Spar平台垂荡—纵摇耦合非线性运动特性研究

论文摘要

Spar平台为适应水深500米3000米的新型平台。由于其构造的特点,垂荡和纵摇频率比较接近,而纵荡频率远低于垂荡和纵摇频率,因此,考虑垂荡和纵摇之间的耦合关系,研究平台耦合运动的非线性动力学特性,对于全面认识和把握平台在复杂海洋环境下的运动特征,确保平台安全,意义重大。本课题应用非线性动力学理论和方法,研究Spar平台在复杂海洋环境载荷作用下的非线性运动特性和运动稳定性,以及考虑系泊张力影响时的平台垂荡与纵摇运动耦合特性分析。本文主要工作和结论如下:综述了深海平台的发展现状,重点对Spar平台国内外研究进展进行了综述,分析和评述了Spar平台运动特性方面存在的主要问题,明确了本文的研究方向。将Spar平台简化为孤立、截断、直立漂浮柱体,应用一阶绕射理论编程求得垂荡和纵荡的波浪激励力、纵摇的波浪激励力矩;应用一阶辐射理论计算纵荡的附加质量系数和附加阻尼系数、垂荡的附加质量系数和附加阻尼系数及纵摇的附加转动惯矩系数和附加转动阻尼力矩系数。为适应求解垂荡与纵摇耦合运动的线性强参数激励方程,提出了强参数激励Mathieu方程的求解方法,通过引入新的变换,将强参数激励问题转化为弱参数激励问题,应用改进的变形参数法求其二阶近似周期解和过渡曲线。通过过渡曲线确定了不稳定区域,研究了周期解的稳定性,得到了判断发生倍周期分岔的参数值。忽略系泊张力影响,考虑垂荡与纵摇之间的耦合关系,建立Spar平台主体垂荡与纵摇耦合运动的非线性参激方程,垂荡运动方程考虑波浪激励力的影响而纵摇运动方程忽略波浪激励力矩的影响。在平台垂荡与纵摇固有频率比近似满足2:1内共振关系时,获得分岔响应方程,研究平台运动的局部分岔特性和周期解的稳定性。分析了内共振情况下,Spar平台运动特性有渗透和跳跃现象发生。在不考虑阻尼且波浪频率、垂荡固有频率与纵摇固有频率满足一定关系时,零解会发生Hopf分岔。根据Routh-Hurwitz判据,得到垂荡运动非零解的稳定区域,增大纵摇阻尼可减小垂荡运动的不稳定区域。考虑波浪频率是垂荡与纵摇频率之和,分别考虑有无系泊张力,研究组合共振情况时平台的运动特性。根据多尺度方法获得了平台垂荡与纵摇固有频率比近似满足2:1内共振关系时的分岔响应方程,分析了局部分岔特性和周期解的稳定性。根据Routh-Hurwitz判据,得到了零解的稳定区域,增大垂荡和纵摇的阻尼可减小不稳定区域。分别考虑系泊张力和忽略系泊张力的影响,应用数值方法分析垂荡-纵摇耦合运动,研究了系泊张力对平台运动的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 深海平台技术的发展与应用
• 1.2.1 深海平台的发展
• 1.2.2 Spar 平台的结构型式和主要特征
• 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
• 1.3.1 水动力特性研究
• 1.3.2 运动响应特性研究
• 1.3.3 系泊系统研究
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 运动方程的建立
• 2.1 分析模型及坐标系的建立
• 2.2 运动方程的建立
• 2.3 运动方程的简化
• 2.4 外力的计算
• 2.4.1 静水回复力和静水回复力矩计算
• 2.4.2 系泊力计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 Spar 平台主体波浪载荷计算
• 3.1 基本假设和坐标系
• 3.2 速度势求解
• 3.2.1 求解内域1 中速度势
• 3.2.2 求解外域2 中速度势
• 3.3 波浪力和波浪力矩计算
• 3.4 程序流程
• 3.5 算例
• 3.5.1 与其它软件计算结果的比较
• 3.5.2 实际Spar 平台算例
• 3.6 本章小结
• 第四章 Spar 平台主体水动力系数计算
• 4.1 基本假设和坐标系
• 4.2 辐射速度势的求解
• 4.3 附加质量和附加阻尼系数计算
• 4.4 程序流程
• 4.5 算例
• 4.5.1 与相关程序计算结果的比较
• 4.5.2 实际Spar 平台算例
• 4.6 本章小结
• 第五章 强参数激励系统近似解的分析方法研究
• 5.1 静水中主体的垂荡-纵摇耦合方程
• 5.2 弱参数激励Mathieu 方程研究
• 5.2.1 求解弱参数激励方程
• 5.2.2 不稳定区域的划分
• 5.2.3 周期解的稳定性
• 5.3 强参数激励Mathieu 方程研究
• 5.3.1 求解强参数激励方程
• 5.3.2 不稳定区域的划分
• 5.3.3 周期解的稳定性
• 5.4 弱参数激励运动与强参数激励运动的对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 垂荡与纵摇耦合内共振时运动特性分析
• 6.1 运动方程的简化及求解
• 6.2 系统定常解稳定性分析
• 6.3 零解和非零解的稳定性分析
• 6.4 数值验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 参数-波浪联合激励下组合共振运动分析
• 7.1 Spar 平台垂荡与纵摇耦合运动方程
• 7.2 垂荡与纵摇耦合解析研究
• 7.2.1 局部分岔和稳定性分析
• 7.2.2 数值验证
• 7.3 数值分析
• 7.3.1 无系泊张力耦合运动分析
• 7.3.2 考虑系泊张力耦合运动分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究工作的特色与创新
• 8.3 建议的研究方向
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