海洋平台结构振动控制研究综述

肖宇维 孙树民

摘要：海洋平台结构的振动将会影响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、生存性以及可操作性，给海上油气顺利开采带来一系列的威胁。本文主要对海洋平台结构振动控制的研究和应用现状做了简要的介绍，并重点介绍了被动控制、主动控制以及半主动控制技术。最后提出了海洋平台结构振动控制存在的一些问题。

关键词：海洋平台结构；振动控制；智能控制

Review on the Study of Structure Vibration Control for Offshore Platforms

XIAO Yuwei, SUN Shumin

( South China University of Technology, Guangzhou 510640 )

Abstract: The vibration of offshore platforms will harm staffs physical and mental health, cause fatigue and destruction of the structure, reduce practicality, survivability and maneuverability of offshore platforms and bring a series of threat to oil mining. This paper mainly introduces the study and application status of structure vibration control of offshore platforms and focuses on the passive control, active control and semi-active control technology. Finally some problems on structure vibration control offshore platforms are puts forward.

Key words: Structure of offshore platform;Control of vibration;Intelligent control

1 引言

由于全球能源危机出现以及陆地油气资源的日益枯竭，人们逐渐将注意力集中到海洋上。众所周知，深海石油、天然气资源十分丰富，开发前景广阔，随着社会经济与科技的快速发展，世界各国都把目光投向了广阔的海洋，并且建造了大量的海洋平台，用于海洋油气资源的开发利用。

海洋平台是海上油气资源开发的基地，结构复杂，体积庞大，造价昂贵，位于无遮蔽的海域，需要经受住暴风、巨浪、地震、坚冰等恶劣海洋环境条件的考验。在环境载荷的作用下，海洋平台一般表现为以下的特征[1]：（1）固有频率低，且低频模态密集；（2）本质上的参数分布系统，具有强耦合和非线性；（3）结构复杂，参数易变，自身结构以及所受外荷载具有不确定性。平台结构受到较大外部激励，可能会产生过大的振动响应，影响人员安全，降低平台使用性能，甚至导致结构疲劳破坏。因此，利用合适的减振方法，对海洋平台进行振动控制，受到了越来越多的关注。由于海洋平台结构响应的特殊性，对海洋平台进行振动控制也相应具有一定的特殊性。

2结构振动控制的发展状况

结构振动控制就是对结构在外部激励下的动力反应和动力不稳定性加以抑制，使其能够在规定的范围内工作，满足其正常使用的要求。结构振动控制从提出到现在，已经成为结构工程领域一个十分活跃的课题。结构振动控制在建筑工程，桥梁工程，机械工程，航空工程领域已经得到了广泛的研究与应用，但是在海洋工程领域还处于起步阶段，有许多振动控制问题亟待解决，这也是以后研究的一个重要方面。

按照所需外部能源的大小，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四种[2]。

2.1被动控制

被动控制无需外加能源，其控制力是控制装置随结构一起振动变形时因装置本身的运动而被动产生的，依靠结构元件之间，结构与辅助系统、子系统之间的相互作用消耗振动能量，从而达到减振目的。被动控制构造简单，造价低廉，易于维护并且无需外部能源输入等优点而受到了广泛的研究与应用，其技术已非常成熟。被动控制主要分为基础隔振、耗能减振、吸能减振，被动控制装置主要有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、粘弹性耗能器、摩擦阻尼器等。

被动控制装置的控制效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动态特性，一般只对某种特定范围内的振动特征具有较好的振动控制效果，缺乏调节跟踪能力。

2.2主动控制

结构主动控制需要实时测量结构反应或环境干扰，采用现代控制理论的主动控制算法在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力。在结构反应观测基础上实现的主动控制称为反馈控制，而在结构环境干扰观测基础上实现的主动控制称为前馈控制。主动控制作动器通常采用液压伺服系统或电机伺服系统，一般需要很大的能量驱动。

主动控制的研究主要分为主动控制算法和主动控制装置两部分。主动控制算法主要包括极点配置法、线性二次型LQR经典最优控制、线性二次型Gauss(LQG)最优控制、模态控制、滑移模态控制、H₂和H 控制算法等。在海洋平台的振动控制中，主要采用理论分析、数值模拟以及模型实验进行研究。

主动控制装置主要有主动质量阻尼器(AMD)、混合质量阻尼器(HMD)等。

2.3半主动控制

半主动控制是主动控制中的一类，但它所需的外部能量比主动控制成数量级的减少。基本上半主动控制装置不会增加结构(包括结构和控制元件)的机械能，因此保证结构的界限输入及输出。相比主动控制，半主动控制更容易实施，控制效果良好，最主要的是所需外部能量少，经济性好。目前典型的半主动控制装置有主动变刚度系统(AVS)、主动变阻尼系统(AVD)、磁流变/电流变液体阻尼器等。

