基于非线性能量阱的半潜式平台垂荡响应抑制研究

半潜式平台由于吃水浅、水线面小导致垂荡响应较大,为采油树的选择以及钻井、采油等作业带来了许多制约因素,增加维护和作业成本。针对这一问题,本文提出了一种带有非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)的半潜式平台结构。根据NES减振原理,将活动式垂荡板作为NES系统的具体结构,通过建立带有NES系统的半潜式平台动力学模型,以减小平台垂荡响应为目标,优化设计了NES系统参数。考虑海况变化问题,对NES系统和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)系统的垂荡响应抑制性能、系统能量传递进行了对比分析。结果表明：NES系统对半潜式平台的垂荡响应具有明显抑制效果,NES系统的共振俘获现象可以使平台与其发生靶能量传递(Targeted energy transfer, TET),同TMD系统相比,NES系统对不同海况波浪谱峰周期变化的鲁棒性更强。     

考虑桩土作用独桩海洋平台横向振动特性研究

采用动Winkler弹性地基梁模型模拟桩土问动力相互作用，并考虑了流体与桩问相互作用，通过组合成层土中、水中桩单元的刚度阵，推得了独桩海洋平台连续系统横向振动的动刚度阵及在波浪力作用下平台甲板处的频率响应函数，进而求得了在确定性波浪力及随机波浪力作用下桩身任意点的位移响应。最后，通过算例研究和分析了在随机波浪力作用下成层土参数、甲板上重量及冲刷淘深等因素对平台振动响应的影响。     

支撑刚度对水平板波浪冲击压力影响

上部结构位于浪溅区及由弹性桩腿支撑的海洋结构物,如海上栈桥和海洋平台等,在恶劣海况下会受到强烈的波浪冲击作用并产生振动响应。通过物理模型实验研究了波浪对三种不同支撑刚度的结构物冲击作用。分析了不同支撑刚度结构物底面冲击压力和冲击力的变化特性。讨论了支撑刚度对结构波浪冲击力的影响,给出了冲击压力和冲击力随相对净空(s/H)和相对板长(B/L)的变化规律。实验分析结果表明:水平板底面波浪冲击压力与冲击力均随弹性支撑刚度K的增大而增大;随相对净空(s/H)的增大先增大后减小;随相对板长(B/L)的增大而减小。     

海洋石油平台TMD振动控制及参数优化

研究了随机波浪载荷作用下调谐质量阻尼器（ＴＭＤ）对桩基钢结构海洋平台的减振效果,采用谱分析法对ＴＭＤ参数进行优化,优化ＴＭＤ 使平台的位移响应标准偏差比无ＴＭＤ下降１２．４％ 。并研究了ＴＭＤ参数在优化域内的失调对响应的影响,ＴＭＤ刚度失调比阻尼失调要敏感,欠阻尼失调比过阻尼失调要敏感。从振害累积概念出发,对谐激励下ＳＤＯＦ－ ＴＭＤ的Ｒａｎｄａｌｌ参数优化方法提出了改进。     

自升式平台的非线性随机波浪载荷响应

本文对受随机波浪载荷的自升式平台结构非线性随机响应,在时域内作了动态分析。分析中考虑了平台桩腿与海底间的相互作用,用随机模拟的方法产生随机波浪外载荷,并考虑了Morison 力中的非线性,在时域内采用 FFT 法进行了动态响应计算。给出了自升式平台 Dyvi-Gama 在随机波浪载荷作用下的非线性随机响应的极值响应结果,并对所得极值作了若干随机分布分析,指出在所分析的结构响应中考虑非线性因素的情况下,几种分布中,唯有冈贝尔(Gumbel)分布较好地描述了其极值分布特征。     

考虑随机波浪载荷的导管架平台结构优化设计

研究海洋平台适应恶劣海况的设计理论，应用ANSYS软件对位于渤海湾的CII导管架海洋平台进行动力分析，得到CII平台基本动力学参数和在随机波浪载荷作用下的动力响应。CII平台是以管件为主的空间框架结构，将管件外径作为固定约束，以其壁厚作为设计变量，考虑刚度、强度和稳定性等约束条件，以结构的总重量为优化目标，对平台进行构件尺寸的优化设计，计算结果表明目标函数值比原设计减小4．33％，经济效益明显。此研究方法对近海导管架海洋平台的结构设计具有实际参考价值。     

