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海洋工程结构振动控制的问题

作者:原创论文网 时间:2018-02-11 14:32 加入收藏

  1.海洋工程结构振动控制
  
  海洋工程结构所处的环境具有时变和不确定性。因此不可能准确得到作用在海洋工程结构物上的荷载及其实际应力。目前解决强度问题的途径是不断修改和提高设计标准,以提高结构抵抗环境荷载的能力。尽管如此,海上仍有包括平台在内的海洋工程结构物发生破坏。鉴于此种情况,人们提出了对结构物生命周期内振动进行控制的概念利设想。这是解决海洋工程结构物在生命周期内安全问题的新概念和重大研究课题。进行海洋工程结构物振动控制的目的,就是要采用。定的措施,减轻和抑制结构在各种动力荷载作用下的动力反应,提高结构物抵抗环境载,工作荷载的能力,以满足结构安全性、可靠性以及使用性的功能要求。美国的Yao在1972年将现代控制理论应用于结构振动控制,确定了对主动控制研究的开展。20多年过去了,结构控制技术得益于机械、电子、计算机等技术的发展,取得了长足的进展。结构控制技术的分类。从控制对外部能量的需求的角度看,结构控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制等;从控制理论出发,结构控制又可分为开环控制和闭环控制;从被控结构的特性划分,结构控制又可分为浮式结构(如VLFS超大型海洋浮式结构物)控制和固定结构(如各种导管架平台)控制。而智能结构则是近几年提出的对结构物生命周期内的安全进行控制的新的研究领域。
  
  被动控制[1].被动控制无须外界提供能量,依靠结构元件之间,结构与辅助系统、子系统之间的相互作用消耗振动能量,从而达到结构振动控制的目的。被动控制技术主要包括耗能减振技术、吸振减振技术等。耗能减振技术是把结构物中的某些构件设计成耗能部件,或在结构物的某些部件(节点或连接处)装设阻尼器。,在风倘载和较小下扰力的作用下,耗能杆件和阻尼器处于弹性状态;在强烈的荷载作用时,耗能杆件或阻尼器率先进人非线性状态,火量耗散输人结构的振动能最,使主体结构避免进人明显的非弹性状态,从面保护主体结构在强烈荷载中免道破坏。渤海重冰情区典型的钢质导管架结构,在平台上设置了大跨度、小跨度和组合跨度3种不问方式的黏弹性耗能斜撑。数值模拟计算结果表明:这种阻尼减振措施可以有效增加平台结构前3个振型阻尼比,同时耗能斜撑还给结构附加了少量的刚度,能适当提高前3个振型的频率。吸振减振技术是在主体结构中附加子结构,使结构的振动能曩在原结构与子结构之间重新分配,从而达到减小被保护目标结构振动的目的。目前主要的吸振减振装置有调谐质量阻尼系统(TMD)、调谐液体阻尼系统(TI.D)、质量泵、空气阻尼器利液体阻尼器等。
  
  主动控制技术。主动控制是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的,其工作原理为:传感器监测结构的动力响应和外部激励,将监测的信息送入计算机;计算机根据给定的算法得出应施加力的大小;最后由外部能源驱动、控制系统产生所需要的控制力。主动控制系统包括主动质量阻尼器系统(AMD)、主动拉索。主动基础隔振、气体脉冲发生器、主动变刚度系统(AVS)。主动变阻尼系统(AVD)。空气动力学附件(AA)等。主动变刚度系统可以改变结构的刚度,显着节省减振所需的能量。
  
  半主动控制技术。半主动控制属于参数(阻尼和刚度)控制,它根据振动反应或动荷载信息实时改变结构的参数来减少结构的反应[2].目前研究和试验较多的半主动控制系统,包括刚度控制装置(SVD)、电流变阻尼器(ER)、磁流变阻龙器(MR)、流体黏性阴尼器、调请质量阻尼器(TMD)和调谐流体阻尼器(TLD),是海洋工程结构物振动控制的主要技术措施。
  
