JZ20-2NW平台磁流变阻尼半主动控制系统的分析、试验与实施

摘要

渤海是我国油气开发的重要海域，同时也是我国唯一冬季结冰的内海。处于这里的海洋平台在服役期间除承受风、浪等环境荷载作用外，在冬季还承受冰荷载作用。在冰情较严重的冬季，平台在海冰作用下发生强烈振动，严重影响了平台结构的疲劳寿命以及平台上设备和工作人员的安全。同时，渤海海域属于抗震设防区，地震也是影响这里的海洋平台安全的重要因素之一。为了对平台结构的振动响应进行控制，JZ20-2NW平台安装了磁流变阻尼智能减振系统。
　　本文建立JZ20-2NW平台的简化模型，并对JZ20-2NW平台的磁流变阻尼半主动控制系统进行设计，对磁流变阻尼半主动控制系统对冰和地震作用下的减振效果，运用实时子结构试验技术进行试验验证，最后对应用于平台现场的磁流变半主动控制系统进行设计，并对现场实测的数据进行了初步分析。研究内容主要包括：
　　1.在 JZ20-2NW平台 ANSYS简化模型的基础上，分别建立四自由度和八自由度的简化模型，并验证两个简化模型的精确性，为磁流变阻尼半主动控制系统提供可用的简化模型。
　　2.在 JZ20-2NW平台外部荷载未知的情况下，对 Kalman滤波器进行设计，利用 Kalman滤波器对结构的所有状态进行估计，并对 Kalman滤波器对结构状态估计的准确程度进行分析。根据 Kalman滤波器估计得到的结构的状态，对平台结构的磁流变阻尼半主动控制系统进行设计，并对平台在冰力和地震作用下的动力响应进行仿真分析。结果表明，磁流变阻尼半主动控制系统能够取得很好的减振效果。
　　3通过实时子结构试验，验证磁流变阻尼半主动控制系统对平台在冰力作用下的结构响应的减振效果。试验结果表明，磁流变阻尼半主动控制系统能够有效地减小平台结构在冰力作用下的动力响应。
　　4.根据 JZ20-2NW平台现场的观测信号，综合考虑平台结构的冰力和地震作用的情况，设计用于平台现场控制的半主动控制系统。根据在 JZ20-2NW现场测回的数据，对磁流变阻尼半主动控制系统的控制效果进行初步分析。分析结果表明，阻尼器可以给平台结构附加较大的阻尼比。

目录

JZ20-2NW平台磁流变阻尼半主动控制系统的分析、试验与实施

ANALYSIS, EXPERIMENT AND IMPLEMENTATION OF MR DAMPERS FOR JZ20-2NW OFFSHORE PLATFORM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 结构磁流变阻尼控制的发展与现状

1.2.1 磁流变液的研究与发展概况

1.2.2 磁流变液阻尼器

1.2.3 结构振动的磁流变阻尼控制

1.3 基于输出反馈的结构控制

1.4 海洋平台结构振动控制研究与应用

1.5 实时子结构试验的应用

1.6 课题来源

1.7 本文主要研究内容

第2章 JZ20-2NW海洋平台结构简化模型的建立

2.1 引言

2.2 JZ20-2NW平台简介

2.3 平台的简化模型的建立

2.3.1 四自由度简化模型的建立

2.3.2 八自由度简化模型的建立

2.4 简化模型的精度分析

2.4.1 冰力时程和地震波的选取

2.4.2 结果对比与分析

2.5 本章小结

第3章 JZ20-2NW平台磁流变阻尼半主动控制数值仿真分析

3.1 引言

3.2 状态方程与观测方程的建立

3.3 Kalman滤波器设计

3.4 状态反馈增益矩阵

3.5 Kalman滤波器估计效果分析

3.5.1 冰力和地震波时程的选取

3.5.2 最优控制力比较

3.5.3 动冰力作用下Kalman滤波器的修正

3.6 磁流变阻尼器半主动控制仿真分析

3.6.1 磁流变阻尼器的半主动控制算法

3.6.2 JZ20-2NW平台动力响应分析

3.6.3 JZ20-2NW平台半主动控制效果分析

3.7 本章小结

第4章 JZ20-2NW平台磁流变阻尼半主动控制的实时子结构试验

4.1 引言

4.2 试验装置

4.3 试验方法

4.4 试验参数

4.4.1 平台结构模型

4.4.2 试验荷载的选取

4.4.3 力电关系的建立

4.4.4 Kalman滤波器设计

4.4.5 状态反馈增益矩阵

4.4.6 半主动控制算法

4.5 试验结果

4.5.1 50年一遇冰力及共振冰力作用

4.5.2 2年一遇冰力作用

4.6 本章小结

第5章 磁流变半主动控制系统的现场实施与实测结果分析

5.1 引言

5.2 半主动控制系统的现场实施

5.2.1 传感器布置

5.2.2 Kalman滤波器设计

5.2.3 状态反馈增益矩阵、半主动控制算法及力电关系

5.2.4 JZ20-2NW平台现场半主动控制程序

5.3 实测结果初步分析

5.3.1 阻尼比分析

5.3.2 电压信号分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

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致谢