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深海Spar平台垂荡-纵摇耦合非线性运动响应研究
| 论文题名： | 深海Spar平台垂荡-纵摇耦合非线性运动响应研究 |
| 关键词： | 耦合运动;组合共振;深海平台;稳定性图谱 |
| 摘要： | Spar平台是适用于深海采油、钻井等作业的新型平台。由于其结构上的特点,使得垂荡和纵摇固有频率比接近2:1,当遭遇周期较长波浪或者涌浪时,容易发生垂荡-纵摇耦合不稳定运动。因此考虑垂荡、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Spar平台在复杂海洋环境下的运动特征,从而为Spar平台的设计和海上安全作业提供指导,具有重大意义。本文的主要工作和结论如下: 介绍了深海平台的发展现状,对国内外Spar平台的研究进展进行了综述,分析了在Spar平台垂荡.纵摇耦合运动研究方面存在的主要问题,明确了本文的研究方向。 考虑波面升高的影响建立了经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动方程,并编写了Matlab求解程序。通过数值模拟发现,忽略波面升高影响会导致对垂荡响应的低估,而波面升高对纵摇响应的影响则十分有限,一定情况下可以忽略。 采用多尺度法分别求解了内共振及组合共振条件下的垂荡、纵摇响应一阶定常近似解,并用数值方法进行了模拟。指出:当内共振发生以后,垂荡、纵摇响应会发生能量饱和及传递现象,垂荡固有频率与2倍的纵摇固有频率之间的偏差,以及波浪激励频率与垂荡固有频率之间的偏差共同决定了引起内共振现象时的波浪幅值以及能量饱和之后垂荡响应的稳定幅值；组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,垂荡固有频率与2倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值也越大,当波浪频率与垂荡纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时不会发生组合共振现象。 用希尔无穷行列式法推导得到了纵摇响应的马休稳定性图谱,并用数值方法分析了平台纵摇马休不稳定运动的发生过程。指出:在平台参数确定的情况下,垂荡幅值的增大是导致纵摇响应发生马休失稳的主要原因,即除满足发生马休失稳的频率关系之外,只有当波浪激励作用引起的垂荡运动的幅值达到一定程度时,才会引起纵摇运动的失稳现象。 用数值模拟及软件计算的方式分析了平台阻尼、系泊系统和垂荡板对平台垂荡-纵摇耦合运动性能的影响。研究结果发现,增大垂荡阻尼会导致引起垂荡.纵摇内共振响应的波浪幅值增大,并且能大大抑制垂荡响应的幅值,从而抑制纵摇不稳定运动的发生。相对纵摇阻尼,垂荡阻尼的改变对耦合不稳定运动的影响要大得多；对于考虑系泊系统的Truss Spar平台,尽管在垂荡响应发生共振时垂荡响应发生饱和,也出现了能量传递现象,但传递能量很小未引发纵摇不稳定响应。最后分析了垂荡板结构参数的变化对Spar平台水动力性能的影响。 文章最后,指出了本文的局限以及未来的研究热点。 |
| 作者： | 徐学军 |
| 专业： | 港口、海岸及近海工程 |
| 导师： | 桑松 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国海洋大学 |
| 学位年度： | 2011 |
| 正文语种： | 中文 |
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