半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和振动阻尼器组件
阅读说明：本技术 半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和振动阻尼器组件 (Vibration damping method and vibration damper assembly for semi-submerged or submerged structures ) 是由 E·伦德 H·B·约翰森 T·伦德奎斯特 L·奥德伦德 于 2018-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于半浸没式或浸没式结构(200、210、220、300)的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件(100),其基于借助于水力钩支撑振动阻尼器组件(100)将流体动力附加质量(m<Sub>add</Sub>)与半浸没式或浸没式结构(200、210、220、300)分离,该水力钩支撑振动阻尼器组件具有弹簧和/或阻尼器特性；以及将流体动力附加质量(m<Sub>add</Sub>)用作水力钩支撑振动阻尼器组件(100)中的反作用质量。(The invention relates to a vibration damping method and a hydrohook-supported vibration damper assembly (100) for semi-submerged or submerged structures (200, 210, 220, 300) based on supporting a hydrodynamic additional mass (m) by means of the hydrohook-supported vibration damper assembly (100) add ) Separate from the semi-submerged or submerged structure (200, 210, 220, 300), the hydro-hook supporting vibration damper assembly having spring and/or damper characteristics; and adding hydrodynamic additional mass (m) add ) Used as a hydro hook to support a reaction mass in a vibration damper assembly (100).)
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法。
本发明还涉及根据权利要求11的前序部分的用于半浸没式或浸没式结构的水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明尤其涉及用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其利用所有半浸没式或浸没式结构都会经历的流体动力质量来减小振动并因此减少其疲劳失效的机会。
背景技术
许多浸没的和半浸没的海洋结构都经历动态运动、冲击和振动引起疲劳的问题。石油和天然气行业正在延长旧贮存器的寿命，增加超出其原始失效日期的旧管道中的流速。这增加了发生碳氢化合物泄漏的机会，造成了巨大的生产损失、大量的环境泄漏、维修成本以及丧失生命的风险。
振动和疲劳不仅与石油和天然气行业有关，而且其它可再生能源结构(例如风能或潮汐能、船舶和养鱼场)也可能会遇到许多相同的问题。
海洋结构可经受多种类型的动态力：半浸没式结构可能承受风、浪和洋流载荷。浸没的管道还可能会受到通过结构从机械设备传递的内部力，或者由流经管道的流体或管道中的声音产生的内部力。
许多海洋结构的共同之处是难以检查和维护水下系统。因此，海洋结构必须坚固，通常需要超过20年的使用寿命。在此时间范围内，结构必须承受由其经受的所有动态力引起的振动。
有许多不同的技术可用于控制振动。它们可以分类为主动系统或被动系统。
主动系统使用能量来减少振动，并且通常具有电子振动控制器，该电子振动控制器使用前馈和/或反馈来控制抵消运动的致动器。被动阻尼系统利用摩擦、粘性损耗或者磁损耗或其它类型的损耗来耗散能量，而无需使用外部电源。
过去在水下使用主动系统是未知的，并且在水下系统中也很少使用被动振动系统。
这种系统的例子是可在一个或多个轴上作用的粘性阻尼器和反作用质量阻尼器。粘性阻尼器是机械集总元件模型中的基本构件，具有两个连接点，通常在这两个连接点处，振动结构连接到一端，而基础连接到另一端。汽车的缓冲筒或减震器的表现就像粘性阻尼器。
反作用质量阻尼器利用次级质量的惯性来抵消振动结构的运动。被动系统和主动系统都存在。被动系统称为调谐质量阻尼器、谐波吸收器、调谐吸收器或Lanchester阻尼器。被动系统的反作用质量连接到振动结构的槽形弹簧和阻尼器元件，以产生反作用力。机械能的耗散和传递结合起来用于减少主系统中的振动。
对于浸没式应用，现有技术解决方案的缺点在于它们不适用于低频。
现有技术的解决方案还具有以下缺点：它们仅能够衰减相对窄的频率范围内的振动。
现有技术的解决方案还具有以下缺点：它们需要在其一侧布置到基础上。
现有技术的缺点还在于，如果使用多于一个的阻尼系统，则它们将相互作用/抵消彼此的功能。
现有技术解决方案的另一个缺点是它们将大的重力载荷引入到结构中。
现有技术的解决方案还具有以下缺点：它们在水下在竖直或水平方向上工作，并且被布置用于衰减瞬态或谐波力。
现有技术的另一个缺点是它们包括许多易磨损的机械零件。
现有技术的反作用质量阻尼器的另一个缺点是，它们被布置用于减小机械响应，但是没有布置成用于处理外部力，即来自环境的力。
发明内容
本发明的主要目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其部分或全部解决了现有技术的缺点。
