肖宇維 孫樹民

摘要：海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動將會影響工作人員的身心健康，導致結(jié)構(gòu)疲勞和破壞，降低平臺的實用性、生存性以及可操作性，給海上油氣順利開采帶來一系列的威脅。本文主要對海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制的研究和應用現(xiàn)狀做了簡要的介紹，并重點介紹了被動控制、主動控制以及半主動控制技術(shù)。最后提出了海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：海洋平臺結(jié)構(gòu)；振動控制；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

由于全球能源危機出現(xiàn)以及陸地油氣資源的日益枯竭，人們逐漸將注意力集中到海洋上。眾所周知，深海石油、天然氣資源十分豐富，開發(fā)前景廣闊，隨著社會經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，世界各國都把目光投向了廣闊的海洋，并且建造了大量的海洋平臺，用于海洋油氣資源的開發(fā)利用。

海洋平臺是海上油氣資源開發(fā)的基地，結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，造價昂貴，位于無遮蔽的海域，需要經(jīng)受住暴風、巨浪、地震、堅冰等惡劣海洋環(huán)境條件的考驗。在環(huán)境載荷的作用下，海洋平臺一般表現(xiàn)為以下的特征[1]：（1）固有頻率低，且低頻模態(tài)密集；（2）本質(zhì)上的參數(shù)分布系統(tǒng)，具有強耦合和非線性；（3）結(jié)構(gòu)復雜，參數(shù)易變，自身結(jié)構(gòu)以及所受外荷載具有不確定性。平臺結(jié)構(gòu)受到較大外部激勵，可能會產(chǎn)生過大的振動響應，影響人員安全，降低平臺使用性能，甚至導致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。因此，利用合適的減振方法，對海洋平臺進行振動控制，受到了越來越多的關(guān)注。由于海洋平臺結(jié)構(gòu)響應的特殊性，對海洋平臺進行振動控制也相應具有一定的特殊性。

2結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展狀況

結(jié)構(gòu)振動控制就是對結(jié)構(gòu)在外部激勵下的動力反應和動力不穩(wěn)定性加以抑制，使其能夠在規(guī)定的范圍內(nèi)工作，滿足其正常使用的要求。結(jié)構(gòu)振動控制從提出到現(xiàn)在，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域一個十分活躍的課題。結(jié)構(gòu)振動控制在建筑工程，橋梁工程，機械工程，航空工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究與應用，但是在海洋工程領(lǐng)域還處于起步階段，有許多振動控制問題亟待解決，這也是以后研究的一個重要方面。

按照所需外部能源的大小，結(jié)構(gòu)振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制四種[2]。

2.1被動控制

被動控制無需外加能源，其控制力是控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動變形時因裝置本身的運動而被動產(chǎn)生的，依靠結(jié)構(gòu)元件之間，結(jié)構(gòu)與輔助系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的相互作用消耗振動能量，從而達到減振目的。被動控制構(gòu)造簡單，造價低廉，易于維護并且無需外部能源輸入等優(yōu)點而受到了廣泛的研究與應用，其技術(shù)已非常成熟。被動控制主要分為基礎(chǔ)隔振、耗能減振、吸能減振，被動控制裝置主要有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、粘彈性耗能器、摩擦阻尼器等。

被動控制裝置的控制效果明顯依賴于輸入激勵的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，一般只對某種特定范圍內(nèi)的振動特征具有較好的振動控制效果，缺乏調(diào)節(jié)跟蹤能力。

2.2主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制需要實時測量結(jié)構(gòu)反應或環(huán)境干擾，采用現(xiàn)代控制理論的主動控制算法在精確的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上運算和決策最優(yōu)控制力，最后作動器在很大的外部能量輸入下實現(xiàn)最優(yōu)控制力。在結(jié)構(gòu)反應觀測基礎(chǔ)上實現(xiàn)的主動控制稱為反饋控制，而在結(jié)構(gòu)環(huán)境干擾觀測基礎(chǔ)上實現(xiàn)的主動控制稱為前饋控制。主動控制作動器通常采用液壓伺服系統(tǒng)或電機伺服系統(tǒng)，一般需要很大的能量驅(qū)動。

主動控制的研究主要分為主動控制算法和主動控制裝置兩部分。主動控制算法主要包括極點配置法、線性二次型LQR經(jīng)典最優(yōu)控制、線性二次型Gauss(LQG)最優(yōu)控制、模態(tài)控制、滑移模態(tài)控制、H₂和H 控制算法等。在海洋平臺的振動控制中，主要采用理論分析、數(shù)值模擬以及模型實驗進行研究。

