文摘
调谐质量阻尼器(TMD)应用于确保安全和稳定的海上平台在实践中;然而,阻尼中风和响应延迟问题总是导致棘手的振动控制,同时暴露于大地震载荷。因此,本文提出一种bufferable TMD,被动TMD两侧缓冲,提高海上平台的性能受到很大的地震波。全面的仿真和实验研究被调查的动态表演bufferable TMD,通过应用1:200 -近海平台原型。验证,bufferable TMD中风可以有效地吸收能量,而阻尼运动超过限制。与此同时,bufferable TMD能保持高度响应特征。总之,实验结果表明,位移,加速度,和频率的表演可以显著减少,海上平台和评价指数表明,该方法有效地减少了整体振动水平和最大峰值的价值观,bufferable阻尼器的应用系统。
1。介绍
作为典型的海上结构物之一,海上夹克平台发挥着不可或缺的作用在海洋资源的开发和利用1]。位于敌对的海洋环境,海上平台暴露在风和地震等外部扰动,这通常导致大型系统的振荡(2]。振动不仅逐渐破坏平台结构系统,还引起不舒服的环境保持的问题。因此,许多人一直在努力控制结构的振动,增加结构的稳定性,并确保安全的海上平台。
然而,有两个棘手的问题,考虑损伤的可能性在高强度地震的海上平台。其中一个问题是,大地震激发可能导致当地减震器;因此,它没有表现出足够的振动控制性能的大地震。另一个问题是,地震激发事件的持续时间通常比较短,和最大变形影响平台主要发生在最初的几秒钟。然而,很少被注意解决在同一时间两个不可避免的问题。
解决问题的中风减震器和目标之间结构,几次被降低中风,通过引入阻尼器的影响。减震器是自由移动的质量,受到停止固定结构控制动态兴奋。影响阻尼影响过程的动量交换的结果之间的质量和停止,而结构振动。能量耗散热量和噪音一起开发的高频振动结构(3]。另一方面,两者之间的影响阻尼器将产生脉冲载荷耦合系统,将导致一个高级噪音影响过程。与此同时,大量接触力将导致材料产生恶化和局部变形伴随塑料碰撞。相比之下,缓冲材料纳入影响阻尼系统来减少影响部队(4]。颗粒材料的耗散特性被分析研究使用粒子动态方法,以及如何分析的能量损失率显示幅频平面上不同的阻尼机制激发力量的证明(5]。最近,振动控制技术,实现基于平台类型,取得显著成功缓解地面的振动结构。Zhang et al。6)提出了一个基于网络的建模和事件驱动的可靠的离岸结构控制。它可以抑制离岸结构的振动几乎相同的水平控制器,前者需要较少的控制成本。具体来说,一个更一般的不确定动态模型的海上平台开发,然后小说延迟滑模控制方案提出了使用混合潮流和延迟状态(7]。通过模拟结果显示,该方案更有效改善控制性能和减少海上平台的控制力。陈等人。8)进行数值模拟的影响阻尼离散单元法,它表明,碰撞和摩擦机制可能扮演不同的能量耗散或等价的角色,在不同振动和粒子系统参数。此外,大多数的数值模拟是基于离散单元法,这是最初提出的Cundall和斯特拉克9]。
阻尼器的基本理论的影响,数值和实验研究已经进行测试特定的应用程序,检查理论结果,并选择阻尼系统参数的影响(10- - - - - -13]。影响阻尼器是用来控制一个简单的二自由度系统自由和正弦盟军强迫振动下,用一个最优阻尼效应通过调整质量比和间隙。李和达比14和刘et al。15)进行了一系列的实验调查研究影响阻尼的影响,利用等效粘性阻尼模型来表示非线性。阻尼器阻尼特性的影响也被研究改善阻尼能力。方和唐16)开发了一个改进的分析模型利用多相流理论的基础上,以前的工作的吴et al。17]。最近,实验工作研究的影响控制friction-driven振荡阻尼器使用一个影响,和质量比的影响,恢复系数和间隙对减震器的性能验证(通过实验和数值研究18]。上述研究提到,振动与阻尼器控制器可以提供一个可行的和有效的方式来减弱振动;然而,它还没有讨论与阻尼控制器的响应延迟的问题,可能会导致不良影响振动控制在地震运动的开始。