番禺30-1导管架海洋平台结构振动监测与安全分析

番禺30-1平台是我国首座位于南海海域水深200 m的固定式导管架海洋平台结构,平台结构基频较低,在动载荷作用下平台结构极易发生振动响应,可能对平台结构构件、设备及人员造成一定的安全隐患。现场监测得到的番禺30-1平台结构振动响应统计数据发现,季风期平台结构在波浪作用下发生稳定持续的振动响应,偶然性拖船撞击平台结构桩腿时发生较为强烈的瞬态振动响应。运用有限元数值动力分析方法,结合相关规定对平台结构在波浪及拖船撞击时进行了结构安全性能分析,为平台结构的安全运行及安全保障提供参考价值。     

调谐质量阻尼器对海洋平台的减振效果分析

目前调谐质量阻尼器(TMD)的研究和设计多数是依据结构的第一阶模态进行的,忽略了TMD对结构其它模态的影响。为了明确TMD是否会对结构的高阶模态造成不利的影响以及影响的程度,论文采用模态分析法将海洋平台-TMD系统进行模态分解,推导出系统各阶模态的状态空间方程。并以一海洋平台为算例,讨论TMD针对结构的某一摸态进行设计时对各阶模态响应的减振效果,仿真的结果表明TMD对设计的模态有较好的减振效果,但对平台的其它模态响应的减振幅度有限,甚至产生不利影响,使某些模态的振动响应增幅较大。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

固定式海洋平台结构动力响应及随机响应分析

本文对导管架式固定海洋平台所承受的波浪载荷、结构在波浪载荷下的动力响应与随机响应分析方法进行了论述;编制了基于同一结构描述与特征计算的动力响应分析程序(DYMO)和随机响应分析程序(RANDOM)。文中简要介绍了挪威工学院结构工程研究所应用的结构分析程序 FAROW 中的 DYMO 和 RANDOM 的功能;给出了对设计建造中的高371米的北海某采油平台(STATOIL JACKET)进行响应计算的部分结果;并对两种响应计算结果给出了比较分析。     

基于小波变换的海洋平台损伤检测研究

当结构物产生损伤时,结构的动力特性会发生变化,从而引起结构振动响应产生相应的变化。小波变换是奇异性信号的良好检测工具,可以用于识别结构损伤的发生。建立了某海洋平台有限元模型,得到了随机海浪作用下不同损伤工况的结构振动响应。基于小波变换损伤检测,针对不同类型杆件损伤、不同位置杆件损伤、不同程度的噪声污染以及不同方向振动响应信号情况下,分别研究了海洋平台结构的损伤检测问题,得到了一些有用的结论。     

海洋平台磁流变阻尼器半主动控制研究

基于现代最优控制理论建立海洋平台磁流变 (MR)半主动控制系统的数学模型 ,采用白噪声过程通过滤波器来近似随机波浪力谱。以典型导管架平台为算例 ,对磁流变阻尼器进行了参数设计。分析了 MR阻尼器对海洋平台振动控制的有效性 ,仿真结果表明 ,采用磁流变阻尼器对海洋平台进行半主动控制能够有效的减小平台的动态响应。     

基于半仿真实验系统的调谐质量阻尼器等效阻尼力测量

为了研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)在海洋平台冰激振动中的减振效果,提出一种基于半仿真实验系统的TMD等效阻尼力测量方法,利用该系统可以直接测试结构安装TMD装置时产生的作用力.介绍该实验系统的测试原理及等效阻尼力的测量方法,并在正弦位移输入下,对TMD装置进行了测试,比较等效阻尼力的实测值与计算值,结果证明利用该系统可以测量得到TMD的等效阻尼力.     

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动（vortex-induced vibration,简称VIV）,发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明：基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。     

随机波浪荷载作用下海洋平台的前馈-反馈振动控制研究

该文研究线性前馈 -反馈控制策略对海洋平台振动控制的有效性。线性前馈 -反馈控制只有当输入荷载为白噪声过程时 ,所实施的控制才是最优的 ,因此该文采用一白噪声过程通过滤波器来近似随机波浪力谱 ,并将海洋平台 -主动控制系统的动力学方程转化为符合随机最优控制要求的增广状态空间表达形式。依据设计目标中对安全性以及经济性的权衡 ,通过使二次型控制目标函数最小化 ,推导出了随机最优控制力的计算方法 ,从而实现了最优控制的目的。在频率域上分析了海洋平台受控后的振动响应 ,结合典型的海洋天然气生产平台算例 ,将前馈 -反馈控制与反馈控制、TMD控制加以比较 ,总结了前馈 -反馈控制的特点及其优越性     