2.4混合控制

混合控制是同时在受控结构上使用被动控制系统和主动控制系统，使其协调工作的结构控制方法。这种控制方法结合了被动控制和主动控制各自的优点，在介绍外部能量输入的同时，保证了控制效果。

3海洋平台结构振动控制研究状况

海洋平台安置于无遮蔽的海洋环境里，长期遭受风、波浪、水流等的影响，在恶劣条件下，还会遭到地震以及坚冰的作用，这些外部荷载引起了海洋平台的振动，对人员身体健康，平台正常作业以及平台的结构安全等都产生了一定的影响，因此引起了国内外学者广泛的研究。海洋平台振动控制涉及学科丰富，学科交叉性强，只有多方面的突破，才能带动整个研究方向的快速发展，因此，目前大部分相关研究主要以理论和数值模拟为主，但也不乏模型试验研究等。目前对海洋平台结构振动控制的研究，主要采用传统方法、被动控制、主动控制、半主动控制等。

3.1海洋平台结构被动控制

海洋平台被动控制一般采用粘弹性耗能器、调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、垂荡阻尼板等。

3.1.1粘弹性耗能器

粘弹性耗能器具有构造简单、性能优良、造价低廉和耐久性好等优点。所谓粘弹性是指同时具有弹性和粘性两种不同机理的形变，综合体现弹性固体和粘性流体两者的特性。

欧进萍等[3]根据JZ20-2MUQ平台结构的冰振反应特点和平台结构尺寸，分析不同海冰设计条件、不同标高和方向的挤压与弯曲破坏冰力作用下，粘弹性耗能器对平台振动控制的效果，并研究了粘弹性耗能器不同设置方式对平台动力特性的影响。结果表明, 设置组合跨粘弹性耗能斜撑的JZ20- 2MUQ 平台结构可以达到如下的冰振控制效果: 挤压冰力作用下, 平台结构的位移（导管架端帽）和加速度（甲板顶层）最大可以减少53% , 弯曲冰力作用下, 平台结构的位移最大可以减少40%, 加速度最大减振效果为34%；为了充分发挥阻尼器的耗能减震作用，欧进萍[4]等提出了在平台结构导管架端帽和甲板之间设置柔性阻尼层的新型阻尼隔振方案。针对渤海JZ20- 2MUQ平台结构，建立了海洋平台结构阻尼隔振体系简化计算模型，研究了隔振层参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整体和隔振层层间相对位移的控制效果，并进行了多冰况和地震工况的数值模拟，结果表明，阻尼隔振方案是导管架式海洋平台结构的一种有效减振措施。

3.1.2调谐质量阻尼器(TMD)

TMD实际上是一个附加在主结构上的由质量块、弹簧和阻尼器组成的二阶质量阻尼体系，可与主结构发生相对运动，利用共振原理，对主体结构某些振型（通常是第一振型）的动力响应加以控制。通过调节TMD系统与主结构的质量比、频率比以及TMD系统阻尼比等参数，对主结构振动控制进行优化，从而吸收更多能量，阻尼的作用增大了振动控制的频宽，从而可抑制主结构更宽频带的振动。

Jiang Y[5]等对使用TMD控制平台的扭转响应进行了研究；孙树民[6][7]分别对独桩平台波浪响应和地震响应的TMD控制进行了研究，分析中考虑了流体-桩-土相互作用的影响。通过算例，发现TMD的频率比和阻尼比对控制效果有影响。当频率比在1左右时，TMD的控制效果最好；而阻尼比对TMD的控制效果影响不是很明显，因此，阻尼比取值不需太大。对于地震分析，考虑桩-土的作用后，TMD的控制效果比不考虑桩-土的耦合作用时有所下降，但仍然具有明显的减振效果；嵇春燕[8]为了研究TMD是否会对结构高阶模态造成不利影响以及影响程度，采用模态分析法对海洋平台-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，并以一海洋平台为例，讨论了针对结构某一模态进行设计时对各阶模态响应的减振效果。算例计算表明，TMD对设计的模态有较好的减振效果，但对其他模态响应的减振效果较差，甚至产生不利影响；陆建辉等[9]研究了随机波浪荷载作用下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，使得平台位移响应标准偏差比无控下降12.4%，并得出TMD刚度失调比阻尼失调要敏感；赵东、马汝建等[10]研究了扩展调谐质量阻尼器（ETMD)减振系统（TMD系统的延伸）对海洋平台的减振控制，分析表明，当ETMD与剩余平台质量比和频率比在一定范围内时，具有良好的控制效果。