主動控制裝置主要有主動質(zhì)量阻尼器(AMD)、混合質(zhì)量阻尼器(HMD)等。

2.3半主動控制

半主動控制是主動控制中的一類，但它所需的外部能量比主動控制成數(shù)量級的減少。基本上半主動控制裝置不會增加結(jié)構(gòu)(包括結(jié)構(gòu)和控制元件)的機械能，因此保證結(jié)構(gòu)的界限輸入及輸出。相比主動控制，半主動控制更容易實施，控制效果良好，最主要的是所需外部能量少，經(jīng)濟性好。目前典型的半主動控制裝置有主動變剛度系統(tǒng)(AVS)、主動變阻尼系統(tǒng)(AVD)、磁流變/電流變液體阻尼器等。

2.4混合控制

混合控制是同時在受控結(jié)構(gòu)上使用被動控制系統(tǒng)和主動控制系統(tǒng)，使其協(xié)調(diào)工作的結(jié)構(gòu)控制方法。這種控制方法結(jié)合了被動控制和主動控制各自的優(yōu)點，在介紹外部能量輸入的同時，保證了控制效果。

3海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制研究狀況

海洋平臺安置于無遮蔽的海洋環(huán)境里，長期遭受風、波浪、水流等的影響，在惡劣條件下，還會遭到地震以及堅冰的作用，這些外部荷載引起了海洋平臺的振動，對人員身體健康，平臺正常作業(yè)以及平臺的結(jié)構(gòu)安全等都產(chǎn)生了一定的影響，因此引起了國內(nèi)外學者廣泛的研究。海洋平臺振動控制涉及學科豐富，學科交叉性強，只有多方面的突破，才能帶動整個研究方向的快速發(fā)展，因此，目前大部分相關(guān)研究主要以理論和數(shù)值模擬為主，但也不乏模型試驗研究等。目前對海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制的研究，主要采用傳統(tǒng)方法、被動控制、主動控制、半主動控制等。

3.1海洋平臺結(jié)構(gòu)被動控制

海洋平臺被動控制一般采用粘彈性耗能器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、垂蕩阻尼板等。

3.1.1粘彈性耗能器

粘彈性耗能器具有構(gòu)造簡單、性能優(yōu)良、造價低廉和耐久性好等優(yōu)點。所謂粘彈性是指同時具有彈性和粘性兩種不同機理的形變，綜合體現(xiàn)彈性固體和粘性流體兩者的特性。

歐進萍等[3]根據(jù)JZ20-2MUQ平臺結(jié)構(gòu)的冰振反應特點和平臺結(jié)構(gòu)尺寸，分析不同海冰設(shè)計條件、不同標高和方向的擠壓與彎曲破壞冰力作用下，粘彈性耗能器對平臺振動控制的效果，并研究了粘彈性耗能器不同設(shè)置方式對平臺動力特性的影響。結(jié)果表明, 設(shè)置組合跨粘彈性耗能斜撐的JZ20- 2MUQ 平臺結(jié)構(gòu)可以達到如下的冰振控制效果: 擠壓冰力作用下, 平臺結(jié)構(gòu)的位移（導管架端帽）和加速度（甲板頂層）最大可以減少53% , 彎曲冰力作用下, 平臺結(jié)構(gòu)的位移最大可以減少40%, 加速度最大減振效果為34%；為了充分發(fā)揮阻尼器的耗能減震作用，歐進萍[4]等提出了在平臺結(jié)構(gòu)導管架端帽和甲板之間設(shè)置柔性阻尼層的新型阻尼隔振方案。針對渤海JZ20- 2MUQ平臺結(jié)構(gòu)，建立了海洋平臺結(jié)構(gòu)阻尼隔振體系簡化計算模型，研究了隔振層參數(shù)與結(jié)構(gòu)阻尼比的關(guān)系以及它們對結(jié)構(gòu)整體和隔振層層間相對位移的控制效果，并進行了多冰況和地震工況的數(shù)值模擬，結(jié)果表明，阻尼隔振方案是導管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)的一種有效減振措施。

3.1.2調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)

