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深水水下吊装过程动力学建模与仿真
| 论文题名： | 深水水下吊装过程动力学建模与仿真 |
| 关键词： | 海上安装母船;吊放系统;动力学建模;三维波面仿真;最小二乘曲线拟合 |
| 摘要： | 随着海洋石油开采由浅海向深海的逐步转移,海底管汇等水下设备的吊装在深海油气开采中的重要性逐渐显现。在深水吊放作业过程中,安装母船、缆绳及吊装物构成的系统会受到海上风浪的联合作用。由于深水吊放过程所受到环境影响较为复杂,因此通过实验手段获取安装母船和吊装物的运动特征难以实现且成本较高,在现阶段的研究中普遍采用仿真手段对深水吊放系统进行动力学分析。 本研究以海上安装母船和吊放系统为对象,研究安装过程动力学问题。在对吊装过程的仿真计算中,吊装环境的模拟是不可或缺的,采用JONSWAP谱进行作业海域的三维波面仿真。采用基于势流理论的二维切片法,对安装母船进行动力学建模和分析,通过简单格林函数求解剖面的二维辐射势,将二维水动力参数沿船长方向迭加得到船体的三维水动力参数,结合安装母船的主要参数,得到安装母船纵向运动(主要包括升沉和纵摇运动)的幅频响应曲线。对幅频响应曲线的分析,得出安装母船升沉和纵摇运动幅值变化明显的波频区间。吊装运动控制首先需要测量技术的支持,结合课题研究需要,对安装母船所配备的三维运动实测系统进行数据处理研究,通过自适应野值监测方法实现拟合之后实测数据野值的自动剔除和替换,并通过最小二乘曲线拟合法对数据进行滤波处理,为深水吊放升沉补偿系统提供准确的输入信号。基于Ablow&Schechter模型建立缆绳动力学模型,采用水下运载体六自由度方程建立吊装物模型,并结合缆绳的边界条件得到缆绳切向无阻尼自然频率和切向动态张力的近似解析表达式。根据作业海域在不同海况下的频率谱特征,得到吊放作业时应尽量避免的波频区间。由缆绳切向动态张力的仿真可以得到缆绳释放长度与节点位置的切向动态张力曲线,以避免缆绳松弛之后张紧所产生的巨大冲击载荷。 通过对安装母船的动力学分析,可以得到升沉和纵摇运动幅值变化明显的波频区间在0.4~0.9rad/s之间。当遭遇角等于90°时,波浪对安装母船的升沉运动影响最大,当遭遇角等于45°和0°时对安装母船的纵摇运动影响较大。通过对缆绳和吊装物的分析可以得到,缆绳切向无阻尼自然频率随着释放长度的增加而减小,节点距离吊装物重心距离越远,切向动态张力越大,当切向动态张力大于静态张力时缆绳会出现松弛的情况。 |
| 作者： | 赵景浩 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 陆建辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国海洋大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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