3.1.3调谐液体阻尼器(TLD)

TLD与TMD类似，也是通过附加子系统（水箱）来进行振动控制的。

J.Kim Vandiver[11]早在80年代就对安装有TLD的海洋平台振动特性及其减振效果进行了研究，通过选取合适的水箱参数可以有效控制平台响应；李华军等[12]研究了波激励作用下的矩形TLD 的动力性质，采用了描述TLD 中流体的非线性性质的数学模型, 并对TLD 与结构的耦合模型进行了研究，在此基础上，对TLD控制海洋平台冰激振动进行了试验研究，并分别分析了圆形与矩形TLD的几何参数和水深对控制效果的影响；Lee SC等[13]研究了利用流体的晃荡来吸收能量以控制平台的波激响应问题, 减振器的圆桶半径、流体高度、质量、频率和阻尼是影响减振效果的参数；王翎羽、金明等[14]针对JZ20- 2MUQ 平台利用TLD控制冰激振动，进行了试验和理论研究。

3.1.4垂荡阻尼板

上述几种被动式控制装置，理论和试验研究主要集中在导管架海洋平台等固定平台上，对于移动式海洋平台，如半潜式平台，Spar平台，一般采用垂荡阻尼板对平台结构进行垂向振动控制。垂荡阻尼板是伴随Spar平台的开发设计而出现的，它通过增加平台的运动附加质量，增大垂荡周期，减小垂向振动。垂荡阻尼板和Spar平台同轴水平设置，通常采用矩形板，也有圆形，但是实际应用中不多，垂荡板的数量、间距、板厚、骨材尺寸、板的尺度及开口大小对性能有很大的影响[15]。

Thiagarajan和Troesch[16]测量了底部带圆盘的直立圆柱的垂荡阻尼，结果表明，圆板的存在使圆柱所受的形状阻力增加了两倍；Prislin等[17]对单个正方形板在静水中做垂向自由衰减试验；Molin[18]基于势流理论，研究了在垂直于其平面振荡的流体中，一系列带孔圆板的水动力性能；Tao等[19]采用模型试验的方法，研究了实心板与带孔板的水动力性能，通过测量水动力系数，检验了圆板空隙度对阻尼和附加质量系数的影响；季亨腾，黄国梁等[20]为了研究垂荡板的水动力，进行了三角形垂荡板在单板和双板两钟情形下的强迫振荡试验，通过理论计算分析，得出了理想的板间距；沈文君等[21]研究了深海桁架式Spar平台垂荡板的水动力性能，分别考虑不同振幅和板间距对水动力的影响，其次对不同板厚进行了计算分析，结果表明，在一定的幅值范围内，附加质量系数随运动幅值的增大而增大，阻尼力系数随运动幅值增大而减小，附加质量系数和阻尼力系数随板间距增大而增大；欧进萍，刘鲲，朱航[22]以南海某半潜式平台为例，根据TMD的原理，设计了一种活动式垂荡板，用来减小平台的垂荡响应。通过计算不同海况下的垂荡响应，并与传统半潜式平台和装有固定式垂荡板的半潜式平台的垂荡响应进行比较，表明其具有更好的控制效果。

3.2海洋平台结构主动控制

振动主动控制又称为有源控制，是主动控制技术在振动领域中的应用。常见的主动控制装置有主动质量阻尼器（AMD）、混合质量阻尼器（HMD），它们都是由TMD发展而来的。

AMD系统由质量块和主动控制作动器组成，可以没有弹簧和阻尼器。AMD系统由外部能源驱动其惯性质量运动，将结构的振动能量转变为AMD惯性质量的动能和阻尼元件的耗散能，同时AMD系统通过其在结构上的支承提供减小结构振动的控制力。

Vincenzo[23]在平台结构中通过设置主动质量阻尼器（AMD)系统以减轻漩涡引起的振动；Ahmad SK, Ahmad S[24]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；Suhardjo J[25]等利用 控制算法对AMD主动控制装置在导管架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，结果表明主动控制的效果优于被动控制。