本发明的一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，利用流体动力质量来减小半浸没式或浸没式结构中的振动。
本发明的又一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，能够通过至少一个弹簧元件和/或阻尼元件将流体动力附加质量与半浸没式或浸没式结构分离。
本发明的目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其被实现为调谐质量阻尼器或调谐吸收器，或者被实现为Lanchester阻尼器。
本发明的目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，能够在很宽的频率范围内减小振动。
本发明的目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其也用于低频。
本发明的另一个目的是提供不需要基础的用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其不与用于与根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件所布置到的半浸没式或浸没式结构连接的其它阻尼系统的功能相互作用/抵消。
本发明的另一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其由于海底的质量比大而具有很大的减振能力。
本发明的一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其不会向半浸没式或浸没式结构引入大的重力载荷。
本发明的又一个目的是提供在水下在竖直和水平方向上工作的用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其可以实施为用很少的机械元件来提供坚固的设计。
本发明的目的是提供用于瞬态和谐波力的半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的又一个目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其能够减轻由内部力和外部力引起的机械响应。
本发明的目的是提供用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其可被实施为主动或被动的水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的另一个目的是提供水力钩支撑振动阻尼器组件，其除了上述目的之外还可以为半浸没式或浸没式结构提供浮力。
本发明的目的是提供用于可伸缩的半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的一个目的是提供振动阻尼方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其减小六个自由度上的振动，从而有效地减少了给定振动问题所需的阻尼器的数量。
本发明的目的是简化和增强水力钩支撑振动阻尼器组件的调谐过程的坚固性。
本发明的其它目的将从下面的示例描述、权利要求和附图中显现。
发明描述
权利要求1中公开了根据本发明的用于半浸没式或浸没式结构的振动阻尼方法。该方法的优选特征在从属权利要求中公开。
在权利要求11中公开了根据本发明的用于半浸没式或浸没式结构的水力钩支撑振动阻尼器组件。在从属权利要求中公开了水力钩支撑振动阻尼器组件的优选特征。
仅通过肉眼观察难以理解振动结构的复杂运动，如图1所示，该图是振动细长结构及其频率响应(空气中的时域)的原理图。众所周知，该运动可以描述为多个单频运动的叠加，称为本征模/自然模，如图2所示，其示出了图1中振动细长结构的本征模。当具有单一频率的力对应于本征模的本征频率/固有频率时，会产生共振，这是本征模具有大运动的位置(称为波腹)处振动的较大放大。对于所有其它强迫频率，此特定本征模的振动将比本征频率的振动低，例如如图3中所示的用于图1和2所示的振动细长结构。对于给定的细长结构，观察到的振动将是所有本征模的运动之和。沿着细长结构的点的频谱将进一步由每个本征模的频谱之和给出。
进一步已知的是，当观察沿着振动的细长结构的点时，每个本征模的运动可以数学上描述为由等效质量meq、弹簧k和阻尼器c给出的集总质量系统，如图4所示，该图示出了集总质量系统的原理图。等效集总参数可以通过测量或仿真从连续系统中提取。
当质量经受谐波竖直力时，该简单的一自由度系统的振动响应由下式给出：
其中x是振动振幅，F是谐波力幅度，k是刚度系数，meq是质量，c是阻尼系数，ω是旋转频率，j是复数的虚数单位。
振动幅度由下式给出：
如果阻尼系数为零且强迫频率为
众所周知，当将相同的连续振动的细长结构浸没在诸如水的液体中时，结构动力学将由于与液体的相互作用而改变。该动力学领域称为流体动力学。
可以将连续系统分解为一组相似的模式形状，并且可以将全部响应描述为模式的叠加，类似于处于空气中的细长结构(图2)。沿细长结构的点处的响应也可以分解为每个作为具有给定频谱的集总质量表示的本征模响应的叠加。与空气的主要区别在于流体动力效应会改变模型的参数。对于低粘性液体(例如水)，与空气相比，附加阻尼系数可以忽略不计。另一方面，对于浸没在水中的细长结构，附加质量将很大。该附加质量被称为附加的质量或流体动力附加质量，并且可以被认为是当细长结构在水中振动时围绕细长结构的附加质量层，如图5所示，该图是管道动力学模型的原理图。
沿着细长结构的点的集总质量表示可以表示为附加的质量的原始表示，该质量直接连接到先前描述的等效质量，如图6所示，该图是浸没集总质量系统的原理图。
液体的流体动力附加质量效应对于易于振动的结构而言是麻烦的。振动响应将更高，并且通过缓解技术来抑制振动将更加困难。前者可以在每个本征模的点响应的表达式中看到：
根据本发明，提供了方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其利用流体动力附加质量作为水力钩支撑振动阻尼器组件中的反作用质量，以呈现弹簧和/或阻尼器特性的。
