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海洋平台振动控制研究进展
摘要
海洋平台被广泛用于勘探、钻探、生产、储存和运输海洋资源，通常受环境载荷的影响，如海浪、风、冰和水流，这可能导致甲板设施的破坏、平台的疲劳破坏、操作效率低下，甚至船员的不适。为保证海上平台的可靠性和安全性，探索合理的海上平台振动抑制方法具有重要意义。控制方案主要有三种，即采用被动控制方案、半主动控制方案和主动控制方案，对海上平台的振动进行处理。本文概述了这些方案。首先简要介绍了被动控制方案和几种半主动控制方案。其次，简要介绍了一些经典的主动控制方法，如最优控制、鲁棒控制和智能控制。第三，深入分析了延迟反馈控制、滑模控制、采样数据控制和基于网络控制的主动控制方案的最新进展。最后，提出了一些具有挑战性的问题来指导今后的研究方向。
关键词：海上平台，振动控制，主动控制，延迟反馈控制，滑模控制，网络控制，采样控制，半主动控制，被动控制
1介绍
海洋平台广泛用于勘探、钻探、生产、储存和运输不同深度的海洋石油和/或天然气资源。海上平台有多种类型，如自升式平台、重力平台、钢架平台、张力腿平台(TLPs)、铰接式腿平台、固定式塔式平台、杆状平台、浮式生产系统、大型浮式结构。这些平台可以分为固定平台和浮动平台，它们有各自的目的和不同的配置。为了满足日益增长的对海洋能源和矿物资源的需求，在过去的几十年里，在海上平台上进行了大量的研究工作。相关的研究主要集中在结构设计和监测、损伤检测、疲劳分析和可靠性评估、数学建模和结构分析。特别地，海洋平台在很长一段时间内处于非常恶劣的海洋环境中，不可避免地受到环境负荷的影响，如波浪、风、冰、水流、和地震。环境负荷可能会导致海上平台的过度振动，从而导致甲板设施的破坏、结构的疲劳破坏、操作效率低下，甚至船员的不适。注意，一个离岸平台的振动振幅降低15%可以延长使用寿命超过2倍，并且可以减少对结构的维护和检查的支出。因此，探索合适的方法来减少不同类型的海上平台振动具有重要的意义。
鉴于减轻海上平台振动的直接和简单的方法是增加平台的刚度。因此，自然频率可以从共振频率转移。然而，这类方案通常需要额外的建筑材料，这不可避免地导致了成本的增加。因此，另一种方法是选择适当的结构控制方法，将结构振动降低到可接受的水平。在过去的几十年中，被动控制方案、半主动控制方案、主动控制方案等结构控制方案被广泛用于降低海上平台的振动。
本文概述了海上平台振动控制的最新进展。首先，简要介绍了一些被动控制方案，包括滞回机制、粘弹性机构、阻尼隔振机制和振动控制中使用的动力减振器。其次，对半主动控制方案进行了简要的调查。第三，详细介绍了主动控制方案。提出了几种最优控制、鲁棒控制、智能控制、滑模控制、采样控制等主动控制方案。特别是延迟反馈控制和基于网络的控制的有效性和优越性，这是最近开发的主动控制方案。通过故意将时滞引入离岸平台控制信道，延迟反馈控制方案将重点放在控制器设计上，并研究了时滞对平台主动控制的影响。基于网络的控制方案涉及到网络环境下的网络动态建模和控制器设计。最后，提出了一些具有挑战性的问题和研究方向。
本文的其余部分组织如下。在第2节中，概述了包括滞回和/或粘弹性机构、阻尼隔振机制和动态吸振器在内的几种被动控制方案。第三节介绍海上平台的半主动控制策略。第四部分对近二十年来海上平台的主动控制方案进行了调查。第五部分提出了一些具有挑战性的问题和一些研究方向。第六部分总结全文。
