1、海洋平台结构振动控制综述摘要： 振动将会影响平台工作人员的身心健康, 导致结构疲劳和破坏, 降低平台的实用性和生存性, 给生产生活带来极大威胁。对结构振动控制的研究和应用现状作了回顾, 总结了国内外海洋平台振动控制的研究进展, 并对今后的研究提出了建议和展望。 关键词: 结构振动控制, 海洋平台 中图分类号：TU318 文献标识码： A 引言： 众所周知, 深海石油、 天然气资源的开发前景十分广阔, 随着社会经济的高速发展, 世界各国都把关注的目光投向了广阔的海洋, 建造了大量的海洋平台。海洋平台结构复杂、 体积庞大、 造价昂贵, 而且长期在十分险恶的环境下工作, 对相应的勘探、 开采技术装备
2、的设计和使用提出了更高的要求。 海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施、 海上生产生活的基础, 会受到风、 浪、 流、 冰和地震等环境载荷的作用。这些大型柔性海洋平台一般表现为以下特征: ( 1) 固有频率低, 且低频模态密集; ( 2) 本质上的分布参数系统, 具有强耦合性和非线性; ( 3) 结构复杂, 参数易变, 自身结构以及所受外载荷具有不确定性。对于这些大型柔性结构而言, 即使强度足够, 但是在风浪流等动载荷的作用下, 仍有可能产生过大的 振动响应, 影响工作人员的身体健康, 导致结构的疲劳和破坏, 降低平台的实用性和生存性能, 从而给生产生活带来极大的危害。历史上曾经发生过多次海洋平
3、台事故, 造成了重大的经济损失和人员伤亡。如果利用传统的减振方法, 仅仅靠加强平台结构来耗散振动能量, 被动地抵御风浪流等动载荷的作用, 不仅会大大地增加平台造价, 而且由于结构复杂性和外载荷的不确定性, 也将难以达到预期的效果。结构控制技术及智能控制技术的出现为解决海洋平台振动控制这一难题提供了新的手段, 并大大拓展了它们本身的应用范围, 同时也带来了一些富有挑战性的问题。 1 结构振动控制发展现状 结构振动控制( 简称结构控制) 是指通过采取一定的控制措施来减轻或抑制工程结构由于动力载荷所引起的反应, 以满足结构安全性、 实用性和舒适性的要求。自从 1972 年美籍华裔学者 Yao J T
4、 P1首次提出结构振动控制的概念以来, 目前已经成为结构工程学科中的一个十分活跃的领域, 并且取得了丰硕的成果。结构控制在土木、 机械、 宇航等领域已经得到广泛的应用, 在海洋工程领域的研究和应用仍然处于起步阶段, 涉及到海洋平台的振动控制的研究成果为数不多, 但是海洋平台振动控制却是未来研究和应用的主要方向。 Housner G W2等 10 位科学家在 1997 年对结构控制的过去、 现在和将来进行了全面的总结和展望。结构控制涉及到控制理论、 随机振动、结构工程、 材料科学、 生物科学、 机械工程、 计算机技术、 振动测量和数据处理等, 是一门交叉学科。结构控制根据所采取的 控制措施是否需
5、要外部能源可以分为: 被动控制、 主动控制、 混合控制和半主动控制。 1. 1 被动控制 被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式, 一般是指在结构的某个部位附加一个子系统, 或者对结构自身的某些构件作构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其结构简单、 造价低廉、 易于维护且无须外部能源输入等优点而受到广泛的关注, 许多被动控制技术已经日趋成熟, 并已在工程实际中得到应用。被动控制的设计思想就是 采用隔离( 基础隔振) 、 转移( 吸振减震) 、 消耗( 耗能减振) 能量等方法来达到减小结构振动的目的。被动控制装置主要包括调谐质量阻尼器( TMD) 、 调谐液体阻尼器 ( T
6、LD) 、 液压质量控制系统、 质量泵以及粘弹性耗能阻尼器、 摩擦阻尼器、 金属耗能阻尼器等。 被动控制系统无需外部外部能源, 一般只对某种设定的振动特征进行控制, 缺乏跟踪和调节的能力, 其效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动态特性。目前来说, 对于被动控制的研究主要存在如下几个问题。一是被动控制减振效果的定量设计控制; 二是被动控制系统的可靠性研究, 包括结构本身可靠性与控制器的可靠性研究; 最后就是新型经济有效的被动控制装置的研究。 1. 2 主动控制 主动控制是指应用现代控制技术, 采用传感器对输入的外部激励和结构响应进行实时朕机跟踪和预测, 将监测到的信息送至控制器, 控制器根