在进一步的描述中使用的术语结构除了主要结构之外，还包括结构的延伸部、用于结构的支撑结构、或用于将水力钩支撑振动阻尼器组件布置到结构、结构的延伸部或用于结构的支撑结构上的水力钩支撑振动阻尼器支撑结构。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件是基于借助于至少一个弹簧元件和/或阻尼器元件将流体动力附加质量从半浸没式或浸没式结构中分离的。以此方式，可以将流体动力附加质量用作水力钩支撑振动阻尼器组件中的反作用质量，如图7所示，该图是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的主要原理的原理图。这种变化将流体动力附加质量从一个问题转变为受益于它的使用，因此，它使众所周知的阻尼技术得以实现和定制以用于水下。
因此，根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件被布置成借助于布置在部分或全部包围该结构的阻尼器空间中的至少一个弹簧元件、至少一个阻尼元件或这些的组合来将流体动力附加质量从半浸没式或浸没式结构中分离，其中该阻尼器空间由外部覆盖物提供。
包括用于分离流体动力附加质量的带有或不带有阻尼元件的弹簧元件的水力钩支撑振动阻尼器组件可以被视为调谐质量阻尼器(TMD)或调谐吸收器，如图8所示，该图是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的实施例的原理图。如果水力钩支撑振动阻尼器组件仅包括至少一个阻尼元件，则可以将其识别为Lanchester阻尼器，如图9所示，该图是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的实施例的原理图。
具体地，在高层建筑、桥梁、电力线、汽车和飞机的许多应用中，已将调谐质量阻尼器用于减少共振。
分别与要求阻尼器的两端附接到运动刚性部分的粘性阻尼器或减震器型阻尼器相比，根据上述实施例的水力钩支撑振动阻尼器组件不需要任何基础。此外，如上所述，如果根据相关的振动结构正确调谐/设定了组成参数(madd、c和k)，则与无阻尼响应相比，根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件将在宽范围的频率上提供显著的减振效果。
根据本发明的为调谐质量阻尼器形式的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的主要优点在于，对于给定质量比μ＝madd/meq，减振将大于根据本发明的为Lanchester阻尼器形式的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，尤其是对于低质量比而言。本发明的质量比在几乎任何情况下都将大于1，这与使用反作用质量阻尼器(TMD或Lanchester)的大多数其它结构和应用相比是非常大的。为Lanchester阻尼器形式的根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的性能将朝着具有高质量比的TMD的性能收敛。
因此，Lanchester阻尼器是指一种反作用质量阻尼器，它没有弹簧元件，最多可衰减三个自由度的旋转振动/运动，本发明应被视为一种新颖的阻尼方法；不带弹簧元件的反作用质量阻尼器，可通过水力钩支撑(HHS，Hydro Hook Support)振动阻尼器提供六个自由度的阻尼。
因此，本发明提供了在反作用质量阻尼器中利用流体动力质量的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件具有许多其它常规阻尼器所没有的优点。
该方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的主要优点在于，水力钩支撑振动阻尼器组件可以设置成没有固有频率，这将适应多个TMD可能对振动结构产生的、同样将影响其它阻尼器功能的有害相互作用。这意味着，根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的工程设计将比使用TMD更加容易，因为只要将水力钩支撑振动阻尼器组件布置到振动的结构的一部分，该功能就几乎可以得到保证。这也意味着需要更少数量的水力钩支撑振动阻尼器组件来将振动降低到可接受的水平。
通过本发明，提供了方法和水力钩支撑振动阻尼器组件，其提供了适用于低频工作的解决方案。这将是有利的，因为大多数海底应用问题都与低频有关，并且缺乏在两端附接粘性阻尼器的基础。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的优点在于，它能够在很宽的频率范围内衰减振动。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个显著优点是不需要基础。
本发明相对于现有技术的另一优点在于，它不与用于与根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件所布置的结构结合使用的其它阻尼系统的功能相互作用/抵消。
另一个优点是，由于海底的质量比大，根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件具有很大的减振能力。
相对于现有技术的优点在于，本发明不会将大的重力载荷引入半浸没式或浸没式结构。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个显著优点是，它在水下可以在竖直和水平方向上工作。
本发明的另一个优点是，根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件可以实现用很少的机械元件来提供坚固的设计。
另一个优点是，根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件对于瞬态力和谐波力均起作用。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的显著优点还在于能够减轻由内部力和外部力引起的机械响应的能力。