2被动控制
被动控制不需要任何其他外部能量，而控制力通常来源于设备本身的变形，如不同的被动耗能机制、阻尼隔离机制和动态减振器。由于易于实现和降低成本，降低振动的有效性，维护海上平台的稳定性和可靠性，在过去二十年中，对海上平台进行了广泛而成功的被动控制。本节简要回顾了海上平台的被动控制。
2.1滞回和/或粘弹性机制
迟滞装置包括金属阻尼器和摩擦阻尼器，耗散的能量没有明显的速率依赖性。粘弹性装置依赖于频率。粘弹性装置的主要类型是粘弹性固体阻尼器和粘弹性流体阻尼器。为减轻海上平台的振动，避免海上平台的破坏，海上平台广泛应用滞后和/或粘弹性系统。在中，研究了一个具有形状记忆合金阻尼器的海上平台的地震响应，讨论了形状记忆合金阻尼器在海上平台振动振幅的影响。它应被指定为一种智能材料，形状记忆合金具有较好的耐久性和抗腐蚀性、良好的抗疲劳性、长期可靠性、较大的弹性变形、温度和频率的稳定力学性能。因此，采用形状记忆合金作为阻尼器适用于海上平台。在中，采用粘弹性阻尼器来减少海上钢套的波浪诱导振动。研究表明，该平台的振动幅值可以显著降低。通过对离岸平台的建模，研究了具有摩擦、粘弹性和粘滞阻尼器的海上平台的振动。结果表明，粘弹性阻尼器增加了粘性阻尼和侧向刚度，粘弹性阻尼器比粘滞阻尼器更有效地减少了海上平台的波激振动。利用随机线性化技术，在中讨论了安装在海上平台上的摩擦阻尼器的非线性行为。结果表明，最佳调节摩擦阻尼器可大大降低深水平台的顶侧位移和速度变化，而浅水平台的效率则降低。注意摩擦阻尼器的能量耗散率是位移相关的，阻尼力与结构的速度响应和激振频率无关。因此，摩擦阻尼器特别适用于低频激振。在中，利用流体动力浮力阻尼器，利用阻尼器浮力和惯性力，以及水动力阻尼效应，研究了一个受波浪影响的海上平台的位移响应。
2.2阻尼隔离机制
为了消除海上平台的不受欢迎的振动，设计一种介于甲板底部和上部结构之间的隔离机制也是一种简单有效的方法。例如，研制了一种由橡胶轴承和粘滞阻尼器组成的阻尼隔振机构，以抑制受地震激励和冰荷载作用的近海平台的振动。实验和数值研究都是为了验证平台抑制振动的有效性。在中，通过使用8个铅橡胶轴承作为隔离器，开发了一种铅橡胶隔震机构，以减轻钢壳海上平台的地震引起的振动。在波斯湾的一个平台上，进行了数值研究，以证明该隔离机制的有效性。注意，桥面的振动加速度是影响管状接头人舒适度和疲劳寿命的重要因素。通过对钢橡胶隔振器的试验，研究了不同低温条件下的海上钢套平台的性能。在中，为了减少冰激振动加速度，避免了导管架平台的非结构破坏，开发了一种由圆锥、弹簧和阻尼器组成的隔离锥体机构，并将其安装在冰板和夹层平台之间。
实验和计算结果表明，所提出的阻尼隔振策略对于降低海上平台的振动是非常有效的。然而，由于阻尼隔离策略通常用于新建海上平台，维护和改造这些机制并不总是经济和方便的。
2.3动态振动吸收器
注意，使用阻尼耗散装置耗散振动能量通常需要设备的较大相对变形。然而，阻尼装置的相对变形量并不总是足够大，使减振效果不理想。在这种情况下，动态减振器是可行的选择。通过将振动能量传递给吸收器，实现了海上平台主导振动模式的能量耗散需求。基本的两种动力减振器是调谐质量阻尼器(TMDs)和调谐液体阻尼器(TLDs)。在过去的几十年里，TMD和TLD机制被广泛地应用于减轻海上平台的振动。