TMD實際上是一個附加在主結(jié)構(gòu)上的由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成的二階質(zhì)量阻尼體系，可與主結(jié)構(gòu)發(fā)生相對運動，利用共振原理，對主體結(jié)構(gòu)某些振型（通常是第一振型）的動力響應加以控制。通過調(diào)節(jié)TMD系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比以及TMD系統(tǒng)阻尼比等參數(shù)，對主結(jié)構(gòu)振動控制進行優(yōu)化，從而吸收更多能量，阻尼的作用增大了振動控制的頻寬，從而可抑制主結(jié)構(gòu)更寬頻帶的振動。

Jiang Y[5]等對使用TMD控制平臺的扭轉(zhuǎn)響應進行了研究；孫樹民[6][7]分別對獨樁平臺波浪響應和地震響應的TMD控制進行了研究，分析中考慮了流體-樁-土相互作用的影響。通過算例，發(fā)現(xiàn)TMD的頻率比和阻尼比對控制效果有影響。當頻率比在1左右時，TMD的控制效果最好；而阻尼比對TMD的控制效果影響不是很明顯，因此，阻尼比取值不需太大。對于地震分析，考慮樁-土的作用后，TMD的控制效果比不考慮樁-土的耦合作用時有所下降，但仍然具有明顯的減振效果；嵇春燕[8]為了研究TMD是否會對結(jié)構(gòu)高階模態(tài)造成不利影響以及影響程度，采用模態(tài)分析法對海洋平臺-TMD系統(tǒng)進行模態(tài)分解，推導出系統(tǒng)各階模態(tài)的狀態(tài)空間方程，并以一海洋平臺為例，討論了針對結(jié)構(gòu)某一模態(tài)進行設(shè)計時對各階模態(tài)響應的減振效果。算例計算表明，TMD對設(shè)計的模態(tài)有較好的減振效果，但對其他模態(tài)響應的減振效果較差，甚至產(chǎn)生不利影響；陸建輝等[9]研究了隨機波浪荷載作用下TMD對樁基鋼結(jié)構(gòu)海洋平臺的減振效果，采用譜分析法對TMD參數(shù)進行優(yōu)化，使得平臺位移響應標準偏差比無控下降12.4%，并得出TMD剛度失調(diào)比阻尼失調(diào)要敏感；趙東、馬汝建等[10]研究了擴展調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ETMD)減振系統(tǒng)（TMD系統(tǒng)的延伸）對海洋平臺的減振控制，分析表明，當ETMD與剩余平臺質(zhì)量比和頻率比在一定范圍內(nèi)時，具有良好的控制效果。

3.1.3調(diào)諧液體阻尼器(TLD)

TLD與TMD類似，也是通過附加子系統(tǒng)（水箱）來進行振動控制的。

J.Kim Vandiver[11]早在80年代就對安裝有TLD的海洋平臺振動特性及其減振效果進行了研究，通過選取合適的水箱參數(shù)可以有效控制平臺響應；李華軍等[12]研究了波激勵作用下的矩形TLD 的動力性質(zhì)，采用了描述TLD 中流體的非線性性質(zhì)的數(shù)學模型, 并對TLD 與結(jié)構(gòu)的耦合模型進行了研究，在此基礎(chǔ)上，對TLD控制海洋平臺冰激振動進行了試驗研究，并分別分析了圓形與矩形TLD的幾何參數(shù)和水深對控制效果的影響；Lee SC等[13]研究了利用流體的晃蕩來吸收能量以控制平臺的波激響應問題, 減振器的圓桶半徑、流體高度、質(zhì)量、頻率和阻尼是影響減振效果的參數(shù)；王翎羽、金明等[14]針對JZ20- 2MUQ 平臺利用TLD控制冰激振動，進行了試驗和理論研究。

3.1.4垂蕩阻尼板

上述幾種被動式控制裝置，理論和試驗研究主要集中在導管架海洋平臺等固定平臺上，對于移動式海洋平臺，如半潛式平臺，Spar平臺，一般采用垂蕩阻尼板對平臺結(jié)構(gòu)進行垂向振動控制。垂蕩阻尼板是伴隨Spar平臺的開發(fā)設(shè)計而出現(xiàn)的，它通過增加平臺的運動附加質(zhì)量，增大垂蕩周期，減小垂向振動。垂蕩阻尼板和Spar平臺同軸水平設(shè)置，通常采用矩形板，也有圓形，但是實際應用中不多，垂蕩板的數(shù)量、間距、板厚、骨材尺寸、板的尺度及開口大小對性能有很大的影響[15]。