根据本发明的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个优点是，水力钩支撑振动阻尼器组件可以被实现为主动或被动的水力钩支撑振动阻尼器组件。对于水下/浸没应用，由于恶劣的环境且不需要外部电源，通常优选使用被动水力钩支撑振动阻尼器组件。
本发明的一个显著优点是，在绕半浸没式或浸没式结构的纵向轴线旋转(扭转)和绕半浸没式或浸没式结构的纵向轴线倾斜时，它不仅与径向运动有关，而且也可轴向作用。因此，本发明提供了具有六个自由度的方法和水力钩支撑振动阻尼器组件。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的优点还在于，它可以分成多个区段，从而可以针对现有的半浸没式或浸没式结构进行改型。
本发明的另一个优点是它引入了少量的静态阻力，这是半浸没式和浸没式结构的已知问题。
本发明的另一个显著优点是它能够吸收谐波和瞬态应力(振动和猛击)。
本发明的另一个优点是它将进一步在线性和非线性结构上工作。
本发明的优点还在于，它提供了一种可扩展的解决方案，使其能够容易地适应从小/短结构到非常大/长结构的任何结构。
本发明的另一个优点是，它可用于代替半浸没式或浸没式结构中用于涡流诱发振动(VIV)的其它机构，例如螺旋形的风道和整流罩。
本发明的优点在于，如果期望或要求，则可以将其实现为可调的。
本发明的另一个优点是，其为实施半浸没式或浸没式结构提供了简单且成本有效的解决方案。
本发明的其它优选特征和有利细节将从下面的示例说明、权利要求和附图中显现。
附图说明
以下将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1是振动细长结构及其频率响应的原理图，
图2是示出图1中振动细长结构的本征模/自然模的原理图，
图3是图2中给定位置处的频率响应的原理图，
图4是集总质量系统的原理图，
图5是管道动力学模型的原理图，
图6是浸没集总质量系统的原理图，
图7是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的主要原理的原理图，
图8是根据本发明实施例的水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图，其可以被认为是调谐质量阻尼器，
图9是根据本发明实施例的水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图，其可以被认为是Lanchester阻尼器，
图10a-b是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的外部覆盖物的示例的原理图，
图11a-b是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个实施例的原理图，
图12-15分别是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的其它实施例的原理图，
图16a-b是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个实施例的原理图，其包括在结构的纵向方向上彼此排列的多个水力钩支撑振动阻尼器组件，
图17是水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图，其分为多个区段，
图18是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个实施例的原理图，
图19a-d是在所有六个自由度上产生的流体动力附加质量的原理图，
图20a-e是其上布置有根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的结构的原理图，
图21a-e是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一实施例的原理图，其布置到不同的结构上，
图22a-c是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一实施例的原理图，其布置到不同的结构上，
图23a-c是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个实施例的原理图，
图24a-c是围绕结构布置的根据本发明的几个水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图，
图25a-b是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的另一个实施例的原理图，
图25a-b是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图，其布置成围绕结构的一部分，以及
图26-28是布置到结构上的根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件的原理图。
具体实施方式
可以通过许多不同类型的设计来实现根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100，这将在下面描述。
可以通过以下方式来实现反作用质量madd，即水力钩支撑振动阻尼器组件100包括外部覆盖物110，该外部覆盖物布置成部分或全部围绕结构200、210、220、300的一部分或一部段。
根据本发明的结构200通常是石油和天然气工业中用于海底使用的管道，例如SCR(刚性或柔性)立管(如图26所示)(出口、钻探、生产)、跳线、弹性环、出口以及运输管道和管路就是一些示例。结构200的其它示例是突出阀。结构200的其它示例可以是半浸没式或浸没式海上设施的支撑结构220或结构构件(例如梁或杆)，如图20a-b所示。在图20c中示出了在结构200的延伸部210上使用水力钩支撑振动阻尼器组件100，在图20d中示出了水力钩支撑振动阻尼器组件100布置到支撑结构220上的示例。在图20e中示出了根据本发明的作为结构200的整体设计的水力钩支撑振动阻尼器组件100的布置的示例。
