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原文传递深水Spar平台水动力性能和运动响应数值研究

论文题名：	深水Spar平台水动力性能和运动响应数值研究
关键词：	深水;系泊平台;水动力性能;运动响应;系泊系统;张力;模式;运动性;直接计算;波浪漂移力;环境载荷;垂荡板;附加质量;等分布;分组;立管系统;静力分析;前期设计;增长速度;响应程度
摘要：	随着现代工业的发展，陆上和近海石油资源逐渐减少，为了满足日益增长的能源需求，世界发达国家将油气资源的开发重点定在了深海。立柱式平台即为这种用于深海石油的开采、生产、处理加工和储存的平台结构形式之一，被广泛的应用于现在的水深较大的深海油气田中。由于所处海洋环境和地质条件恶劣，深海浮式生产系统技术复杂、投资巨大、风险极高。因此如何正确地获得其在海洋环境下的运动性能非常重要，对平台前期设计有十分重要的参考价值。　　本文研究的Truss Spar平台参照一座在墨西哥湾服役的母型平台进行设计。其中平台的系泊系统考虑了分组式系泊模式和对等分布式系泊模式。采用理论分析和数值模拟的方法在频域和时域内对平台的水动力性能和运动响应进行了分析研究。　　建立Spar平台的三维水动力模型，通过在平台柱体导缆孔处指定预张力、倾角和刚度来模拟系泊系统的影响，采用三维势流理论分析平台的水动力特性和运动性能，计算作用在平台上的波浪载荷以及平台运动响应的传递函数等水动力参数，并对平台在不规则海浪中运动的进行短期预报。结果表明，所设计平台具有良好的运动性能，所得频域计算结果可用于进一步系泊设计的分析计算。建立不同数量垂荡板的平台模型，忽略粘性阻尼影响，在频域内初步探讨了垂荡板引起的附加质量效应和对平台垂荡运动的影响。　　采用悬链线法和有限元法对分组式系泊平台和对等式系泊平台进行了静力特性分析。计算了单根系泊缆的张力与位移关系曲线以及系泊系统回复力与平台位移的关系曲线。对系泊系统在不同环境工况下的静力特性进行分析，包括完好和单根系泊缆破断失效两种条件，总结了平台位移和系泊缆张力的变化规律。　　将Spar平台及其系泊系统作为一个相互之间动力耦合的完整系统，计及各种非线性因素，考虑风、浪、流等环境载荷的共同作用，采用三维非线性时域模拟方法分析了平台的运动响应和系泊缆动张力的变化规律。研究了系泊参数，如系泊模式、系泊缆夹角、立管系统和二阶波浪漂移力计算方法对系泊系统运动性能的影响。　　本文的主要结论有：　　 1、随着垂荡板数量的增加，平台的附加质量也逐渐增加，垂荡自然周期逐渐增大，同时垂荡幅值逐渐变小，带来更好的运动性能。但是由于垂荡板的板数增多，板间距变小，各板相互间存在遮蔽作用，使得垂荡板总体附加质量的增长速度低于板数的增长速度，平均到每一块板上的附加质量反而会变少，效率有所降低。　　 2、静力分析结果表明，系泊缆张力在顶端导缆孔处最大，随着水深的增加逐渐变小；载荷不同方向作用时，出现最大载荷系泊缆编号不同，一般来说，与载荷方向夹角最小且在迎浪侧的系泊缆内张力最大。系泊平台在不同方向上对环境载荷的抵抗能力不同；分组系泊模式提供了更好的张力余量，在张力上有更高的安全系数，静力性能要优于对等分布系泊模式。静力分析的结果可以为时域动力分析提供参考。　　 3、动力分析表明，海洋平台在风浪流环境载荷的作用下，低频载荷对平台部分自由度上的运动响应，如纵荡、横荡、横摇和纵摇具有重要影响；而垂荡响应和系泊缆动态张力则表现出明显的波频特性。　　 4、在百年一遇风暴环境条件下，通过分析研究不同系泊模式下浮体的运动响应和系泊缆张力，发现对等分布系泊模式和分组系泊模式下平台的运动响应和系泊缆张力均满足规范要求。但是在完好条件下和单链受损情况下，分组系泊模式系泊缆最大张力小于对等分布系泊模式，分组系泊模式比对等分布系泊模式运动性能优越。　　 5、通过比较不同系泊缆夹角，分别为5°、10°和15°的三组分组系泊系统的极值位移和张力值，发现随着角度的增加，平台运动响应逐渐减小，而系泊缆极值张力逐渐增大。综合比较平台运动响应和系泊缆极值张力变化情况，发现系泊缆夹角最小(5°)时系泊平台的性能最优。　　 6、考虑立管系统后，增大了结构整体的质量和阻尼，导致平台整体运动响应程度减小，系泊缆极值张力减小，同时动张力响应程度也减小。处于载荷迎浪面的系泊缆张力极值和标准差较大。　　 7、研究比较了Newman近似和直接计算QTF两种计算二阶波浪漂移力的方法对系泊平台运动性能的影响，发现Newman近似方法在计算二阶波浪漂移力的精度上与直接计算二阶传递函数(QTF)方法比较接近。　　本论文对深海Truss Spar平台水动力性能、垂荡板性能、平台运动响应短期预报、系泊平台静力分析和系泊平台时域耦合分析等方面开展了研究，并探讨了系泊系统系泊模式、系泊缆夹角、立管系统和二阶波浪漂移力计算方法对平台运动性能的影响。本论文的研究结果对深海Truss Spar平台的前期设计具有一定的参考价值。
作者：	孙金伟
专业：	港口、海岸及近海工程
导师：	李华军;王树青
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国海洋大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文