文摘

Pall-typed摩擦阻尼器(PFD)有更高的能量耗散能力,而形状记忆合金(SMA)超弹性性能好。因此,结合PFD和SMA在一起作为一个支撑结构在振动控制系统有很大的前景。探讨海上平台的性能和三个包括SMA支撑系统结构配置,在ISO-SMA (ISO代表隔离)支撑系统,和ISO-PFD-SMA支撑系统,受到地震和冷冻诱导作用。在这项研究中,PFD-SMA支撑系统是安装在夹克的隔离层平台,这是地震作用和冰载荷作用下。然后,减少振动评估通过使用ANSYS程序。结果表明,PFD-SMA支撑系统是有用的在减少海上平台结构的地震响应和冰激响应;与此同时,它还展示了优秀的能量耗散和滞回行为。

1。介绍

1947年,世界上第一个独立的钢质导管架海上平台建于墨西哥湾。它在一个开发海洋的新时代。近海石油工业的快速发展后,近10000海上平台目前广泛应用于许多领域,主要是在石油工程。为了更好地适应社会经济发展和确保能源供应,许多离岸平台构建。因为严重的工作环境和复杂的载荷条件,必须担心它的安全与稳定。

海上平台受到不同的环境负荷在他们的生活期间,如地震、波浪,风,和冰。特别是地震荷载应考虑全面由于它的不可预见性和随机性。因此,它是必要的,以确保平台不落在地震和减少灾害的损失降到最低。JZ20-2MUQ渤海湾海上平台建成,在地震灾区。

在高纬度地区,冰荷载是基于估计作为设计控制荷载。密集的连续破碎的冰引起的振动会影响工人的安全和舒适。同时,过度引起的阻力的退化和大型振幅振动可能导致致命的结果。1964年,两个平台,完成了1962 - 1963年崩溃,由于海冰在阿拉斯加库克湾;1969年,一个新的海上平台倒塌的重复冲击下大冰载荷(平均冰厚度平面冰约为60厘米;最大的厚度是1米以上)(1]。

辽东湾是一个重要的石油生产地区在渤海油田位于我国独特的海冰覆盖的水域。同时,辽东湾是最严重的海冰冰情渤海。渤海油田服务有限公司预成型的海冰的观察;甲板上的最大加速度JZ20-2MUQ平台达到3 - 4米/秒的峰值²(300 - 400加)。

形状记忆合金(SMA)是金属合金,可以承受大压力,恢复初始状态时卸载或加热后,没有永久变形由于其良好的超弹性性能。研究成果已经使用基于SMA的材料或设备减少地震破坏民用建筑(2- - - - - -8):基础隔震系统(2,3),阻尼器(4),支撑系统结构(5,6),应用程序在桥7),和梁柱连接(8]。这些研究证明了可行性和有效性的SMA结构以自我为中心的和阻尼组件。自从Pall-typed摩擦阻尼器(PFD)具有较高的能量耗散能力(9),形状记忆合金(SMA)具有良好的超弹性性能(10]。在这项工作中,有限元模型与PFD-SMA JZ20-2MUQ平台支撑系统的建设,历史和时间响应模型的影响天津、埃尔森特罗,塔夫脱地震波进行了分析。同时,也进行了冰激振动控制。为了有一个更全面,比较研究结果的基础上模拟、地震行为JZ20-2MUQ海上平台有或没有PFD-SMA支撑系统是通过有限元分析软件ANSYS对比。结果表明,PFD-SMA支撑系统具有良好的能量耗散和以自我为中心的性能好。

2。结构参数和JZ20-2MUQ平台的有限元模型

2.1。JZ20-2MUQ平台的结构参数

JZ20-2MUQ海上平台位于渤海湾的浅水域。设计深度是15米。JZ20-2MUQ平台包括夹克,夹克帽,支柱,甲板(包括两个设备层)和生活区12]。成立由四套管道,通过桩打入海底。JZ20-2MUQ如图的照片1。

JZ20-2MUQ的主要参数如下所示。这个平台主要是由钢密度为7.85公斤/米³,2.10×10的杨氏模量⁵Mpa,泊松比为0.3;管的长度在泥线下相当于6.4倍管道直径(l= 6.4;D= 8.8 m),所以总高度约64米;结构的总质量是在2000吨左右,和指导管道的大小ϕ59.5×1.25(在)。JZ20-2MUQ如图的正视图2。