根据本发明的结构还可以是水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300。水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300是这样一种固体结构，其可用于将水力钩支撑振动阻尼器组件100布置在待阻尼结构200、210、220的外部/远方，并将来自结构200、210、220的振动传递到水力钩支撑振动阻尼器组件100，如将在图21a-b、22a-c和23a-b中讨论的那样。
术语结构将在下面用于主要结构200、结构的延伸部210、结构的支撑结构220以及水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300。
这些仅是本发明适用的结构200、210、220、300的一些示例，下面将讨论其它示例。
进一步的示例描述将主要涉及细长的主要为管状的结构200，例如管道、管线、管或管路、缆线或缆线组件、线材、链等，但是本发明不限于细长的管状结构，如下所述。
外部覆盖物110具有比结构200、210、220、300大的外周，并且布置成在其周向方向上围绕结构200、210、220、300的部分或部段。外部覆盖物110将进一步在结构200、210、220、300的部分或部段的纵向方向上显示出长度，以在结构200、210、220、300的部分或部分的外表面和外部覆盖物110的内周之间提供阻尼器空间111。
因此，外部覆盖物110将提供围绕结构200、210、220、300的一部分/部段的封闭，但是在一些实施例中可以主要包围整个结构200、210、220、300。说明书的以下部分将主要涉及包围细长结构200、210、220、300的一部分/部段的外部覆盖物110，但是还将描述其它替代方案。
外部覆盖物110还可在其端部处设置有密封件112，以密封结构200、210、220、300，并提供与围绕结构200、210、220、300的水分离的密封的阻尼器空间111。密封件112可以例如是橡胶波纹管、套筒、垫圈、密封件或类似物，但是也可以是更复杂/先进的机械解决方案，这对于本领域技术人员将是显而易见的。
因此，如图19a-d所示，在外部覆盖物110的所有六个自由度上都产生了流体动力附加质量或附加惯性(反作用质量)。三个平移自由度，轴向(图19b)+2x侧向(图19a)，三个旋转自由度，扭转(图19d)+2x摆动(图19c)。
现在参考图10a-b，其示出了根据本发明的用于水力钩支撑振动阻尼器组件100的外部覆盖物110的示例。外部覆盖物110的设计可以是从简单的圆柱形覆盖物到包括翅片113、格栅114、间隔件115的更高级的设计或布置成除了作为外部覆盖物之外还向水力钩支撑振动阻尼器组件100提供次要效果(即减少涡旋脱落和由于外力而引起的振动，例如涡流诱发的振动(VIV))的其它设计的任何设计。
重要的是，所使用的外部覆盖物110的几何形状/设计具有可能的最小静态阻力系数，但具有最大动态阻力系数。当静态阻力系数高时，会产生高静态力，这对于大水流流过的浸没式结构200、210、220、300是常见的问题。因此，借助于根据本发明的外部覆盖物110的所示设计，静态阻力被保持为最小。当动态阻力系数高时，会产生高流体动力质量，这是阻尼器质量所要求的，并且对于获得高性能而言是优选的。申请人进行的计算表明，基本上垂直于彼此从外部覆盖物110绕周向外延伸的四个小翅片113将产生的流体动力质量约为具有相同外径的缸的流体动力质量的1.4倍。
应当提及的是，外部覆盖物110的所示替代仅是示例性实施例，并且外部覆盖物110可以与此不同，例如翅片113具有不同的形状和尺寸，并且翅片113的数量可以比所示实施例高或低。
此外，根据本发明，阻尼器空间111可以填充有密度低于环境液体(在示例中为水)的材料，从而为需要中性浮力或正浮力的结构200、210、220、300提供浮力。根据本发明，结构200、210、220、300的现有浮力元件(未示出)也可以用作根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的外部覆盖物110，或者根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100与结构200、210、220、300的浮力元件(未示出)结合使用。
根据本发明，可以通过以下方式实现浮力：使阻尼器空间111填充有空气，或者在外部覆盖物110上设置具有浮力的间隔件115，在环形间隔件130(如图16a所示)中或在单独的内层或间隔件132(如图16b所示)中的浮力，或者外部覆盖物110中的浮力。
现在参考图11a-b，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。阻尼系数c可以通过位于外部覆盖物110和结构200、210、220、300之间的阻尼器空间111中的粘性流体层116来实现。如果粘性足够高以产生必要的阻尼，则可以在粘性液体层116中使用诸如沥青(即柏油)、硅酮流体或其它类型的粘弹性聚合物之类的不同类型的流体。粘性流体层116的厚度应适应水力钩支撑振动阻尼器组件100的必要的全范围运动。
现在参考图12，该图是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图，为图11a-b的实施例提供了实现阻尼系数c的替代解决方案。在图12中的水力钩支撑振动阻尼器组件100的实施例中，阻尼系数c通过具有高导电率的板118和磁体或磁体组件117来获得。根据所示的实施例，两个板118布置成主要从结构200、210、220、300的外周垂直地朝向外部覆盖物110的内周延伸，并且在结构200、210、220、300的纵向方向上间隔开，即在阻尼器空间111中延伸和间隔开，但不与外部覆盖物110接触。根据所示的实施例，磁体或磁体组件117布置成主要从外部覆盖物110的内周垂直地朝向结构200、210、220、300的外周延伸，即在阻尼器空间111中延伸，布置成磁体或磁体组件117在板118之间延伸。因此，通过使用具有高导电率的板118和磁体或磁体组件117，可以提供涡流阻尼元件。板118可以替代地布置到外部覆盖物110，并且磁体或磁体组件117布置到结构200、210、220、300。此外，多个这样的涡流阻尼元件可以在阻尼器空间111内沿结构200、210、220、300的纵向方向间隔开地布置。磁体或磁体组件117可以例如包括强稀土磁体，并且板118可以例如是铜或铝板。当磁体或磁体组件117靠近板118移动时，将在板118中产生交流电。交变电流将产生交变磁场，该交变磁场将对抗磁体或磁体组件117的运动，从而降低磁体或磁体组件117的速度并由此引入阻尼。
