海洋平台振动控制研究及相似模型设计

摘要

海洋平台是海上石油天然气资源开发的基础设施.平台的有效振动控制已成为延长平台使用寿命、提高平台可靠性、改善平台工作人员的舒适感的重要措施.因此,如何减轻平台在各种载荷作用下的振动日趋重要.本文结合国家自然科学基金项目,对ETMD减振系统在海洋平台中的减振效果和海洋平台相似模型进行研究,本文研究内容主要包括以下几个方面. 第一,利用海洋平台上的设备和装置作为质量体构造ETMD减振系统.为分析ETMD减振系统的振动控制效果,将海洋平台和ETMD减振系统简化为二自由度系统进行研究.同时,引入振动控制效果评价指数作为减振效果评价指标,研究各个参数对振动控制效果的影响.结果表明,影响ETMD系统振动控制效果的参数有系统的阻尼比、固有频率比和质量比,各参数的取值不同,振动控制效果也不同. 第二,为得到ETMD减振系统的最优参数,根据二自由度动力学方程,编写了MATLAB程序.得到最优振动控制效果下ETMD系统的参数(μ<,o>=0.625,λ<,o>=0.500和ξ<,o>=0.431)及最优参数区间:μ<,or>=(0.475,0.875),λ<,or>=(0.350,0.750)和ξ<,or>=(0.191,0.591). 第三,为验证ETMD减振系统对海洋平台的振动控制效果,应用ANSYS有限元软件,对海洋平台在随机波浪载荷和地震载荷作用下的振动控制进行了仿真分析.仿真结果表明ETMD减振系统能够有效的控制海洋平台的振动. 第四,为满足将来模型试验的需要,本文还进行了海洋平台相似模型的设计研究.基于Backingham π定理,推导出海洋平台相似模型设计需要满足的条件.针对海洋平台模型设计中,模型与原形固有频率难以满足相似条件的问题,引入固有频率比相对误差作为模型相似程度的衡量标准,对南海W12-1海洋采油平台进行相似模型设计,得到较为满意的相似模型. 最后,对相似模型进行验证.对海洋平台相似模型进行结构动力响应分析,按照相似关系求出原型响应的推算值.按照相似关系对海洋平台的原型进行结构动力响应分析,得到响应的原型值.分别对海洋平台模型的位移、速度和加速度的推算值与海洋平台的原型值进行了比较验证.研究的结果表明海洋平台相似模型能很好的满足相似条件. 总之,理论分析和仿真研究表明,ETMD减振系统对海洋平台的振动具有显著的控制效果.根据满足固有频率相似条件的方法,设计的海洋平台模型能够满足相似条件,为下一步的研究奠定了基础.在后续研究中,将制造模拟平台,对ETMD减振系统在海洋平台控制中的应用做进一步的研究.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2海洋平台振动控制研究状况

1.3 TMD结构振动控制的发展现状

1.3.1 TMD振动控制的演化

1.3.2 TMD振动控制的工程应用

1.4课题主要研究内容

1.5小结

第二章海洋平台载荷分析

2.1地震载荷

2.1.1地震特性

2.1.2设计地震

2.1.3地震时程曲线

2.2波浪载荷

2.2.1波浪的分类

2.2.2波浪力计算

2.3流冰载荷

2.3.1冰载荷分类

2.3.2冰堆整体推移压力

2.3.3流冰冲击力

2.4风载荷

2.4.1风的基本特性

2.4.2风载荷计算

2.5小结

第三章ETMD减振系统控制效果分析

3.1 ETMD减振系统的构建

3.2 ETMD减振系统动力学模型

3.3振动控制效果评价指数

3.4评价指数的参数分析

3.5最优参数及最优参数区间

3.6小结

第四章海洋平台振动控制仿真研究

4.1随机波浪载荷作用下海洋平台振动控制仿真研究

4.1.1随机波浪载荷的时程曲线

4.1.2振动控制仿真分析

4.2地震载荷作用下海洋平台振动控制仿真研究

4.2.1地震波选择

4.2.2地震波调整

4.2.3振动控制仿真分析

4.3小结

第五章海洋平台相似模型研究

5.1海洋平台模型相似准数的确定

5.2海洋平台模型应满足的相似条件确定

5.3海洋平台模型相似条件分析

5.4 W12-1平台相似模型设计

5.4.1海洋平台固有频率比相对误差

5.4.2海洋平台模型相似比确定

5.5海洋平台模型相似验证

5.5.1海洋平台模型位移推算验证

5.5.2海洋平台模型速度推算验证

5.5.3海洋平台模型加速度推算验证

5.6 小结

第六章结论与展望

致谢

参考文献

附录A硕士期间发表学术论文及科研情况

附录B海洋平台模型前5阶固有频率表

附录C海洋平台固有频率比相对误差表

附录D分段三次多项式样条插值系数表