7、据给定的控制律向作动器发出动作指令, 并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性, 使得结构和系统性能满足一定的优化准则, 以达到减小或抑制结构振动响应的目的。由于实时控制力可以随激励输入改 变, 其控制效果基本上不依赖于输入的特性, 因此控制效果明显优于被动控制。主动控制的研究工作主要分为主动控制算法和主动控制装置两部分。一般而言, 主动控制算法包括经典线性最优控制、 极点配置法、 瞬时最优控制算法、独立模态空间控制法、 滑动模态控制、状态反馈控制、 随机最优控制法、 自适应控制法等, 各种方法之间并非完全排斥, 在实际应用中更是结合实际控制对象 , 采用混合控制技术。 目前在海洋平台
8、的振动控制领域, 主动控制主要侧于理论分析和数值模拟。主动控制装置是主动控制从理论走向实际应用的关键环节, 目前开发应用的主动控制装置主要有主动质量阻尼器( AMD) 、 主动拉索系统等。 1. 3 混合控制 混合控制是将被动控制系统和主动控制系统同时施加在同一个结构上, 使其协调工作的结构控制方式。这种控制方式充分利用了被动控制和主动控制各自的优点, 它既可以通过被动控制系统来大量消耗控制能量, 又可以利用主动控制系统来保证控制效果, 比单纯的主动控制能够节省大量的能量, 因此有着良好的应用前景。 1. 4 半主动控制 半主动控制是指利用控制机构来主动调节结构内部的参数, 使结构参数处于最优
9、状态, 所需的外部能量比主动控制要小得多, 而且半主动控制更容易实施, 控制效果也不错。目前典型的半主动控制装置有可变刚度系统、 可变阻尼系统、 可变调谐参数质量阻尼系统以及可变( 电流变或磁流变) 液体阻尼器等。 2 结构振动智能控制研究进展 控制理论的发展经历了经典控制理论、 现代控制理论以及 20 世纪 70 年代发展起来的非线性智能控制理论三个阶段。智能控制 3- 8( Intelligent Control) 是将人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法, 并将其同控制理论方法和技术相结合, 在未知环境下, 仿效人的智能, 实现对系统的控制。智能控制是一门交叉学科, 它的建立和发展是以
10、其它学科特别是许多新兴学科为基础的。智能控制系统具有学习功能、 适应功能与组织功能。智能控制 的种类很多, 主要有 : ( 1) 基于人工神经网络的神经网络控制; ( 2) 基于模糊推理的模糊控制; ( 3) 基于专家系统的专家控制等。 3 海洋平台振动控制研究进展 海洋平台长期在恶劣的海洋环境下工作, 时时刻刻受到风浪流等环境载荷的作用, 所引起的振动问题已经得到了国内外专家学者的广泛关注, 对此进行了深入的研究并且已经取得了一定的成果, 但是由于海洋平台的振动控制问题涉及到多个学科, 需要在多个方面有所突破, 因此目前的多数相关研究仍然停留在理论阶段, 距离实际应用仍有一定的距离, 但这却
11、是 海洋平台振动问题解决的主要方向。目前对海洋平台振动控制的研究一般采用的是传统的结构控制方法, 被动控制、 主动控制、 半主动控制和混合控制等。 Lee( 1997)9在导管架的斜撑上设置了粘弹性阻尼器, 用来增加结构阻尼, 从而减小结构的振动响应。陆建辉等10利用粘弹性阻尼器对平台振动进行控制,对阻 尼器的设计 与位置优 化进行了研 究。欧进萍11, 12等从 1997 年开始为解决渤海海洋平台结构的冰激振动问题, 研究了斜撑式粘弹性耗能减振和粘滞耗能减振方案, 并且进行了相应的模型实验; 但是实验结果表明由于平台水上狭小的空间限制了耗能器的数量及其相对变形, 因此减振效果不太明显。其后进
12、一步研究了隔振装置在导管架平台上的应用, 在导管架端帽和甲板之间设置柔性阻尼层, 对多种冰载荷工况和地震工况进行了数值模拟, 取得了良好的减振效果。调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器在海洋平台振动控制中的研究和应用也得到了广大学者的关注。 陆建辉等13, 14研究了随机波浪载荷作用下调谐质量阻尼器对海洋平台的振动控制, 采用多种方法对 TMD 参数进行了优化。孙树民 15,16在采用调谐质量阻尼 器对独桩平台波浪反应控制进行研究时, 考虑了流体- 桩- 土相互作用的影响。计算结果表明适当选择 TMD 的参数可以有效地控制独桩平台的波浪响应。早在 1979 年 J. Kim Vandiver17就对
13、安装 TLD 的海洋平台振动特性及其减振效果进行了研究, 通过选择合适的水箱参数可以有效地减小平台的动力响应。Dong S, Wang Shuqing, 李华军等18 ? 21从理论和实验两个角度对安装 TLD 的海洋平台减振效果进行了研究,通过实验对水箱不同大小、 形状、 频率比等参数对减振效果的影响进行考察, 并且通过实验结果验证了理论模型的正确性。李宏男 22对海洋平台采用 TLD 进行地震响应振动控制进行了研究 , 探讨了 TLD 参数对于平台减振效果的影响。韦林 23对近海平台中的振动问题进行了最优控制的研究, 通过对该结构设置各种有效的振动控制阻尼器, 包括调谐液体阻尼器和调谐质量