现在参考图13，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。根据本发明，通过利用诸如线材、链等的紧固装置119将外部覆盖物110布置到结构200、210、220、300，可以针对水平振动结构200、210、220、300实现刚度系数k，其中紧固装置119在一个端部处布置到结构200、210、220、300，在另一端部处布置到外部覆盖物110的内周，其中结构200和外部覆盖物110中的用于紧固装置119的紧固点在外部覆盖物110的纵向方向上移动，以便以这种方式提供摆动。通过改变紧固装置119的长度，即摆动，可以调谐水力钩支撑振动阻尼器组件100的频率。
现在参考图14，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。在该实施例中，将外部覆盖物110与结构200、210、220、300分开的密封件112还可以另外充当用于水力钩支撑振动阻尼器组件100的弹簧元件。根据本发明，使密封件112具有弹簧功能可以这样来实现，即密封件112由诸如弹性体/橡胶之类的弹性材料形成，该弹性材料能够提供具有必要的刚度的波纹管/垫片/套筒/密封件。
现在参考图15，其示出了根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图，其是图14的实施例的替代实施例。在该实施例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100设置有一个或多个机械弹簧或弹簧组件120，该机械弹簧或弹簧组件在结构200、210、220、300的外周与外部覆盖物110的内周之间延伸，布置在阻尼器空间111中的粘性层116中。
现在参考图16a，其示出了根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例，其中多个分离的水力钩支撑振动阻尼器组件100在结构200、210、220、300的纵向方向上彼此布置。根据本发明，可以通过环形间隔件130将多个水力钩支撑振动阻尼器组件100彼此布置，该环形间隔件将水力钩支撑振动阻尼器组件100保持在结构200、210、220、300的适当位置。环形间隔件130优选地设置有用于水力钩支撑减震器组件100的外部覆盖物110的滑动表面131。环形间隔件130的滑动表面131可以具有低摩擦或高摩擦。在高摩擦下，粘性层116可以被不可压缩的流体例如水代替。因此，滑动表面131可用于为阻尼器组件100提供期望的阻尼系数c。环形间隔件130将进一步充当结构200的浮力元件。
现在参考图16b，该图是图16a所示实施例的修改实施例的原理图。在图16b所示的实施例中，在粘性层116和细长结构200之间布置有内层或纵向间隔件132。这将使得几个水力钩支撑振动阻尼器组件100的组件能够形成阻尼器单元，该阻尼器单元易于针对半浸没式或浸没式细长结构200进行改型。内层或纵向间隔件132可以进一步充当类似于环形间隔件130和外部覆盖物110的浮力元件。
如上所述，图16a-b中的粘性层116可用摩擦表面、涡流阻尼和/或弹簧代替。
此外，彼此布置的水力钩支撑振动阻尼器组件100可布置成覆盖不同的振动频率范围。
现在参考图17，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100还可以被布置针对现有的结构200、210、220、300通过以下方式进行改型，即其被分成区段100a，这些区段通过设置有能够由潜水员或ROV操纵的卡扣或夹紧机构140而相互连接。这也将使水力钩支撑振动阻尼器组件100的区段100a能够沿结构200的周向方向布置，以用于大直径结构200、210、220、300。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的长度可以从非常短的小于结构200、210、220、300的直径的长度变化到非常长的长度。根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100应允许振动结构200、210、220、300自由移动而不接触外部覆盖物110。质量比率将不受长度的影响，因为与振动结构200、210、220、300的每长度质量特性相比，该比率由外部覆盖物110的横截面几何形状给出。
由于流体动力质量与振动结构200、210、220、300的分离并且使用环境水代替常规TMD中通常使用的金属质量，根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100将不会向结构200、210、220、300增加流体动力或重力载荷。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100将保持外部覆盖物110接近中性浮力，从而产生流体动力反作用质量效应。这将防止外部覆盖物110始终与振动结构200、210、220、300接触，从而允许根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100在竖直和水平方向上取向。
根据本发明的用于水力钩支撑振动阻尼器组件100的外部覆盖物110不需要用任何特定的材料制成，但是塑料或复合材料是最有可能的，原因在于其接近中性浮力并且生产容易且成本低廉。外部覆盖物110的材料可以是刚性的或柔性的，并且具有附加的阻尼。现在参考图18，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图，该组件布置成针对上述弹簧元件112、119、120和/或阻尼元件116、117、118串联地引入刚度和/或阻尼。根据本发明，这可以通过外部覆盖物110由刚性或柔性材料制成来实现。