在建导管架平台圆管风致涡激振动及减振研究

研究了大型导管架平台卧式建造时出现单边约束圆管的风致涡激振动问题。将建造过程中单边约束的导管架圆管简化成悬臂梁模型,采用van der Pol尾流振子模型模拟圆管受到的流体力,建立了圆管风致涡激振动动力学方程。使用伽辽金方法对建立的运动方程进行求解,数值分析了圆管在特定约化风速下的涡激振动特性。在圆管上附加非线性能量阱(NES)作为被动减振装置对圆管进行减振,并采用粒子群优化算法对NES的非线性刚度和阻尼参数进行了优化。结果表明,在约化速度为4.8时,得到的NES优化的非线性刚度和阻尼参数组合可以有效减小悬臂梁自由端风致涡激振动位移。本研究说明采用NES和粒子群优化算法可以有效减小圆管的风致涡激振动,为导管架安全建造提供一定的参考。     

地震与波浪联合作用下海洋平台动力特性分析

主要针对地震与波浪联合作用下空间导管架式海洋平台结构的动力响应特性进行研究。以春晓平台结构为例,利用ANSYS程序进行了动力响应的数值计算,分析中考虑了地震设防烈度、风浪条件及场地土类型等因素对结构响应的影响,并与地震单独作用下的结构响应进行了对比。分析结果表明,抗震设防烈度较低、中等及较大风浪条件下对海洋平台结构进行抗震分析时有必要考虑地震与波浪的联合作用。     

海洋输流立管耦合动力分析

综合考虑黏性内流以及立管轴向和流向的耦合效应等多种因素对立管动力响应的影响,基于Hamilton原理推导得出海洋立管耦合振动方程,采用Galerkin法进行数值求解。首先分析波流载荷与平台运动联合激励和仅在平台运动作用下立管动力响应的差异,然后讨论黏性内流和顶部张力对立管动力特性和响应峰值的影响。计算结果表明:波流与平台运动耦合作用和仅在平台运动作用下的立管各阶振动模态和振动峰值存在明显差异,波浪和海流对立管的直接作用不可忽略;内流运动黏性会改变立管振型峰值,立管流向一阶固有频率随内流流速增大而减小,流向和垂向振动峰值分别随之增加和减小,但这种影响很有限,且可以通过增大立管顶部预张力来抵消。     

多稳态夹芯金属压杆的滞后阻尼增强机制与被动减振性能

破碎波浪砰击于导管架等海洋工程结构,产生瞬态强载荷及长时振动。高刚度金属结构可抵抗瞬时强载,但金属固有阻尼极低而难以有效抑制振动,从而加剧结构损伤乃至失效。为使单一结构同时具有高刚度和高阻尼,设计一种多稳态夹芯金属压杆,有限元模拟表明该类压杆稳态随循环载荷依序转换,对应刚度变化使力—位移间产生滞后关系,使高刚度金属压杆具有高效耗散能力;采用夹芯结构弹性理论和发展变边界结构稳定理论,给出了该类压杆的稳态转换阈值和刚度变化过程,与有限元模拟一致;以有限元模拟方法获得了承载和阻尼特性的几何参数相关性;以该类压杆替换导管架斜撑,用有限元方法模拟瞬态强载下结构振动,计算结果表明多稳态夹芯金属压杆保证导管架高刚度同时显著增强了阻尼。     

基于三维约束NewWave理论的自升式钻井平台动力响应分析

以某122 m自升式钻井平台为分析对象,建立其有限元模型,包括材料非线性、几何非线性以及桩土非线性相互作用,在风浪流作用下,基于三维约束New Wave理论对自升式钻井平台的动态响应进行分析,研究海洋波浪方向传播特性和随机特性对平台动力响应的影响。在建立模型中实现风暴工况下水面高程和水粒子运动的描述,响应结果按甲板位移进行对比。结果表明,相比其它波浪理论,三维约束New Wave理论在平台动力响应分析中体现了一定的优越性,不仅能较准确地反映波浪的真实特性,而且能确保结构性能评估的安全性和合理性。