪、流、潮等多种载荷的作用,一方面会因此产生持续的振动,给工作人员带来不适感,并且影响平台上机器设备的正常运行;另一方面平台的振动会降低结构构件的可靠度,导致平台的疲劳破坏。因此,对海洋平台动力特性及振动控制的研究具有重要的价值和意义。海洋结构物一般可以分为固定式和移动式两大类。固定式平台是一类依靠桩柱、扩大基脚等结构型式固结在海底的平台,根据其支承方式又可分为桩基式平台和重力式平台两种。移动式平台是一类为适应勘探、施工、维修等海上作业,需从一个钻井地点更换到另一个钻井地点而发展起来的平台,根据其支承方式又可分为浮动式平台和着底式平台两种。顺应式结构是移动式平台中的一类具有一定柔性的结构,通常既能固定在深水中,又具有可移性,此类结构所受外力大部分由惯性力消耗,水平运动响应突出,几何非线性效应显著,其结构型式主要包括有:牵索塔平台,张力腿平台(TLP),SPAR平台和铰接塔平台(ATP/AP)等。半潜式平台是在前几代海洋钻井平台基础上发展起来的一种浮动式平台,主要由上部结构、下潜体、立柱及斜撑组成,依靠锚缆或动力定位。本文在国家自然科学基金(编号:11072146、11272202、11002087)的资助下,针对移动式结构中常见的顺应式海洋平台和半潜式海洋平台两类平台,开展动力特性及主动控制方面的研究,主要工作包括以下几个部分:1.采用连续介质力学方法,建立了顺应式海洋平台的动力学模型,运用有限差分方法对模型进行离散化,分别从大挠度、截面转角近似和小变形假设三种条件下研究了平台的非线性动力特性。首先根据力学基本原理建立起考虑重力梯度、水压力差、波浪力等外部载荷作用的系统的积分-微分动力学方程,然后根据边界条件和采用有限差分法对动力学方程进行离散化,得到有限自由度形式的系统动力学方程,最后通过数值仿真得到海洋平台在静水条件下的自由振动以及在不同波高条件下的受迫振动的动力学特性。2.采用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)研究了顺应式海洋平台的振动主动控制问题,给出了TMD参数的确定方法。仿真结果表明,主动TMD的控制效果明显优于被动TMD控制,而且主动控制时的TMD位移量明显小于被动控制方法。3.对半潜式海洋平台的疲劳可靠性问题进行了研究,研究了半潜式平台关键部位中的关键节点在不同浪向条件下的随机响应谱,并且在此基础上基于Miner线性疲劳累积损伤理论计算了这些节点的疲劳可靠度,给出了评估结构安全性的可靠性指标。4.对半潜式海洋平台的动力定位问题进行了研究,研究中采用Kalman滤波器对高频信号进行滤波,采用LQR方法设计主动控制律,该控制律只采用系统的低频信号进行反馈控制。仿真结果表明,文中所给方法能够有效地完成对平台的动力定位。海洋平台的动力学问题是一个非常具有挑战性的研究方向,还有许多值得深入探讨和研究的方面,因此论文最后对本文研究的内容和成果进行了总结,并展望了将来可能研究的内容和方向。
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