对地震激励,其持续时间大大缩短,相当大的灾害经常发生在地震载荷的最初阶段。以前的一些研究(19- - - - - -21)与粘滞阻尼减震器的使用提高振动控制的有效性;然而,由于不考虑阻尼器的高度响应性能,阻尼器可能没有足够的反应时间产生显著的影响在最初秒的地震激励。蔡(22模拟一个调谐质量阻尼器(TMD)在不同地震作用下的一系列参数。TMD与阻尼被发现没有反应后的结构响应在最初秒发生地震,因此,提出了一种虚拟加速器来提高战区导弹防御系统的性能。最近,一个被动TMD没有阻尼,提出了克服地震激发在第一次3秒;然而,春天TMD和目标结构之间的联系并没有考虑大地震的情况(23]。地震激发的持续时间通常比较短,和最大影响平台的变形主要从最初秒结果。因此,关键是TMD的高度响应速度发生的最初几秒钟内激发。要解决这个问题,本研究提出了一个被动TMD没有阻尼提高临界地震载荷下的高度响应性能。
此外,上述研究传统的TMD没有同时考虑中风和响应延迟的问题。一方面,尽管TMD与阻尼器可以接受的能量耗散伴随着大地震运动,它可能成为其低响应性能的问题。另一方面,尽管TMD没有阻尼器可以提高高度响应性能,它可能不会避免强烈的地震波下的碰撞破坏。因此,本文将提出一个bufferable TMD,其中结合了减震器的优点和缓冲区和高度响应阻尼器对中风和响应延迟的问题。本文提出一种bufferable调谐质量阻尼器的海上平台对中风在地震波能量和响应延迟问题。提出了仿真和实验研究验证提出方法的有效性和优点。
本文涉及的实验和分析调查,全面扩展的高度响应性能和阻尼特性的理解bufferable TMD系统两大地震振动。实验过程是基于现有的海上夹克平台的原型,和bufferable高度响应、吸收特性讨论了依赖振幅和频率响应的结果。
2。方法
2.1。描述
自升式海洋平台由一个矩形平台放在四个独立运营的腿,下面附带一个战区导弹防御系统平台。有两个正常类型的被动TMD:那些没有阻尼器(图1)。TMD没有挡板的高度响应性能和阻尼器的TMD可以消散能源由于阻尼特性23]。
(一)TMD没有阻尼器
(b) TMD与阻尼器
本研究利用TMD的缓冲区,实现双方的优势TMD和无阻尼器。TMD装置(图2)由一个框架,一个质量,两个弹簧,四个轮子,两个轨道,两个缓冲区。采用缓冲的缓冲材料,可以通过胶固定在框架。缓冲和大众之间的距离可以调整根据性能需求。
2.2。建模
提出了图3自升式海洋平台的系统模型可以视为广义bufferable TMD结构的主要结构组成的海上平台和TMD的子结构。缓冲区是由两个线性建模接触弹簧和阻尼器,和,分别。
系统的运动可视为一个分段线性的过程。和分别是主结构和子结构的位移。当没有碰撞,质量可以移动的缓冲,在哪里是TMD的缓冲和大众之间的距离,如图1;因此,动态模型可以被正常的表达形式: 在哪里,,的质量、阻尼和刚度的主要结构,分别;和分别子结构的质量和刚度;是地震的加速度矢量加载在主结构。
当,向左或向右的大规模碰撞缓冲区;因此,动态模型可以表示为 在哪里,,的质量、阻尼和刚度的主要结构,分别;和分别子结构的质量和刚度;和分别的刚度和阻尼缓冲;和分别是主结构和子结构的位移;是地震的加速度矢量加载在主结构。
中央差分法(24)用于数值求解上述方程。一次向前行进方案使用差分法,和时间间隔。微分加速度和速度可以表示为
方程(3)可以替换成(1)和(2)来计算位移的区别。当公式可以表示为
当的情况下公式可以表示为 在哪里
当的情况下公式可以表示为 在哪里
海上平台的初始条件可以表示为
插入第二步的初始位移,,,到(4),随后的差动位移和可以获得。通过不断增加的计算步骤中,微分的位移和可以估计,,,。
