铰接塔平台非线性动力响应分析

论文摘要

铰接塔平台是未来油气资源开发的重要装备,其可应用于钻井、单点系泊及装载终端等不同的作业环节。由于铰接塔本身的结构特性和海洋环境的作用,其动态响应分析涉及结构非线性和载荷非线性,至今缺乏有效的计算方法。研究铰接塔平台动力响应的预报方法及其复杂的动力特性,是铰接塔平台设计中的关键问题,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文针对深海顺应式铰接塔平台在波浪环境中的波浪载荷及运动响应问题进行了深入的理论研究。考虑恢复力矩的非线性及波浪载荷的非线性,提出了运动分析模型,综合考虑波流联合作用,建立了平台运动计算的微分方程。计算了400米高的铰接塔平台的在波浪/波流联合作用下主共振(ω=ω0)、亚谐共振(ω=2ω0)、超谐共振(ω=12ω0)。讨论了不同方向海流作用下平台系统的动力特性,以及低频波浪载荷作用下平台的非线性行为和初始条件对运动的影响。本文建立了平台固有频率的近似估算公式,提出了海流作用下平台静平衡位置的估算方法,给出了海流、摩擦系数、柱体直径、柱体单位质量和平台甲板质量等因素对平台静平衡位置的影响。通过数值模拟,揭示了波浪作用和波流联合作用下平台主共振、亚谐共振和超谐共振出现的条件以及流体阻尼C D和库仑摩擦阻尼μ对系统运动的影响,阐述了不同方向海流作用下平台系统的运动特性,计算得到了平台出现混沌运动的条件。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 顺应式平台的类型和结构形式
• 1.1.1 第一类顺应式结构:牵索塔平台（Guyed Tower）
• 1.1.2 第二类顺应式结构:张力腿平台（TLP）
• 1.1.3 第三类顺应式平台:SPAR 平台（SPAR）
• 1.1.4 第四类顺应式平台:铰接平台（ALP/AP）
• 1.2 铰接塔平台的设计与建造研究
• 1.3 铰接平台的动力响应研究
• 1.3.1 单自由度系统动力响应研究
• 1.3.2 双自由度系统动力响应研究
• 1.3.3 多铰接平台和柔性系统动力响应研究
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 力学模型及运动方程建立
• 2.1 分析模型
• 2.2 模型受力分析
• 2.2.1 假设条件
• 2.2.2 拉格朗日方程及系统合力计算公式
• 2.2.3 塔柱的运动特性
• 2.2.4 波浪与海流的动力学特性
• 2.2.5 作用于塔柱上的流体力和力矩
• 2.3 系统能量与等效力矩计算
• 2.4 运动方程的建立
• 2.5 运动方程的简化
• 2.6 误差分析
• 2.7 小结
• 第三章 铰接塔平台自由运动特性分析
• 3.1 铰接塔平台算例的基本参数
• 3.2 无阻尼自由振动
• 3.3 各种阻尼作用下自由振动响应分析
• 3.3.1 考虑流体阻尼的自由振动
• 3.3.2 考虑库仑阻尼的自由振动
• 3.3.3 考虑结构阻尼的自由振动
• 3.4 海流对平衡位置的影响
• 3.4.1 铰接塔平台在海流作用下平衡位置
• 3.4.2 海流对平衡位置影响的数值模拟
• 3.5 小结
• 第四章 铰接塔平台波浪作用下的动力响应分析
• 0 ）情况下的动力响应'>4.1 主共振（ω=ω₀）情况下的动力响应
• 0 ）情况下的动力响应'>4.2 亚谐共振（ω=2ω₀）情况下的动力响应
• 0 / 2 ）情况下的动力响应'>4.3 超谐共振（ω=ω₀ / 2 ）情况下的动力响应
• 4.4 低频波浪作用下的非线性分析
• 4.5 小结
• 第五章 铰接塔平台在波流联合作用下的动力响应分析
• 5.1 波流联合作用下主共振响应
• 5.2 亚谐共振情况下海流对运动响应的影响
• 5.3 超谐共振情况下海流对运动响应的影响
• 5.4 波流联合作用下海流方向对运动响应的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