海洋SPAR平台挠性立管三维仿真动力响应

论文摘要

海洋管道是石油钻井和生产系统的重要组成部分。它本质上是一个细长的,灵活的管道,主要负责井口和浮式生产系统之间流体的输送。文献中有许多对海洋立管的分析方法。立管的研究最初停留在立管的静态分析,虽然能够得到立管稳定结构形式及静态张力值,但那是远远不够的。由于海洋环境的复杂多变,立管在外界环境的作用下做着不同的适应性运动,这就造成了对立管运动状态的可靠的分析方法的需要,这种方法用来解决立管研究中尤其是下放过程中的设计问题。由于凝集参数法可以灵活的处理不同特性的材料和作用在不同长度的荷载对立管动态响应的影响。所以本文采用凝集质量法,对立管进行力学分析,建立海洋立管的三维动态数学模型。本文的第一部分对常见的海洋平台的动态响应特征进行分析。着重介绍了spar平台的荷载响应。第二部分对水下立管进行静力学分析,推导出经典悬链线方程;并用莫里森方程的微分形式推导了静态分析中波浪作用在立管上的作用力与弯矩。第三部分将模型理想化,忽略了扭矩的影响,分析了立管的湿重、张力和流体的阻尼力等,其中最核心的部分是弯矩力公式的推导。第四部分介绍了常微分方程组的求解方法,并着重介绍了4阶龙格—库塔法;并对MATLAB常微分方程组的解算器的运用做了初步的介绍。第五部分和第六部分是结论部分以及展望研究。附录是作者编写的立管的动态仿真程序。本文运用MATLAB作为开发平台,对立管三维动态响应特征进行编程分析。仿真实验数据与经典悬链线方程以及相关文献模拟结果进行比较;通过仿真模拟系统实现对海洋立管动态响应的分析,可以得到不同海洋环境下立管的稳态构形。根据编制的程序进行立管在水流作用下的下放仿真,模拟结果表明水流对立管的稳定有明显影响,流速越大,立管越容易稳定。立管随平台做简谐振动,当立管顶端张力达到一定值时,立管的张力随简谐振动而成简谐变化,这些仿真结果与具体的工程实际经验相符,表明仿真程序的正确性,可以在立管系统最初设计阶段提供有价值的参考数据,具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景及其意义
• 1.1.1 近海结构物的分类
• 1.1.2 平台结构的动态响应特征
• 1.2 国内外相关研究成果和动态
• 1.2.1 凝集参数法和有限元法
• 1.2.2 有限差分法
• 1.2.3 高阶有限元法
• 1.3 论文主要完成的任务
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 拟解决关键技术和难点
• 2 立管系统静力学分析
• 2.1 立管系统的静力学分析
• 2.2 线性波浪理论和波浪力的计算
• 3 立管动力学模型
• 3.1 建立坐标
• 3.2 张力计算
• 3.3 立管微元凝集湿重
• 3.4 阻尼力的计算
• 3.5 质量点弯矩力的凝集
• 3.6 确定运动方程
• 3.7 边界条件
• 4 Matlab 程序解析
• 4.1 常微分方程数值解
• 4.2 常微分方程解算器 ode
• 5 算例与对比
• 5.1 立管模拟验证算例1
• 5.2 立管模拟验证算例2
• 5.3 立管模拟验证算例3
• 5.4 立管模拟验证算例 4
• 5.5 立管模拟验证算例 5
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录A 仿真算例 1 MATLAB 编程
• 在学研究成果
• 致谢