数值模拟和实验调查可以限制位移的海上平台bufferable TMD受到震动时表示成正弦激励(图4)。理论反应是观察到的相同的实验反应在整个时间段,这表明分析方法可以估计地震作用下的阻尼系统响应与一个可接受的精度。
2.3。参数识别
2.3.1。在正弦激励下的参数
距离系数是用来讨论最优距离根据其影响的最大减振值下正弦或地震波峰值。距离系数被定义为,在那里缓冲和质量之间的距离吗是TMD装置的总长度的一半。
最初,系数进行了数值模拟计算不同距离下一个正弦波。相对应的正弦频率3赫兹,主系统的共振频率,这也是3赫兹。主结构和子结构的质量比是0.3,和缓冲阻尼系数是0.012。输入激励、质量比和阻尼系数保持不变而缓冲区之间的距离和TMD参数识别是不同的质量。
在图5主要系统的位移,bufferable TMD用dash-dotted和实线为各种距离。当距离系数为17%,海上平台的位移反应是最低的。
高峰值的比率的海上平台,没有bufferable TMD计算不同距离系数(图6)。当距离系数是16%到19%,高峰值的比率最高,表明其性能振动吸收比在其他距离系数。
2.3.2。参数在地震荷载作用下
进一步考虑的影响TMD的缓冲和大众之间的距离在地震激励下,数值模拟Fukujima NS和塔夫脱的电子战地震波进行。Fukujima NS指NS记录组件在日本3月11日,2011年。相应的地震峰值加速度的大小为9.0 341 cm / s2。塔夫脱电子战指的是电子战组件记录在克恩县,CA,美国,1952年7月21日。相应的地震震级为7.7级,峰值加速度值为175.9厘米/秒2。
如图7(一)之间的比率的高峰值情况下有无bufferable TMD为各种距离计算。当距离系数是17%到19%,高峰值的比率变得更高,他们的表现比在其他距离系数。图7 (b)表明,海上平台可以实现更好的振动抑制的距离系数是16%左右。
(一)比在塔夫脱电子战地震波的高峰值
(b)比Fukujima NS地震波下的高峰值
3所示。实验
3.1。设置
如图8测试系统由一台计算机,振动信号发生器,放大器,瓶,海上平台系统,加速度传感器,激光位移传感器,快速傅里叶变换分析器。
渤海5号海上自升式平台,位于南部海洋,被作为研究对象分析TMD的实际效果。1:200 -比例模型的实际四柱平台了。工作平台的大小是57.5×34.0×5.50 m,操作腿长度78米,直径3米。的最小操作水深4米。
建模操作平台扩展,简化为水平矩形金属质量支持列构造的空心管。圆柱形桩鞋子的底部设置每一列和列之间的连接和操作平台是刚性的。模型平台将被放置在一辆坦克被固定到振动装置模拟地震载荷的能力。结构的响应用加速度计和激光振动计测量。
在实验中,砂高度是80毫米,水深为400毫米。主要结构的模型平台的质量为2.346公斤,bufferable TMD的质量为0.591公斤。通过实验验证,海上平台决心的阻尼系数是0.012,一个缓冲阻尼系数为0.012。
3.2。流程
最初,bufferable TMD子结构的底部安装平台测量模型的第一个完整结构的固有频率。输入信号是主/ Hz扫描信号。平台的频率响应函数峰值集中在3赫兹。
第二步是把bufferable TMD的平台,把瓶。然后,bufferable TMD的弹簧刚度是调整的第一固有频率bufferable TMD一样的平台。
在下一步中,两种类型的地震波(Fukujima NS和塔夫脱电子战)生成的信号发生器和美联储到瓶评估振动控制系统的有效性。录音时间是25和30年代,分别采样两个地震波的频率是50赫兹。因此,位移和加速度的海上平台和海上平台之间的相对位移和bufferable TMD记录。
4所示。结果
4.1。振幅响应分析