2.3.1 TMD机制
TMD装置由质量、弹簧和粘性阻尼机构组成。它通常安装在主振动结构中，以抑制结构的振动。由于具有显著的优势，如抑制振动的有效性和易于实现，TMD机制被广泛用于海上平台的抑制振动。在中，采用TMD来降低海上钢套平台受自激水动力作用的振动。在中，一种TMD装置安装在TLP船体的柱内，以减弱升沉运动的振幅。在中，研究了一种基于简化单自由度系统的海上平台的TMD、能量耗散和传输问题，并给出了该系统的优化TMD设计。在中，一个TMD安装在一个多腿铰接塔的桥板底部，以减少弯矩。实验研究了在渤海湾地区利用TMD装置缓解海上平台冰激振动的可行性。结果表明，优化调谐的TMD能较好地减弱海上平台的冰激振动。
请注意，单个TMD通常有效地衰减结构系统的单一振动模式。为了保证不止一个不同的振动模式受到影响，然后引入多个TMDs。在中，研究了多TMDs对海洋平台抑制波激振动的有效性。在随机波浪力下，多重TMDs也被用来减轻TLP的振动。分别研究了隆起和俯仰运动的振动幅度]和浪涌运动。研究表明，在减少海上平台振荡幅度方面，多个TMDs的表现优于单一TMD。
如上所述，TMD机制具有良好的控制效果。然而，这种方法通常会给海上平台增加额外的负荷。因此，将这些方案应用于深水平台和柔性平台并不总是可行的。为了克服TMDs的缺点，需要额外的质量作为阻尼器的质量体，提出了扩展TMD和多扩展TMD机制，以减少受地震和波浪载荷影响的近海平台的振动。
在中，分别应用TMD机制和摩擦阻尼器来减少海上平台的波激振动。结果表明，TMD和摩擦阻尼器在减轻海上平台疲劳损伤方面具有较强的效率。还发现，前者更依赖于平台的动态特性，后者对于固定的钢壳平台更为有效。在中，通过将TMD与摩擦阻尼器相结合，开发了一种混合阻尼系统来控制海上平台的波浪诱导和地震振动和疲劳损伤。在中，基于TMD机制的原理，设计并安装了一种防震装置，并将其安装在一个类似的导管架平台模型上，以控制垂直和水平振动。
2.3.2 TLD机制
由于减震效果好，制造成本低，安装和维护方便，液体的可用性，TLD装置被引入到海上平台的振动控制中。在这种控制机制中，液体，优选水，作为阻尼质量，在阻尼器内的液体运动导致反相的振荡和相应的阻尼效应，即。该系统通常利用水晃动力来减弱结构的振动。具体地说，这样的系统可以作为补充水源，用于建筑供水和灭火。
在海上平台的振动控制中使用的最早的TLD装置可以在中找到，其中一个储液罐放置在海上平台上，以减少风振。在中，一个液体存储容器安装在一个固定的海上平台的顶部，用作TLD设备来抑制地震引起的振动。在理论分析、规模模型试验和全尺度场试验的基础上，设计了TLD容器，以减少渤海生产夹层平台的冰激振动。JZ20-2 MUQ平台。在中，采用圆柱体TLD来减少受地震影响的导管架平台的振动。研究发现，液体的基本晃动频率与结构固有频率的比值是控制地震振动的关键因素。在中，利用空气弹簧和水柱，提出了调谐振荡器来抑制深水TLP的垂直运动。在TLP列外部安装的振子，由几个垂直沉箱组成，这些沉箱在海底打开，并在双腔室顶部关闭。理论和实验表明，振子可以得到大幅度的振动降低，而平台的质量不会增加。