Thiagarajan和Troesch[16]測量了底部帶圓盤的直立圓柱的垂蕩阻尼，結(jié)果表明，圓板的存在使圓柱所受的形狀阻力增加了兩倍；Prislin等[17]對單個正方形板在靜水中做垂向自由衰減試驗；Molin[18]基于勢流理論，研究了在垂直于其平面振蕩的流體中，一系列帶孔圓板的水動力性能；Tao等[19]采用模型試驗的方法，研究了實心板與帶孔板的水動力性能，通過測量水動力系數(shù)，檢驗了圓板空隙度對阻尼和附加質(zhì)量系數(shù)的影響；季亨騰，黃國梁等[20]為了研究垂蕩板的水動力，進行了三角形垂蕩板在單板和雙板兩鐘情形下的強迫振蕩試驗，通過理論計算分析，得出了理想的板間距；沈文君等[21]研究了深海桁架式Spar平臺垂蕩板的水動力性能，分別考慮不同振幅和板間距對水動力的影響，其次對不同板厚進行了計算分析，結(jié)果表明，在一定的幅值范圍內(nèi)，附加質(zhì)量系數(shù)隨運動幅值的增大而增大，阻尼力系數(shù)隨運動幅值增大而減小，附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼力系數(shù)隨板間距增大而增大；歐進萍，劉鯤，朱航[22]以南海某半潛式平臺為例，根據(jù)TMD的原理，設(shè)計了一種活動式垂蕩板，用來減小平臺的垂蕩響應。通過計算不同海況下的垂蕩響應，并與傳統(tǒng)半潛式平臺和裝有固定式垂蕩板的半潛式平臺的垂蕩響應進行比較，表明其具有更好的控制效果。

3.2海洋平臺結(jié)構(gòu)主動控制

振動主動控制又稱為有源控制，是主動控制技術(shù)在振動領(lǐng)域中的應用。常見的主動控制裝置有主動質(zhì)量阻尼器（AMD）、混合質(zhì)量阻尼器（HMD），它們都是由TMD發(fā)展而來的。

AMD系統(tǒng)由質(zhì)量塊和主動控制作動器組成，可以沒有彈簧和阻尼器。AMD系統(tǒng)由外部能源驅(qū)動其慣性質(zhì)量運動，將結(jié)構(gòu)的振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)锳MD慣性質(zhì)量的動能和阻尼元件的耗散能，同時AMD系統(tǒng)通過其在結(jié)構(gòu)上的支承提供減小結(jié)構(gòu)振動的控制力。

Vincenzo[23]在平臺結(jié)構(gòu)中通過設(shè)置主動質(zhì)量阻尼器（AMD)系統(tǒng)以減輕漩渦引起的振動；Ahmad SK, Ahmad S[24]采用傳統(tǒng)的最優(yōu)控制算法對平臺進行了最優(yōu)主動控制研究；Suhardjo J[25]等利用 控制算法對AMD主動控制裝置在導管架海洋平臺的振動控制進行了研究，并且對TMD被動控制和AMD、ATMD主動控制的控制效果進行了比較，結(jié)果表明主動控制的效果優(yōu)于被動控制。

李華軍等[26]采用H2控制算法研究了海洋平臺冰激振動的AMD主動控制問題；張春蔚、歐進萍等[27]研究海洋平臺冰激振動和地震反應的AMD主動控制問題，結(jié)合JZ20-2MUQ平臺進行了AMD控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化分析，并就相應最優(yōu)參數(shù)對AMD控制平臺冰激振動和地震反應的幾種代表性工況進行了時程分析，結(jié)果表明，AMD控制系統(tǒng)的質(zhì)量比、頻率比和阻尼比等參數(shù)對平臺結(jié)構(gòu)振動控制效果有不同程度的影響，增大質(zhì)量比可以在一定程度上提高控制效果，而頻率和阻尼參數(shù)的變化對AMD的控制效果影響不大；在此基礎(chǔ)上。歐進萍等人[28]進行了JZ20-2MUQ海洋平臺結(jié)構(gòu)模型振動的AMD主動控制振動臺試驗研究,證實了AMD控制系統(tǒng)對海洋平臺結(jié)構(gòu)良好的振動控制效果,為新建和現(xiàn)役平臺結(jié)構(gòu)的AMD振動控制應用奠定了基礎(chǔ)。

