非线性能量阱：未来海洋工程抗流激振动的利器？

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导读：为了探究刚性连接的多柱体系统的振动特性，西北工业大学陈东阳教授团队开展了刚性连接四柱体系统涡激振动特性及基于非线性能量阱（Nonlinear Energy sink, NES）减振研究。

2月17日15时，2025科研创新仿真应用技术报告会第二期将邀请西北工业大学张新盛博士（论文第一作者）做《刚性连接四柱体系统涡激振动特性及基于非线性能量阱减振研究》公开课，介绍涡激振动的基本理论、柱体系统动力学模型建立和柱体系统涡激振动数值模拟，欢迎大家报名和分享给感兴趣的用户。

西北工业大学张新盛博士

张新盛（第一作者），西北工业大学博士，现从事流固耦合及流致振动研究。擅长：FLUENT流固耦合仿真,FLUENT二次开发

陈东阳（通讯作者），西北工业大学海洋研究院副教授，博士生导师，姑苏领军人才，SCI特刊主编，绿色船舶与海工平台方向负责人，主要研究方向包括水下航行器总体结构设计、复合材料舵系统动力学设计、海工平台动态管缆及附件总体设计、绿色船舶与水面推进技术、多体系统流固耦合动力学与减振降噪，主持科研项目30余项，包括军口国家级重大项目分承研项目、军口国家级重点项目、国家自然科学基金面上、青年项目等，近5年在Physics of Fluids、Ocean Engineering、Nonlinear dynamics等高水平期刊上发表论文70余篇，出版专著2部、教材1部、授权/受理发明专利42项、登记软件著作权12项，获中国造船工程学会科技进步一等奖（R5）、中国造船工程学会科技进步二等奖（R3）、中国纺织工业联合会科技进步二等奖（R3）、中国商业联合会科技进步二等奖（R3）。

一、刚性连接四柱体系统涡激振动特性

涡激振动（VIV）是指流体流经物体时，流体分离形成的涡流与物体振动相互作用，导致物体产生周期性振动的现象。涡流的形成与流速、物体形状及刚度密切相关，振动频率通常与涡流脱落频率相匹配。当流速超过一定阈值时，涡激振动可能引起结构疲劳甚至破坏。

在深海油田开发中，张力腿生产平台和半潜式钻井支撑平台等结构常采用圆形截面的多柱体系统，柱体之间通过横向管道刚性连接。由于柱体管道排列紧密，且容易受到风、浪等环境耦合作用，平台牵引力常导致结构受迫振动，从而可能导致柱体管道间的破坏。因此，深入研究其涡激振动特性对于设计与优化这些结构至关重要。

二、研究的价值及应用场景

在海洋工程领域，多柱体结构如半潜式平台、张力腿平台以及海洋立管等广泛应用。刚性连接四柱体系统涡激振动特性研究对其意义重大。通过深入了解该特性，工程师能够精准分析平台和立管在复杂海况下的振动响应，从而优化结构设计，像合理规划柱体间距与连接方式，有效降低涡激振动引发的疲劳损伤，极大提升海洋工程结构在恶劣海洋环境中的安全性与稳定性，延长使用寿命。

桥梁工程中，多柱式桥墩和桥梁拉索是常见结构。借助刚性连接四柱体系统涡激振动特性的研究成果，可准确剖析桥墩在不同风况下的振动规律，以及拉索的振动特性。基于此，工程师能针对性地开展抗风设计，例如优化桥墩截面形状、尺寸与墩间连接形式，或对拉索安装阻尼器等，显著增强桥梁结构的抗风能力，有力保障桥梁在服役期间的安全。

海上风电工程方面，无论是多桩式基础、导管架基础，还是塔筒结构，都与刚性连接四柱体系统相关。研究其涡激振动特性，有助于深入掌握风电基础和塔筒的振动响应，为结构设计、材料选择以及优化布置提供关键依据，进而确保海上风电设施在复杂海洋气象条件下稳定运行，降低振动对设备的不良影响，保障发电效率和设备安全。

接下来我们来看一下刚性连接四柱体系统的动力学模型的具体内容

三、刚性连接四柱体系统的动力学模型

基于计算流体力学（CFD）、结构动力学及嵌套网格技术，建立了双自由度刚性连接四柱体系统的动力学模型。通过该模型，分析了在不同来流角度下刚性连接四柱体系统的振动特性。

图1 装有NES的刚性连接四柱体系统

四、不同来流角度下四柱体系统涡激振动特性

当来流角度为0°时，Ur=7时振幅最大为0.75左右。当来流角度增大时，四柱体系统的最大振幅减小，同时振幅峰值减小，对应的约化速度减小，同时锁定区域范围减小。

图2 刚性连接四柱体横向无量纲振幅和频率比

随着来流角度的增大，当下游圆柱向上运动还未达到最高点时，上游圆柱脱落的涡遇到下游圆柱继续发展，并跟侧面的两个圆柱所产生的涡相结合，从下游圆柱的两侧向尾流移动，对下游圆柱的振动产生了相反的作用力，一定程度上抑制了刚性连接四柱体系统的振动。

图3 来流角度0°刚性连接四柱体系统（U_r=7）涡量云图

五、非线性能量阱减振技术

非线性能量阱减振技术通过引入非线性元件（如滞回阻尼器、调谐质量阻尼器等）有效吸收和耗散振动系统中的能量，从而减小振动幅度。与传统的线性减振装置不同，非线性减振系统能够在较广泛的频率范围内工作，具有较强的适应性，特别适用于复杂振动环境。通过设计适当的非线性特性，可以实现高效的能量转移与吸收，显著提高减振效果，减少系统的振动响应。