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深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究

作　者: 郑成荣
导　师: 范菊
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 深海平台系泊系统间接时域法有限元法耦合频域摄动法
分类号: U674.381
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 154次
引　用: 2次
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内容摘要

深海平台是勘探开发深海油气资源的重要装备,这些平台通常由系泊系统长期系泊于恶劣的海洋环境中,遭受风、浪、流等外界载荷的联合作用。因此,准确的确定系泊缆索的载荷响应及平台在环境载荷及系泊缆索联合作用下的运动响应,对于保证平台的正常作业与维持其自身安全具有十分重要的意义。对于深海平台,系缆的惯性力和阻尼对平台的运动响应有着显著的影响。因此,平台及其系泊系统的分析必须采用动力耦合方法开展。对于浮体与系泊系统的耦合分析,目前主要采用的分析方法是时域分析方法和频域分析方法。本文对深水浮体及其系泊系统的动态耦合问题进行深入研究。采用基于三维频域GREEN函数及傅里叶变换的间接时域法计算浮体的水动力特性,采用非线性有限元法对系缆进行模拟。通过完全时域耦合分析方法求解系泊浮体的时域控制方程,得到系泊浮体的运动响应和系缆的张力变化。针对一单点张紧系泊的FPSO进行数值计算,将计算得到的浮体运动时历、系泊缆索上端点张力时历及相应统计结果与模型试验结果进行了对比,发现理论计算结果与模型试验结果符合良好,从而证明了该数值方法在计算深海系泊浮体动态响应时的可靠性。相对于时域分析方法,频域法具有计算量小,且能够阐述系泊系统的运动机理的优点。但是以往的频域法通常只适用于弱非线性的情况,基于频域法的研究也主要围绕悬链式系泊系统进行。本文采用频域摄动法,同时考虑振荡过程中因锚泊线平衡位置的改变而引起的静态分量的改变,将锚泊线的非线性运动方程展开至二阶。针对一具有大伸长特性的张紧式系缆在上端水平激励下的张力响应进行研究,考察了频域摄动法在张紧系缆动力计算中的适用性,分析了张紧式系缆动态响应的物理机制,为今后将频域法应用到深海张紧式系泊系统的动力计算中提供重要的理论参考。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-24
  1.1 本文研究工作的背景、目的与意义  11-12
  1.2 深海平台主要形式简介  12-14
    1.2.1 浮式生产储运装置（FPSO）  12-13
    1.2.2 半潜式平台（SEMI）  13
    1.2.3 张力腿式平台（TLP）  13-14
    1.2.4 深水浮筒式平台（Spar）  14
  1.3 深海系泊系统简介  14-15
  1.4 浮体水动力性能研究概况  15-18
    1.4.1 细长体理论  15-17
    1.4.2 三维频域势流理论  17
    1.4.3 三维时域势流理论  17-18
  1.5 系泊缆索动力性能研究概况  18-21
    1.5.1 频域摄动法  19
    1.5.2 多刚体法  19-20
    1.5.3 集中质量法  20
    1.5.4 有限元法  20-21
  1.6 系泊系统耦合分析方法研究概况  21-23
  1.7 本文的主要工作  23-24
第二章无航速浮体水动力分析的间接时域法  24-37
  2.1 引言  24
  2.2 浮体水动力计算的数学模型  24-27
    2.2.1 流场和坐标系的定义  24-25
    2.2.2 速度势的分解、控制方程及定解条件  25-27
  2.3 频域运动方程及其数值计算  27-31
    2.3.1 频域辐射问题和绕射问题  27-28
    2.3.2 浮体频域运动方程  28-29
    2.3.3 GREEN 函数法  29-31
    2.3.4 辐射势和绕射势的数值计算  31
  2.4 浮体水动力间接时域计算方法  31-34
    2.4.1 附加质量和时延函数的计算  32-33
    2.4.2 时域波浪力的计算  33-34
    2.4.3 浮体在波浪上的时域运动方程  34
  2.5 浮体水动力计算程序的验证  34-36
  2.6 本章小结  36-37
第三章系泊缆索非线性有限元分析及数值计算  37-51
  3.1 引言  37
  3.2 系泊缆索计算的数学模型  37-43
    3.2.1 坐标系的定义  37-38
    3.2.2 细长杆件模型  38-41
    3.2.3 大伸长系缆模型  41-42
    3.2.4 边界条件  42-43
  3.3 系泊缆索数值计算方法  43-49
    3.3.1 缆索控制方程的离散  43-46
    3.3.2 边界条件的离散  46
    3.3.3 单元连接处的位移与力的条件  46
    3.3.4 静态问题的求解  46-47
    3.3.5 动态问题的求解  47-49
  3.4 系泊缆索动力计算程序的验证  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章浮式结构物及其系泊系统的耦合计算  51-71
  4.1 引言  51
  4.2 浮式结构物与系泊缆索的连接  51-52
  4.3 系泊系统时域耦合模型  52-55
    4.3.1 静力耦合问题  53-54
    4.3.2 动力耦合问题  54-55
  4.4 模型试验与数值算例  55-70
    4.4.1 FPSO 主要参数  55-56
    4.4.2 系泊缆索主要参数  56-57
    4.4.3 环境参数  57-58
    4.4.4 结果比较  58-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章系泊缆索的频域计算方法研究  71-89
  5.1 引言  71
  5.2 系泊缆索的运动微分方程  71-73
  5.3 运动微分方程的摄动展开  73-75
  5.4 各阶摄动方程组的求解  75-83
    5.4.1 一阶摄动方程组  75-76
    5.4.2 二阶摄动方程组  76-78
    5.4.3 边界条件  78-79
    5.4.4 运动方程的求解  79-82
    5.4.5 时域结果的求解  82-83
  5.5 算例分析  83-88
  5.6 本章小结  88-89
第六章总结与展望  89-90
  6.1 全文总结  89
  6.2 研究展望  89-90
参考文献  90-95
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  95-96
致谢  96

深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究

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