3.3海洋平臺結(jié)構(gòu)半主動控制

結(jié)構(gòu)半主動控制的原理與結(jié)構(gòu)主動控制的基本相同，只是施加控制力的作動器需要少量的能量調(diào)節(jié)以便使其主動地甚至可以說是巧妙地利用結(jié)構(gòu)振動的往復相對變形或相對速度，盡可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。由于半主動控制系統(tǒng)力求盡可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力，因此，主動控制算法是結(jié)構(gòu)半主動控制的基礎(chǔ)。又因為半主動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的控制力的方向和形式有限制，因而需要建立反應半主動控制力特點的控制算法來驅(qū)動半主動控制裝置以便盡可能實現(xiàn)最優(yōu)控制力。常見的半主動控制裝置有：主動變剛度系統(tǒng)（AVS）、主動變阻尼系統(tǒng)（AVD)和磁流變液阻尼器（MRFD）。

3.3.1 主動變剛度系統(tǒng)(AVS)

結(jié)構(gòu)主動變剛度控制是通過變剛度控制裝置主動地改變受控結(jié)構(gòu)的附加剛度，使結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)沒有固定的自振頻率，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，從而減小結(jié)構(gòu)反應。

中國海洋大學的李宇生[29]提出了一種新的變剛度半主動控制方法并設(shè)計了一種新型變剛度調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，先以隨機波面特征信息為輸入值，優(yōu)化控制器各參數(shù)，研究此控制裝置對平臺在隨機波浪荷載下的振動控制效果。計算表明，此裝置對甲板加速度響應的控制效果最高可達29%，平均值也在21%以上，甲板的位移響應也能得到一定的抑制，此裝置對由隨機波浪荷載引起的平臺振動具有一定的控制效果。此外，劉玲[30]以一實際平臺為研究對象，設(shè)計一種新型變剛度調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（VSTMD），根據(jù)平臺實際情況設(shè)計裝置參數(shù)，并通過多種軟件分析該控制器的控制效果。結(jié)果表明，此裝置對平臺振動控制具有良好的控制效果，平臺甲板位移響應均方根差下降了23.02%，加速度響應均方根差下降了26.51%。

3.3.2磁流變液阻尼器(MRFD)

磁流變液(MR)是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體，其在強磁場作用下可以在毫秒內(nèi)由流動性能良好的牛頓液體變?yōu)榫哂幸欢羟星姸鹊馁e漢姆體,并且這種變化連續(xù)、可逆、易于控制。利用磁流變技術(shù)制作的半主動阻尼器是目前發(fā)展前景最為看好的一種新型的阻尼減振裝置。

孫樹民[31]提出了MR阻尼器對隔振獨樁平臺地震反應的半主動控制，結(jié)果表明MR阻尼器可以有效地控制隔震獨樁平臺在地震作用下的位移反應；嵇春燕等[32]采用數(shù)值分析和模型實驗的方法，以MR阻尼器為控制裝置設(shè)計半主動控制系統(tǒng)，進行多工況減振效果分析；此外，管有海，黃維平[33]也對MR阻尼器應用于海洋平臺的減振進行了研究；劉山、歐進萍等[34]針對渤海受嚴重冰激振動的JZ20-2MUQ平臺進行了隔振研究，提出了在海洋平臺結(jié)構(gòu)導管架端帽和甲板之間設(shè)置柔性阻尼的新型阻尼隔振方案，并建立了海洋平臺結(jié)構(gòu)阻尼隔振體系簡化計算模型，研究隔振層參數(shù)與結(jié)構(gòu)阻尼比的關(guān)系以及他們對結(jié)構(gòu)整體和隔震層層間位移的控制效果；在此基礎(chǔ)上，歐進萍，張紀剛等[35][36]提出磁流變智能隔振系統(tǒng)，同時利用橡膠支座和MR阻尼器對海洋平臺進行減振分析，通過數(shù)值分析和模型試驗進行了多工況分析研究和對比。

4結(jié)論與展望：

目前，海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制還處于理論與實驗研究階段，將其應用在實際工程中還需要解決如下一些問題：

1）采用智能控制算法等更加先進的控制算法，緩解時滯問題，提高平臺控制性能以及穩(wěn)定性；

2）開發(fā)和應用操作更簡便、可靠、耗能少的控制裝置（作動器、傳感器等），并優(yōu)化配置數(shù)量和位置；

3）綜合考慮流體-土-樁的耦合作用，使結(jié)構(gòu)控制更接近于實際，提高控制效果。

海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制是一個具有應用前景的新興研究領(lǐng)域，學科交叉性強，涉及面廣，需要具備多方面的專業(yè)知識。智能控式，包括神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等，是海洋平臺振動控制的發(fā)展方向，亟待更多的理論與試驗研究和具體工程應用。

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