通过采用水罐形状，可以很容易地改变TLDs的性质。例如，传统的TLD装置可以被扩展为一个调谐的液体柱阻尼器，它是一个u形管状装置，在两个液体柱之间的液体流动中消耗能量。调谐液柱阻尼器不需要机械部件。因此，很容易在不增加质量的情况下对阻尼器进行改造，并改变其固有频率和阻尼特性。这种机制在结构的振动控制中引起了广泛的关注。在中，通过分析和实验研究了与调谐液柱阻尼器相结合的张力腿型平台的主动控制。论证了该平台在振动振幅和谐振频率方面降低浪涌波动的有效性。
在中，一个圆形调谐液柱阻尼器安装在一个海上平台上，以减轻地面运动引起的结构振动。在中，通过将调整后的液柱阻尼器内的孔口更换为浸没在阻尼器水平柱内的钢球，提出了一种调谐液柱球阻尼器。这样的装置也用于减轻海上平台的波激振动。通过仿真结果表明，该球阻尼器的性能优于调谐液柱阻尼器。在中，用一个小的水平管替换一个孔口管，并将一个调谐的液柱阻尼器与TLP的浮力构件相结合，研制了一种水调谐液柱阻尼器系统。实验结果表明，该方法可以有效地降低TLP的波激振动和实测张力。此外，还可以确保TLP的结构安全，采用水调液柱阻尼机构。在中，介绍了一种由提出的调谐液柱-气阻尼器，用于在地震激励下控制海洋导管架平台的振动。若要提及一些，调优的液柱阻尼器只通过调整柱的长度来调整频率，而液柱振动吸收器则通过调整柱截面来调整频率。然而，柱状气体阻尼器在垂直柱、柱长和横截面上调节气体压力来调节频率。研究发现，柱状气体阻尼器可以显著降低振动振幅的均方根值。为了解决在中使用传统调谐液柱阻尼器来限制大水平长度的限制，提出了一种s型调谐液柱阻尼器来抑制深海浮动平台的水平运动和垂直平面旋转。
3半主动控制
注意半主动控制是可控阻尼在连续范围、快速响应和潜在低功率要求的特性。半主动控制结合了被动控制的可靠性和主动控制的几个优点，广泛应用于工程振动领域。具体来说，它需要更少的能量来获得更好的控制效果。由于高可靠性、固有稳定性、对温度的不敏感、小功率要求，磁流变阻尼器在海上平台的振动控制中具有相当大的吸引力。一般来说，MR阻尼器由一个液压缸组成，它包含悬浮于流体的微型颗粒。通过调整磁场强度，可以产生MR的阻尼特性。
在中，应用MR阻尼器抑制海上平台的波激振动。仿真结果表明，该阻尼器的半主动控制能有效地降低平台振动幅度的最大值和有效值。为了减弱海洋平台受水动力影响的波浪诱导振动，利用MR阻尼器进行半主动控制策略在实验和数值上都得到验证。在中，设计了一种模糊控制器，用于控制一个波浪力的海洋平台，并对半主动控制器的有效性进行了数值和实验研究。JZ20-2NW海上平台位于中国渤海湾，是第一个带有MR阻尼器的平台结构。利用主甲板加速和隔离层变形的信号，设计了一种卡尔曼滤波算法来估计平台的系统状态;然后，研究了海上平台的冰和地震引起的振动响应。采用结构加速度信号的线性二次高斯方法，通过阻尼器来减小钢夹层平台的振动。仿真结果表明，这种半主动控制策略可以在任意波激励下衰减海洋平台的振动。通过结合前馈神经网络和模糊控制方法,提出了一种神经模糊控制器来控制波浪诱导振动的海上平台配备一个阻尼先生,一个神经网络用于近似非线性动态系统,并采用模糊逻辑控制器来确定MR阻尼器的控制力。证明了一种智能半主动控制器比线性二次高斯最优控制器更有效。在中，设计了四种MR阻尼器和6个摩擦摆隔离器在一个地下室甲板的连接处，以控制一个导管架的地震振动。
4主动控制
在实际应用中，被动控制装置通常表现出其局限性，如老化、耐久性、
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