14、阻尼器, 详细 分析了平台主动振动与被动控制的减振效果, 从而寻求最优控制的实施方案。结果表明适合海洋平台上构造的 TLCD 阻尼器和 TMD 阻尼器可以在主动与被动控制下有效地减弱振动效应。李华军、 嵇春艳、 吴永宁、 苏荣华等24- 27依据设计目标中对安全性和经济性的权衡, 通过使得二次型控制目标函数最优化, 推导出随机最优控制力的计算方法, 从而实现最优控制的目的。结果表明海洋平台的前馈- 反馈控制比 TMD 控制、 反馈控制有更好的减振效果, 可以在宽广的范围内实现大幅度的减振。Vincenzo28在平台结构中设置主动质量阻尼器(AMD) 系统以减轻漩涡引起的振动。Ahmad S K
15、, Ah?mad S29、 周亚军 30采用传统的最优控制算法对平台进行 了最 优主 动 控制 研 究。李 华 军31、SuhardjoJ 32,33等利用 H 2 控制算法对 AMD 主动控制装置在导管海洋平台的振动控制进行了研究, 并且对 TMD 被动控制和 AMD、 ATMD 主动控制的控制效果进行了比 较, 结构表明主动控制的效果优于被动控制。Abdel_Rohman M34分别从主动和被动的角度研究了海洋平台的振动控制问题。Kawano,Kenji, Ishizawa, Hidefumi 等35研究了半主 动控制装置在导管架海洋平台振动控制中的应用, 主动控制力所产生的控制效果可以通
16、过时域瞬时优化控制方法来确定。陆建辉等36采用变刚度系统对位于墨西哥湾的海洋平台进行了半主动控制研究, 取得了很好的控制效果。管友海等37针对磁流变( MR) 阻尼器在海洋平台上半主动控制进行了研究, 建立了海洋平台 MR 半主动控制的数学模型, 并介绍了磁流变阻尼器的性能及恢复力模型, 设计了磁流变阻尼器的参数。孙树民38也采用磁流变阻尼器对独桩平台的地震响应控制进行了研究, 数值算例均表明 MR 阻尼器对海洋平台振动控制的有效性。但是到目前为目, 海洋平台振动控制都是采用传统的控制方法, 由于传统方法所存在的一些固有缺陷, 使得控制的效果以及范围有限。周亚军 39,40基于人工神经网络方法
17、以及模糊逻辑理论, 建立了海洋平台振动智能主动控制的框架, 并且实现了海洋平台的振动主动控制。 4 结论与展望 海洋平台振动控制研究与应用具有巨大的经济效益和社会效益, 并且已经取得了可喜的成果。但是客观地说平台振动控制技术仍然处于理论与实验研究阶段, 离海洋工程实际应用还有相当大的差距, 在( 1) 土- 结构相互作用土- 结构相互作用( Soil_Structure Interaction) 对于波浪等外载荷作用下平台的振动响应主要有以下几个方面的影响: 减小共振频率、 通过波辐射损失能量、改进结构基础的运动。桩腿本身是细长的柔性结构且一般穿越多层土介质, 因此在平台振动响应分析时, SS
18、I 的考虑方法很重要, 但是目前大部分的结构控制研究都忽略了 SSI 效应。 ( 2) 时滞问题在结构控制中, 由于传感器测量、 计算机分析计算、作动器动作等都需要一定的时间, 导致了时滞(Time Delay) 问题的出现。时滞问题不仅会减弱海洋平台控制系统的性能, 甚至会导致系统的不稳定。采用智能控制方法可以提前对平台施加控制力, 在一定 程度上解决了时滞问题的影响。 ( 3) 控制算法和装置 需要发展更为先进有效的控制算法和装置( Con?Trol Algorithm and Device) , 真实的平台结构系统的自由度很多, 但是能够获得的结构反馈信息是十分有限的, 因此传感器、 作
19、动器的数量与位置的最佳配置显得很重要。在具体实现平台的结构控制时, 需要进一步研发与应用耗能少、 造价低、 可靠性高、 稳定性强并且施工操作简便的控制装置以及与结构控制有关的新材料。海洋平台结构控制是一个崭新的研究领域, 需要各个学科的共同发展。海洋平台智能控制, 包括神经网络控制、模糊控制等具有广泛的应用前景, 是海洋平台结构振动控制研究的发展方向。加强振动控制技术的理论与实验研究, 验证其实际控制效果与可靠 性, 并且加快在海洋平台上的应用研究。 参 考 文 献 1. Yao J T P. Concept of Structural Control. Journal of Structural Divi sion, ASCE, 1972, 98(7): 1567-1574 2 Hounser G, et al. Structural control: past, present, and future. Jour- nal of Engineering Mechanics, ASCE, 1997, 123( 9) : 897- 971 3易继锴, 候媛彬. 智能控制技术. 北京: 北京工业大学出版社, 1999
