基于调谐质量阻尼器(TMD)的圆柱体双向涡激振动抑制机理研究

本文针对海洋工程中圆柱结构(如钻井立管、系泊缆等)受涡激振动(VIV)威胁的难题，研究团队创新性地采用调谐质量阻尼器(TMD)抑制基于尾流振荡器模型的圆柱体双向(2-DOF)涡激振动。通过建立TMD-圆柱体双向流固耦合理论方程，系统分析了不同折减速度下TMD质量与阻尼参数对振动幅值、阻力系数、升力系数及运动轨迹的影响。研究发现TMD在多数工况下可降低振动幅值23.56%-82.41%，但在特定工况会增大振幅，为振动能量捕获发电提供新思路。该研究发表于《Marine Structures》，为海洋工程结构振动控制提供重要理论支撑。

　　

在波涛汹涌的海洋中，那些细长的圆柱结构——比如钻井立管、生产立管和系泊缆——正默默承受着来自水流的持续冲击。这些结构在流动作用下会产生一种名为涡激振动(VIV)的现象，就像风吹过电线时产生的"嗡鸣"效应。这种振动不仅会加速结构疲劳，更可能引发灾难性事故。为此，国际船级社如DNV和ABS已强制要求对结构进行VIV疲劳损伤计算。

传统解决方案如螺旋列板、导流罩等被动控制装置虽有效，却存在增加阻力、易受海洋生物附着影响等缺点；而主动控制技术又面临需要外部供能的困境。在此背景下，调谐质量阻尼器(TMD)因其结构简单、成本低廉、无需外部能源等优势进入研究者视野。然而，关于TMD抑制圆柱体双向涡激振动的系统性研究，特别是在宽雷诺数范围(Re=300～1.5×10⁵
)内的研究仍属空白。

针对这一挑战，中国研究人员Jixiang Song、Fengjiao Zhao和Ye Yao团队在《Marine Structures》发表重要成果。他们创新性地将TMD与基于尾流振荡器的圆柱体双向涡激振动模型相结合，通过理论建模与数值模拟，系统探索了TMD对双向VIV的抑制规律。

研究采用的关键技术包括：1)建立TMD-圆柱体双向流固耦合振动理论方程；2)基于尾流振荡器模型模拟2-DOF涡激振动；3)采用数值方法求解非线性耦合方程；4)在不同折减速度下分析TMD参数对振动特性的影响。

【理论模型】
研究团队首先建立了包含TMD的圆柱体双向振动控制方程。其中圆柱体运动方程包含非线性刚度项(如α_x

X³
、β_x

XY²
等)，尾流振荡器模型则通过变量p、q描述涡脱过程。TMD通过附加质量块和阻尼器与主结构耦合，形成完整的双向控制系统。

【2DOF-VIV预测】
通过对比不同质量比(m_x

=m_y

=2.36-8.76)下的计算结果，验证了算法能准确捕捉"锁定"现象等VIV特征特性。特别值得注意的是，在折减速度6-9区间，模型预测结果与实验数据高度吻合。

【结论与意义】
研究发现：1)TMD在多数折减速度范围内可显著降低双向VIV振幅，X、Y方向降幅达23.56%-82.41%；2)特定工况下TMD会反常增大振幅，这一现象反而为振动能量捕获发电提供了新思路；3)TMD使阻力/升力系数曲线波形发生剧变，单/双波峰转变为三/四波峰。

该研究的创新价值在于：首次系统探索了TMD在宽雷诺数范围内对双向VIV的控制效果，揭示了TMD参数的优化规律。不仅为海洋工程结构设计提供重要参考，其发现的"反常增振"现象更开辟了海洋振动能量回收的新研究方向。相比传统方法，TMD方案具有无需维护、适应性强等显著优势，在深远海开发日益重要的今天具有特殊工程价值。