2.2。有限元模型PFD-SMA JZ20-2MUQ和安排的支撑系统

原始的三维框架模型平台是由有限元分析软件ANSYS,如图4;钢束与ANSYS BEAM188建模。质量是包括甲板和其他群众利用ANSYS MASS21 [13]。根据建筑抗震设计规范》(gb50011 - 2001)在中国,重力荷载值是由组合系数,和所有的群众都集中在关节成员酒吧。

PFD-SMA支撑系统包括SMA支持和Pall-typed摩擦阻尼器;SMA撑和PFD普通钢板的连接螺栓接合。图3显示了PFD-SMA支撑系统。为了提高平台结构的抗震特性,我们设置了两个SMA括号之间生活甲板和夹克上限模型,如图5。SMA清新与ANSYS建模SOLID185,笼罩在摩擦阻尼器与ANSYS COMBIN40的组合建模,BEAM4, LINK8。

2.3。动态特性的JZ20-2MUQ

基于测量领域,前三个频率和阻尼比JZ20-2MUQ平台获得(总结表1)。

结构基于环境激励的模态识别,利用测量数据获得的模态参数。因此,模态分析,JZ20-2MUQ平台的动态特性进行了分析;第十个自然频率的模型和列在表2。它可以发现,前三个频率和阻尼比测量领域的更大比计算,而结果表1。两个之间的差异可以归因于几个原因,主要是由于结构的有效质量值高于模拟模型由于非结构组件的贡献。

3所示。地震和冰激振动分析的JZ20-2MUQ PFD-SMA支撑系统

3.1。地震分析

利用ANSYS程序的动态有限元分析模型与SMA JZ20-2MUQ平台支撑。数值模拟执行。地震输入建模通过使用三种不同的地震作用包括天津(1976年,电子战),塔夫特(1952年,N21E)和埃尔森特罗(1940 SN);加速度随时间的变化曲线如图6。

平台的动力特性对比分析,没有SMA支撑系统进行了分析、对比分析和地震响应计算弹性时间历史响应系统的方法(14]。结构的响应三个地震作用下地面运动,在表所示3。应用于地面加速度X方向模式。从表3,可以发现,减少振动下三个地震作用不明显;的最大变形夹克帽仅减少了4.3%,尽管这几乎减少了1%或百分之零在天津波。此外,上甲板的最大加速度和下层略有减少,减少的百分比是10.7%和30.8%,分别。特别是夹克中起着至关重要的作用在维护整个平台的稳定和安全。一旦夹克超大位移导致平台的崩溃,随之而来的后果是难以忍受的。此外,顶部甲板是生活区,毫无疑问,大的加速度会影响工人的舒适水平的平台。因此,这么小的减轻振动的影响显然无法满足要求。图7显示的最大位移随时间的变化曲线夹克帽。数字8和9显示最大加速度的时间历史曲线顶部甲板和甲板越低,分别。

考虑上面的数值分析,结果表明,SMA支撑系统不是有效的减少地震激励下的振动响应,而不受控制的结构。SMA的原因将不能充分发挥他们的潜力是平台结构的总体刚度太大,变形是太小了。因此,提高SMA的变形和能量耗散的能力来达到预期的效果。为了提高能源消费之间的阻尼隔振系统放置的底部甲板和夹克的顶部结构(15]。橡胶层是通过ANSYS COMBIN14和CONBIN40建模。分析了水平力主要由前者,而后者主要进行垂直力。COMBIN14纵向或扭转的能力在一个,两个,或三维应用程序;COMBIN40结合spring-slider和阻尼器并联,串联耦合到一个差距。与此同时,两个SMA支持和两个PFD-SMA支持生活之间设置隔离层甲板和夹克上限模型,分别如图10和11。

数值模拟是进行平台模型包括三个结构样式:控制结构,该结构与隔离层和SMA支撑系统(称为ISO-SMA结构),和结构隔离层和PFD-SMA支撑系统(称为ISO-PFD-SMA结构)。