提出了图9显示,反应的时间序列的主要结构和没有bufferable TMD的励磁下Fukujima NS和塔夫脱电子战地震波。实验结果表明,峰值的位移响应值显著降低,bufferable TMD控制相比,这些情况下没有bufferable TMD控制。它可以观察到,这种下降趋势是更重要的加速度响应。这些结果表明,bufferable TMD的控制性能是有效的作为减少的能量耗散装置的主要结构响应。
(一)位移结果Fukujima NS地震波
(b) Fukujima NS地震波加速度结果
塔夫特(c)位移结果电子战地震波
(d)的塔夫脱电子战地震波加速度结果
是特别重要的激励下振动抑制地震波bufferable TMD可以有效降低相对高振幅位移和加速度。这些高振幅位移发生在测试的早期和bufferable TMD这些早期的振动激励,反应迅速。相对低振幅位移和加速度,bufferable TMD控制导致小有效减少;然而,这些低烈度当地影响整体平台振动只提供了一个小的贡献。
在这个实验中,研究重点的距离最大有效阻尼是观察。因此,距离系数是17%,13毫米的距离。注意质量和缓冲区之间的影响总是发生在主系统的时间已经达到了它的最大位移。bufferable吸收器的振动控制的有效性来自碰撞质量的缓冲区,和结果的动量交换。
如图10,因为质量是流离失所的缓冲区域,有质量和缓冲区之间的碰撞。这意味着巨大的能量被吸收在碰撞过程中由于动量的交换。大脉冲动力可以更有效地导致近海平台降低响应速度。
(一)位移的塔夫脱电子战地震波下的质量
(b)位移Fukujima NS地震波下的质量
4.2。频率响应分析
基于频率响应分析,并给出了功率谱密度(PSD)结果数据11和12位移和加速度的平台有或没有bufferable TMD。观察到的最大振幅PSD发生大约在3赫兹的情况下没有bufferable TMD控制;这个平台的共振反应是发生在这个频率。这就解释了为什么设计bufferable TMD的频率几乎是3赫兹。
(一)位移的功率谱密度Fukujima NS地震波
(b)的加速度功率谱密度Fukujima NS地震波
(一)位移的功率谱密度塔夫脱电子战地震波
(b)的加速度功率谱密度塔夫脱电子战地震波
因此,使用bufferable TMD控制显著有效地降低主体结构的振动响应;特别是,周围的峰值响应显著减少3赫兹的频率。可以显著降低整体振动响应通过减少阶振型的振动,和由此产生的PSD曲线解释了为什么时间序列响应是有效的减振。因此,一个单一的阻尼器调谐的基本模式是适合降低结构振动产生的地震作用。频率乐队高于或低于基本频率的调查显示没有负面影响非惯用的频率。
4.3。评价指标
量化控制性能、均方根(RMS)采用位移或加速度反应的平台: 在哪里的采样值是这个平台的位移或加速度响应地震波。
减振的有效性评估在整个地震期间,相对指数应用 在哪里和量的有效值位移或加速度响应的主要结构为整个地震时期,例和没有bufferable TMD系统,分别。
评估的最大响应减少,最大峰值被选为。然后,最高可以获得高峰值的相对比例 在哪里和最大峰值的价值观是平台的位移或加速度响应和没有bufferable TMD系统,分别。
两个性能指标(图13)。的位移响应值超过65.5%,这表明平台的振动显著提高地震期间激发bufferable TMD时使用。此外,分析值表明,减少超过34.5%实现了位移响应峰值,通过应用bufferable TMD系统。
(一)评价指标的位移结果
(b)评价指标的加速效果
加速度位移响应的值超过70%,这意味着动态性能大大提高整个时期的地震。在同一时间,值超过23.8%,这意味着峰值响应也减少了bufferable TMD系统的应用。
5。讨论
实验结果表明,bufferable阻尼器是有效的,可以成功地从地震波减少过度振动。进一步了解的动态表演bufferable TMD,额外的进行了仿真和实验研究究其bufferable,高度响应,和吸收特征。