现在参考图21a-b，其是本发明的另一实施例的原理图，其中根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100被布置到水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300上。该水力钩支撑振动阻尼器支撑结构布置到待阻尼的结构200、210、220。在该实施例中，固体支撑结构300由夹具组件形成，该夹具组件包括两个用于布置到结构200、210、220的夹具301并且还包括从相应夹具301延伸的杆302和连接杆302的杆303，水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300将水力钩支撑振动阻尼器组件100定位在结构200、210、220的外部/远方，其中水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300将传递来自结构200、210、220的振动通过夹具301和杆302、303传递到水力钩支撑振动阻尼器组件100。在图21a的所示示例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100包围杆303，该杆303通过杆302和夹具301与待阻尼的结构200、210、220刚性连接。应当指出，上述实施例也将适用于该实施例。图21a-b中的结构200、210、220可以例如是运输管到或海缆。在图21c中示出了基于该原理的水力钩支撑振动阻尼器组件100的示例，其在海底应用中布置在支撑结构200、210、220上。
如图21b中所示，杆302和303可以相对于彼此以不同的角度布置，从而使得水力钩支撑振动阻尼器组件100可以相对于结构200、210、220布置在不同的位置中，例如布置到管道弯曲部的两侧。
在图21d-e中示出了将水力钩支撑振动阻尼器组件100布置到为跳线和柔性环的形式的结构200上的示例，其中图21d示出了其中水力钩支撑振动阻尼器组件100被布置成包围跳线和柔性环的一部分/部段的示例，而图21e示出了使用上述的水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300来将水力钩支撑振动阻尼器组件100布置到跳线和柔性环上的示例。
现在参考图22a-c，其示出了水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300的另一实施例的示例，其为固定到结构200、210、220的杆302或棒的形式，其中水力钩支撑振动阻尼器组件100如上所述地布置杆302或棒。图22a示出了防喷器叠堆的阻尼，而图22b-c示出了用于海上风力涡轮机的支撑结构的阻尼，所述海上风力涡轮机的支撑结构分别固定至海床(支柱、张紧腿)和是浮动的/可半浸没的。
现在参考图23a-b，其示出了根据本发明的用于布置到待阻尼的结构200、210、220上的水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300和水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。在该实施例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100大致和上述实施例一样，具有一些修改，下面将对该修改进行讨论。在图23a所示的实施例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100设置有中央浮力模块150，该中央浮力模块布置成向水力钩支撑振动阻尼器100提供中性浮力。水力钩支撑振动阻尼器组件100在中央浮力模块150的每一侧都设置有包含粘性流体116的容器160。在该实施例中，水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300不包括延伸穿过水力钩支撑振动阻尼器组件100的杆303，而是包括从每一侧延伸到容器160中并与粘性流体116接触的两个杆303a。
因此，在该实施例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100仅包围水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300的杆303a的端部部分。同样，该实施例可以将上述实施例用于水力钩支撑振动阻尼器组件100。
此外，该实施例的功能非常类似于包括穿过整个水力钩支撑组件100的杆303的水力钩支撑振动阻尼器组件100，但是现在阻尼分布在两个杆303a上，而不是沿着整个杆303分布。该实施例的优点在于，将更易于分离用于旋转运动的阻尼特性，并且将能够实现更易于制造的更简单且坚固的设计。进一步的优点是，由于较少的排水区域使用将使其更容易泄露的粘度较高的粘性流体，因此可以实现单独的浮力模块，并且可以通过使用不同几何形状的杆303a来控制和调谐轴向和径向阻尼参数。
在图23b中示出了图23a中实施例的替代实施例，其中容器160是密封的，并且伸入容器160的杆303a设置有用于在容器160的外表面处连接到水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300的接头170，并且还可能使用经由接头170连接到杆302的中间杆部分303b。该实施例将与图23b中描述的实施例一样工作，但是将为待阻尼的结构200、210、220提供就地更简单的布置。
