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海洋平台典型结构低频多线谱振动控制研究

杜圆  
【摘要】:随着海洋平台配套设备日趋大型化、复杂化、多样化,动力定位系统及主机等大型设备的低频振动在平台结构传播过程中较难衰减,易引起平台的局部共振,加剧结构的疲劳破坏并引起人体的不适。动力吸振作为低频振动控制途径之一,具有结构简单、安装方便,且不需要额外耗能等优点。采取动力吸振的方法对平台开展低频振动控制时,需首先分析局部共振区域动态特性,海洋平台由大量梁、板、板架,柱壳等结构组合而成,大量学者基于数值法与解析法对海洋平台典型结构振动特性进行了分析。但动力吸振在海洋平台典型结构低频振动控制的应用过程中还存在弹性边界典型结构-动力吸振分析模型尚未有效建立、典型结构分布式动力吸振研究较少,海洋平台典型结构低频多线谱振动控制步骤繁琐且效率低等问题。为此,本文针对动力吸振装置在海洋平台典型结构低频多线谱振动控制的应用难点,按照由简单到复杂的顺序对海洋平台典型结构开展动力吸振研究,主要研究工作如下:以海洋平台梁结构为研究对象,建立了两种梁结构振动分析模型,讨论了两种梁理论的适用范围;在梁结构振动分析模型基础上,考虑动力吸振装置与梁结构相对位移,构造梁结构-动力吸振系统能量泛函,实现了梁结构待控制模态等价质量的快速求解;基于梁结构-动力吸振分析模型开展了动力吸振装置参数化研究,并与最优同调设计方法相结合,对弹性边界下梁结构进行了分布式动力吸振设计。建立了各向同性板振动分析模型,通过虚拟边界弹簧的引入实现不同边界条件的模拟,探讨了不同板理论适用的厚度范围;在板结构振动分析模型的基础上,考虑动力吸振对板结构的影响,构造板-动力吸振能量泛函,实现板结构任意位置待控制模态等价质量的快速求解;分别以振动位移及振动加速度为控制指标开展了单线谱动力吸振设计,并在此基础上对复杂边界多点激励下的板结构进行分布式动力吸振设计研究。在梁与板振动分析统一模型的基础上,进一步考虑加强筋与板之间的弹性连接,构造复杂边界条件板架结构能量泛函,建立了任意布放角度与数目加筋板架振动分析模型;对不同形式板架开展自由振动特性参数化研究,验证了本文板架数值模型的有效性。此外,开展环路加筋板架强迫振动特性试验,进一步验证加筋板架数值模型强迫振动的有效性。在加筋板架数值模型的基础上,考虑动力吸振装置与板架结构相对位移,构造了板架-动力吸振分析公式,提出了复杂边界板架结构低频多线谱振动控制方法。基于薄壳理论与能量法建立了柱壳振动分析模型,在该模型基础上开展了柱壳结构自由振动特性参数化研究,并与文献对比验证了振动分析模型的有效性。考虑动力吸振装置与柱壳相对位移关系,构造柱壳-动力吸振能量泛函,分别开展了单点与多点激励下柱壳结构动力吸振装置设计研究,提出复杂边界柱壳结构分布式动力吸振设计方法。在上述理论研究的基础上,总结了海洋平台典型结构低频多线谱振动控制方法,并基于该方法开展了半潜支持平台缩比模型低频多线谱振动控制验证实验。基于本文海洋平台典型结构低频多线谱振动控制方法,建立了上甲板加筋板架数值等效模型,与模态测试结果进行对比验证了数值等效模型的有效性。确定了缩比模型上甲板分布式动力吸振设计方案,并通过相关工况的测试验证了本文海洋平台典型结构低频多线谱振动控制方法的有效性。最终以某大型半潜支持平台为研究对象,将海洋平台低频多线谱振动控制方法与有限元法相结合,对半潜支持平台上甲板与驾驶甲板局部共振区域开展了低频多线谱振动控制,旨在为海洋平台典型结构低频多线谱振动控制方法工程应用提供依据。


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