5.1。Bufferable特点
提出了数值分析的位移TMD质量,有或没有一个缓冲区,在图14。自由定义区域,这样质量块的位移不超过其设计的局限性和碰撞缓冲区。然后TMD可以处理作为传统质量弹簧阻尼衰减振动。缓冲区的范围提出了水平虚线区域的数据。而质量的位移范围内的缓冲区,质量的影响与缓冲碰撞导致能量耗散交换。危险区域的位移超过质量框架的局限性。这意味着TMD质量将碰撞帧和TMD将损坏或以某种方式效率低下。
(一)相对位移的结果与塔夫脱电子战地震波TMD质量
(b)相对位移结果TMD质量Fukujima NS地震波
因此,在图(14日),相关的相对位移结果TMD塔夫脱电子战地震波,可以看出TMD的质量已经超过系统的地区,这意味着大地震期间TMD变得效率低下。在图14 (b),相关的相对位移结果TMD Fukujima NS地震波,发现缓冲区可以用来防止TMD系统的损坏,和能源是通过缓冲区。
5.2。高度响应特征
地震激发的持续时间通常比较短,和其最大变形影响平台主要结果从最初的几秒钟。因此,关键是出现bufferable TMD的反应迅速的起始励磁(23]。通过应用中心差分方法,位移bufferable TMD和离岸平台在第一次3 s的激励可以确定。主要结构的初始条件可以表示为
当初始条件(14)替换成(3),下一步差动位移和可以得到: 的比例和可以表示为
方程(16)表明,在最初的时候,bufferable TMD的位移总是大于海上平台的位移;也就是说,。
基于以上理论分析(14)- (16),一个实验进行调查这种高度响应现象。如图15,当海上平台开始由于地震激励,bufferable TMD行动立即。此外,bufferable TMD的位移和加速度都比海上平台的容量要大得多。这表明bufferable TMD可以实现振动抑制通过其高度响应地震激发。
(一)塔夫脱电子战地震波的位移响应
(b)塔夫脱电子战地震波的加速度响应
5.3。吸收特性
获得更完整的理解的能量耗散机制和吸收特征bufferable阻尼系统,能量耗散两earthquake-sourced地震波下进一步检查。这次考试对于地震应用程序尤为重要,其中一个主要目标的TMD装置应控制,以避免损害海洋平台的结构。
因此,能源减少数值估计的海上平台配备不同的战区导弹防御系统,有或没有一个缓冲区。在本节中,一个模拟被用来计算耗散能量,而缓冲区与大规模相撞。
在图16,能量耗散的影响提出了阻尼两种地震激励情况。能源减少海上平台与塔夫脱电子战地震波17.6%和18.4%在Fukujima NS地震波。仿真表明,阻尼的影响扮演重要的角色,这意味着有用的bufferable TMD即使对于地震的海上平台暴露于大负载。
(一)累积与塔夫脱电子战地震波能量耗散
(b)累积与Fukujima NS地震波能量耗散
6。结论
本研究提出了一种bufferable TMD系统来减轻损害反应的海上平台重大earthquake-sourced地震波。全面数值和实验调查已经进行了检查bufferable特点,提出系统的高响应和吸收过程。
的主要结论可以概括如下。
(1)bufferable TMD系统构造的实验研究,初步结果表明,位移,加速度,和频率表现海上平台的两种类型的地震导致的地震荷载作用下显著提高。
(2)进一步的调查表明,bufferable TMD中风可以有效地吸收碰撞能量的帧缓冲区和快速反应在第一次3秒的地震激励,这意味着bufferable TMD能有效降低结构的最大变形最大负载段地震激发。
(3)的两个数值和实验调查证实bufferable TMD构成简单而可行的措施对中风和响应延迟大地震荷载作用下的振动抑制问题。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。