现在参考图24a-c，其是将若干水力钩支撑振动阻尼器组件100布置到相同结构200、210、220的原理图。在图24a中示出了如上所述的实施例，其中一个水力钩支撑振动阻尼器组件100借助于水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300布置到结构200、210、220。在图24b中示出了一个实施例，其中两个水力钩支撑振动阻尼器组件100借助于水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300布置到相同的结构200、210、220，其中水力钩支撑振动阻尼器组件100布置在结构200、210、220的相对两侧。在图24b中示出了一个实施例，其中三个水力钩支撑振动阻尼器组件100借助于水力钩支撑振动阻尼器支撑结构300围绕相同结构200、210、220的周向布置，其中水力钩支撑振动阻尼器组件100沿着结构200、210、220的周向分布，在该示例中，它们彼此之间以大约120度定位。
现在参考图25a-b，其是根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的另一实施例的原理图。在该实施例中，外部覆盖物110设置有沿结构200的纵向方向或结构200的竖直方向延伸的翅片113。翅片113不限于所示的实施例，并且可以在竖直和水平方向两者上延伸，并且展现出如上所述的其它形状或图案。在该实施例中，结构200的外表面201将用作水力钩支撑振动阻尼器组件100的内部限制部，并且其中外部覆盖物110呈现出与结构200的外表面201相对应的形状。外覆盖物110在其端部处进一步设置有密封件112，以密封结构200的外表面201，并且在结构的外表面201和外覆盖物110之间提供密封的阻尼器空间111，该密封的阻尼器空间与水分离，可填充有粘性流体116的。密封件112可以例如是橡胶波纹管、套筒、垫圈、密封件或类似物，但是也可以是更复杂/先进的机械解决方案，这对于本领域技术人员将是显而易见的。密封件112可以进一步布置成将水力钩支撑振动阻尼器组件100固定到结构的外表面201，或者外部覆盖物110可以通过合适的紧固装置(未示出)布置到结构200的外表面201。因此，水力钩支撑振动阻尼器组件100的该实施例提供了一种解决方案，其中水力钩支撑振动阻尼器组件100可以用作结构200的外表面201的覆盖物、涂层或覆层。在替代实施例中，水力钩支撑振动阻尼器组件100包括在外部覆盖物110与结构200的外表面201之间的容器160，以用于容纳粘性流体116，其中容器160具有与结构200的外表面201相对应的内部形状和与外部覆盖物110的内部形状相对应的外部形状。通过将外部覆盖物110固定到容器160上并将容器160固定到结构200的外表面201，可以将水力钩支撑振动阻尼器组件100布置到结构200上。应当注意的是，该实施例也可以利用上述用于水力钩支撑振动阻尼器组件100的替代方案。
在所附权利要求的范围内，根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的上述实施例可以组合以形成其它修改的实施例。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100可以用于所有类型的可能具有水下振动问题的半浸没式或浸没式结构200、210、220、300，如图所示并通过说明书所讨论的。结构200、210、220、300的尺寸不限制设计，振动的幅度或操作频率也不限制设计。
水力钩支撑振动阻尼器组件100特别适用于半浸没式或浸没式的细长的主要管状结构200、210、220、300，例如为钻探立管形式的细长管道，其中由于高水下洋流而可能在一年中的某些时间段内停止操作。在立管的一部分或整个长度上增加上述水力钩支撑振动阻尼器组件100既可以通过外部抗VIV几何结构减小VIV力，又可以利用水力钩支撑振动阻尼器组件100的调谐质量阻尼器效果减少来自内部力和外部力引起的共振振动(流动引起的振动(FIV)、波浪载荷等)。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100适用的另一个管道示例是跳线和柔性环。跳线和柔性环是将井口连接到歧管的柔性管道，并且必须是柔性的以实现连接并适应由于井的增长、热膨胀、位置误差等引起的公差。众所周知，由于来自井流的高推力，跳线和柔性环存在FIV问题，而根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100可以缓解这些问题。
其它细长的海底管道可能同时受到FIV、VIV和流致脉动(FLIP)的影响。如上所述，可以通过根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100来减轻来自所有力的振动。
根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100适合的其它应用是用于浸没式或半浸没式结构200、210、220、300的结构构件，例如用于海上平台或风力涡轮机的支撑结构，其中期望材料量最少，但由于动态和静态载荷而使得结构完整性至关重要。根据本发明的水力钩支撑振动阻尼器组件100的增加将减少来自波浪、风、洋流等的动态载荷，类似于如先前所述的管道振动的减小。减小对风力涡轮机的动态载荷的影响还将提供风力涡轮机的更高的功率效率操作，因为可以减小桨距的变化，因此风力涡轮机相对于风向将具有较小的运动。
将从本发明的使用中受益的其它结构是接管、淡水供应装置、海缆、张紧腿(参见图27)和系泊索(参见图28)(缆线、线材、链)、以及所有种类的运输管道或管(用于油气、水、鱼粉等)。
因此，本发明将适用于所有需要阻尼振动的浸没式或半浸没式结构。
变型形式
根据本发明的变型，可以通过水力钩支撑振动阻尼器组件来激活流体动力附加质量，该水力钩支撑振动阻尼器组件设置有用作主动水力钩支撑振动阻尼器组件的致动器。根据本发明，这可以通过以下方式实现：将水力钩支撑振动阻尼器组件布置到结构的表面或侧面、结构的延伸部、用于该结构的支撑结构或水力钩支撑振动阻尼器支撑结构，而不是如以上对于某些实施例所述的将其完全封闭来实现。替代地，这可以通过以下方式实现：设计外部覆盖物，使其在不同方向上具有不同的流体动力质量，从而获得不同的阻尼特性，以满足结构、结构的延伸部、结构的支撑结构或水力钩支撑振动阻尼器支撑结构必须具有的不同本征频率。在另一替代方案中，这通过使用摩擦盘以增加阻尼而实现。
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