  半主动磁流/电流(MR/FR)变阻尼控制。磁流变液体和电流变液体在磁场或者电场的作用下,可以在很短的时间内改变液体的黏性阻力,且此变化具有可逆性。用此原理研制成功的阻尼器,机构简单、响应快。耐久性好,阻尼力大而且连续可调采用磁流变(MR)技术阻尼器的减振独桩平台。平台独桩与隔水套管之问(泥面以上)的空隙不用填充物,将MR安装在隔水套管和桩的空隙之间、桩顶与甲板之间用橡胶垫相接。根据地震响应的大小,MR阻尼器内的流体黏性阻力在磁流变作用下不断进行调整,从而可有效减小震引起的甲板振动。
  
  主动变刚度/阻尼(AVSD)控制屯动变刚度/阻尼(AVSD)控制是一种崭新的半主动控制技术。这一控制形式将当今结构控制国际前沿领城的主动变刚度(AVS)和主动变阻尼(AVD)控制有机地结合起米,使之不仅具有AVS控制系统能主动地避开F扰荷载卓越频率的优点,而且具有AVD系统削减反应峰值的优点。智能结构(intelligent structure)
  
  2.海洋工程结构振动控制的问题
  
  海洋工程在实际的操作当中就有很大的困难性,因为它所处的环境有时候是会发生变化的,而且存在着许多的不确定的原因。因此,不能够在海洋工程结构中得到实际的应力,目前,它的最好的解决办法是来提高周围环境的一些承受力的能力。
  
  海洋工程结构所处的自然环境复杂多变,难以建立确切的数学模型准确地描述海洋环境,理论分析结果与实际测试响应之间常常存在很大蒸别。从长远目标考虑,海洋工程结构物应该采用具有智能行为的结构控制系统智能结构或者机敏结构(smart structure),具有感知、辨认、导优和控制4种基本功能。制作结构的材料,既是传感器又是荷载的承受者。由于海洋和海洋结构物振动控制所涉及的是动态问题,实时性十分重要。在选择传感元件时,可选用半导体或压电陶瓷传感元件。J.van Humbeeck提出,利用SMA的良好阻尼特性制造嵌人式记忆合金丝,以破小结构的动力响应,提高结构的抗疲劳破坏能力,延长使用周期l11.最近的研究表明,磁致伸缩材料(magnetostrictive material)在减小迟滞和在线控制(online control)应用中具有良好的前景。磁致伸缩材料与常用的压电材料、形状记忆合金相比,具有响应速度快、应变大、使用频带宽、驱动电乐低等优点。Terfenol-D是一利具有磁致伸缩特性的合金材料,它在磁场作用下的机械形变能力为压电材料的10倍,可提供较大的控制力。海洋工程结构物在生命周期内安全问题的新概念和重大研究课题[6].进行海洋工程结构物振动控制的目的,就是要采用一定的措施,减轻和抑制结构在各种动力荷载作用下的动力反应,提高结构物抵抗环境载,工作荷载的能力,以满足结构安全性、可靠性以及使用性的功能要求。
  
  3.结束语
  
  在对海洋工程结构进行操作控制的时候,可以对船舶有着进一步的理解,在设计和制作的过程中,也会对振动控制方面产生新的感悟。在船舶界焊接的质量的好坏,直接影响着整个工程的操作,在进行操作的时候还要考虑到经济的问题,要尽量在保证安全的情况下减少成本,从而促进整个船舶业去进行发展,从而促进整体的经济。

  参考文献

  [1] 马网扣,唐友刚,鲁晓光.海洋工程结构振动控制的若干问题[J].中国海上油气,2002,14(3):15-18.
  [2] 桂洪斌.船舶与海洋工程结构振动控制问题的若干探讨[D].上海交通大学,2003.

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