李华军等[26]采用H2控制算法研究了海洋平台冰激振动的AMD主动控制问题；张春蔚、欧进萍等[27]研究海洋平台冰激振动和地震反应的AMD主动控制问题，结合JZ20-2MUQ平台进行了AMD控制系统的参数优化分析，并就相应最优参数对AMD控制平台冰激振动和地震反应的几种代表性工况进行了时程分析，结果表明，AMD控制系统的质量比、频率比和阻尼比等参数对平台结构振动控制效果有不同程度的影响，增大质量比可以在一定程度上提高控制效果，而频率和阻尼参数的变化对AMD的控制效果影响不大；在此基础上。欧进萍等人[28]进行了JZ20-2MUQ海洋平台结构模型振动的AMD主动控制振动台试验研究,证实了AMD控制系统对海洋平台结构良好的振动控制效果,为新建和现役平台结构的AMD振动控制应用奠定了基础。

3.3海洋平台结构半主动控制

结构半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，只是施加控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽可能实现主动最优控制力。由于半主动控制系统力求尽可能实现主动最优控制力，因此，主动控制算法是结构半主动控制的基础。又因为半主动控制系统可以实现的控制力的方向和形式有限制，因而需要建立反应半主动控制力特点的控制算法来驱动半主动控制装置以便尽可能实现最优控制力。常见的半主动控制装置有：主动变刚度系统（AVS）、主动变阻尼系统（AVD)和磁流变液阻尼器（MRFD）。

3.3.1 主动变刚度系统(AVS)

结构主动变刚度控制是通过变刚度控制装置主动地改变受控结构的附加刚度，使结构控制系统没有固定的自振频率，避免结构发生共振，从而减小结构反应。

中国海洋大学的李宇生[29]提出了一种新的变刚度半主动控制方法并设计了一种新型变刚度调谐质量阻尼器，先以随机波面特征信息为输入值，优化控制器各参数，研究此控制装置对平台在随机波浪荷载下的振动控制效果。计算表明，此装置对甲板加速度响应的控制效果最高可达29%，平均值也在21%以上，甲板的位移响应也能得到一定的抑制，此装置对由随机波浪荷载引起的平台振动具有一定的控制效果。此外，刘玲[30]以一实际平台为研究对象，设计一种新型变刚度调谐质量阻尼器（VSTMD），根据平台实际情况设计装置参数，并通过多种软件分析该控制器的控制效果。结果表明，此装置对平台振动控制具有良好的控制效果，平台甲板位移响应均方根差下降了23.02%，加速度响应均方根差下降了26.51%。

3.3.2磁流变液阻尼器(MRFD)

磁流变液(MR)是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，其在强磁场作用下可以在毫秒内由流动性能良好的牛顿液体变为具有一定剪切屈服强度的宾汉姆体,并且这种变化连续、可逆、易于控制。利用磁流变技术制作的半主动阻尼器是目前发展前景最为看好的一种新型的阻尼减振装置。

孙树民[31]提出了MR阻尼器对隔振独桩平台地震反应的半主动控制，结果表明MR阻尼器可以有效地控制隔震独桩平台在地震作用下的位移反应；嵇春燕等[32]采用数值分析和模型实验的方法，以MR阻尼器为控制装置设计半主动控制系统，进行多工况减振效果分析；此外，管有海，黄维平[33]也对MR阻尼器应用于海洋平台的减振进行了研究；刘山、欧进萍等[34]针对渤海受严重冰激振动的JZ20-2MUQ平台进行了隔振研究，提出了在海洋平台结构导管架端帽和甲板之间设置柔性阻尼的新型阻尼隔振方案，并建立了海洋平台结构阻尼隔振体系简化计算模型，研究隔振层参数与结构阻尼比的关系以及他们对结构整体和隔震层层间位移的控制效果；在此基础上，欧进萍，张纪刚等[35][36]提出磁流变智能隔振系统，同时利用橡胶支座和MR阻尼器对海洋平台进行减振分析，通过数值分析和模型试验进行了多工况分析研究和对比。

4结论与展望：

目前，海洋平台结构振动控制还处于理论与实验研究阶段，将其应用在实际工程中还需要解决如下一些问题：

1）采用智能控制算法等更加先进的控制算法，缓解时滞问题，提高平台控制性能以及稳定性；

2）开发和应用操作更简便、可靠、耗能少的控制装置（作动器、传感器等），并优化配置数量和位置；

3）综合考虑流体-土-桩的耦合作用，使结构控制更接近于实际，提高控制效果。

海洋平台结构振动控制是一个具有应用前景的新兴研究领域，学科交叉性强，涉及面广，需要具备多方面的专业知识。智能控式，包括神经网络控制、模糊控制等，是海洋平台振动控制的发展方向，亟待更多的理论与试验研究和具体工程应用。

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