考虑非线性系泊力桁架式Spar耦合运动分析

论文摘要

桁架式Spar平台凭借其优良的运动性能已经广泛运用于深海油气开采。研究平台深海系泊缆张力的非线性特性,以及桁架式Spar平台与系泊系统之间的耦合运动特性,对深海桁架式Spar平台的设计开发具有重要的理论和工程意义。桁架式Spar平台在小位移情况下,系泊缆的力和位移关系几乎是线性的。然而,随着桁架式Spar平台大幅度的偏移,非线性特性急剧增加。研究平台系泊缆张力的非线性特性对桁架式Spar平台运动的影响具有重要的意义。本文采用悬链线系泊方式,考虑锚链线顶端水平运动和竖直运动的耦合,推导了分段式弹性悬链线方程,并根据上述理论编制程序求解了当平台发生水平和垂直位移时三段式悬链线系泊系统的非线性系泊力。对影响系泊系统系泊力的相关参数进行了研究,分析了初始状态的水平力分量、系泊缆索的顶端倾角、水深和重力压载链段水下单位重量对系泊系统系泊力的影响。由于桁架式Spar平台结构本身特点,垂荡、纵摇固有频率之比可能为2:1,此时平台会发生内共振现象,需考虑平台纵荡、垂荡与纵摇之间的耦合。本文考虑非线性系泊力,使用数值方法对平台内共振现象进行研究,并与平台无系泊时的情况进行对比。然后,研究了波面升高对平台运动的影响。最后,基于以上工作对系泊形式进行了讨论。结果表明：考虑非线性系泊力之后,纵荡与纵摇运动幅值发生跳跃的临界波高值增大,延缓了跳跃现象的发生,但是不能阻止内共振现象的发生。考虑波面升高,平台更易发生内共振现象,当波面升高较大且与平台运动相位相差90。时,将引起相对垂荡运动的大幅增加。相对垂荡运动的大幅增加,将引起平台干舷的剧烈变化,对平台的安全将造成影响。系泊形式研究结果表明,在完好状态下,平台发生内共振现象时,对等分布式系泊的纵荡与纵摇幅值小于分组式系泊纵荡与纵摇幅值,而对等分布式系泊的垂荡幅值大于分组式系泊垂荡幅值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 Spar平台技术的发展与应用
• 1.2.1 Spar平台发展
• 1.2.2 Spar平台系泊系统
• 1.2.3 Spar平台应用现状
• 1.3 Spar平台的运动特性研究现状及进展
• 1.4 本文研究内容
• 2 系泊系统研究的基本理论
• 2.1 单段悬链线静力分析
• 2.1.1 单段悬链线理论
• 2.1.2 单段悬链线方程分析
• 2.1.3 方程组求解
• 2.2 分段悬链线静力分析
• 2.2.1 分段悬链线理论
• 2.2.2 分段悬链线方程分析
• 2.2.3 方程组求解
• 2.3 锚链线刚度矩阵
• 2.3.1 锚链线刚度矩阵推导
• 2.3.2 单段锚链线回复力系数
• 2.3.3 分段锚链线回复力系数
• 2.4 本章小结
• 3 系泊系统设计参数分析
• 3.1 与相关程序计算结果的比较
• 3.2 单根系泊索刚度分析
• 3.2.1 初始水平力分析
• 3.2.2 系泊索顶端倾角分析
• 3.2.3 水深分析
• 3.2.4 重力压载链段单位重量分析
• 3.3 系泊系统刚度分析
• 3.3.1 初始水平力分析
• 3.3.2 系泊索顶端倾角分析
• 3.3.3 水深分析
• 3.3.4 重力压载链段单位重量分析
• 3.4 本章小结
• 4 系泊系统与Truss Spar耦合运动分析
• 4.1 分析模型及坐标系的建立
• 4.2 Spar平台运动方程
• 4.3 恢复力的计算
• 4.3.1 静水恢复力和静水恢复力矩计算
• 4.3.2 系泊力计算
• 4.4 内共振运动特性分析
• 4.4.1 与SESAM计算结果的比较
• 4.4.2 无系泊张力耦合运动分析
• 4.4.3 考虑系泊张力耦合运动分析
• 4.5 波面升高影响
• 4.6 系泊形式的对比
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