ISO-SMA结构三种地震作用下的反应进行,总结在表4。图12显示的最大位移随时间的变化曲线夹克帽。数字13和14显示最大加速度的时间历史曲线顶部甲板和甲板越低,分别。

根据表4,模拟计算的结果表明,每个不同的控制方案可以减少地震激励的响应。ISO-SMA系统是一种有效的方法来减少地震下的平台结构的地震反应运动输入。最大相对位移的比例减少夹克帽都是在三种情况下超过40.3%。和减少的百分比天津地震激励下高达74.1%。上甲板的最大加速度和下层减少至少33.4%相同的荷载。

然而,注意到ISO-PFD-SMA系统优于ISO-SMA系统表4。它甚至达到减少92.5%的最大位移的夹克在天津地震激励下,比ISO-SMA高出18.4%。塔夫脱下,ISO-PFD-SMA系统也有更好的控制效果的最大位移的夹克;减少的比例是80.4%,比ISO-SMA高出25%。从这些结果,对位移抑制ISO-PFD-SMA系统具有明显的影响。尽管ISO-PFD-SMA加速度控制系统略低,ISO-SMA相比,它匹配安全和舒适的需求。此外,它可以发现结构与ISO-PFD-SMA撑系统近地震激发后返回到初始位置,这证实了该系统具有良好的恢复能力。

3.2。冰激振动分析

土地三面,渤海湾位于东海岸的中纬度地区,主要受季风环流的影响。因为它是孤立的,更少的热量交换半封闭海湾海域。在冬天,渤海湾将受到强大的蒙古冷高压的影响。此外,渤海的水不是很咸,因为许多新鲜的河流流入。因此,它更容易结冰。考虑到以上,渤海湾冰情预报的一个海域严重在中国(16]。自上个世纪以来,冰条件发生了大规模的7倍。在1968年的冬天,一个平台在渤海湾崩溃,因为最严重的海冰冰情渤海。表5显示了在渤海湾冰情预报的基本数据。模型模拟实际使用三个弯曲冰和三个推动冰。为了节省空间,一个弯曲的冰,一个推冰随时间的变化曲线如图15。

验证PFD-SMA支撑系统振动控制的有效性在冰载荷下,数值分析进行了ANSYS软件。冰激振动仿真使用三个平台结构风格包括控制结构,该结构与ISO-SMA支撑系统,与ISO-PFD-SMA支撑系统和结构。

如表所示的响应6。结果表明,结构的峰值响应ISO-PFD-SMA显著降低。从表6,甲板上的最大加速度的控制效果可以实现81%的推动下冰。但是甲板的最大位移降低不明显。与加速度相比,减少的百分比是29.8%。关于冰,弯曲振动控制效果也非常明显。它可以实现甲板加速度减少78%;然而,甲板上的最大位移仅减少了11%。此外,它可以发现结构与ISO-PFD-SMA撑系统近冰激激发后返回到初始位置。

基于表6分析结果表明,ISO-PFD-SMA系统有助于更大的海上平台结构,保证舒适的与ISO-SMA相比。与此同时,它扮演着非常重要的作用在维护整个结构的稳定性也具有良好的恢复能力。数据16和17显示随时间的变化曲线,两个冰载荷作用下平台结构。

4所示。结论

介绍了PFD-SMA支撑系统应用于JZ20-2MUQ海洋平台的振动控制在渤海湾,是受到行动冰和地震激励的数值方法。本研究的主要结论总结如下:(1)ISO-PFD-SMA支撑系统设置在甲板和夹克帽之间有更好的减轻振动,影响与控制结构甚至ISO-SMA支撑系统相比,特别是在最大加速度的控制和下层。棺罩摩擦阻尼和SMA支撑消耗一部分能量,分别。结合两部分,振动控制的效果将会实现。(2)只有设置SMA支撑系统可能不会导致理想结果以来支撑不能充分发挥他们的潜力,因为结构的整体刚度太大,变形是太小了。结果表明,阻尼隔振系统(ISO)放置在甲板和底部的夹克的顶部结构,从而提高能源消耗和SMA支撑系统成为完全有效。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持由中国国家自然科学基金(51378271)、泰山学者重点学科人才小组项目由山东、青岛建设委员会发展基金(JK2015-13)。