深海系泊系统松弛—张紧过程缆绳的冲击张力研究

论文摘要

Spar平台是目前深海油气资源开发的主要装备之一,其中的系泊系统是深海平台的定位系统,当系泊的平台浮体发生大幅运动时,系泊系统会出现松弛-张紧状态的改变,引起系缆张力的迅速增大,可能危及深海平台的安全生产。本文针对深海系泊系统松弛-张紧过程的冲击张力进行了研究,主要工作和结论如下:（1）在Mohammad Behbahani Negad研究工作的基础上,考虑缆绳内水平张力和位置,用泰勒级数展开,得到缆绳的曲率和张力的表达式,建立包含松弛和张紧两种情况的连续模型,采用应力波理论分析了缆绳内水平张力、波数、缆索坐标等参数对缆绳内应力波传播特性的影响,证明了本文考虑缆绳张力和曲率变化的合理性。（2）根据应力波基本理论和非线性动力学基本理论,计算得到缆绳在松弛、松弛-张紧和张紧三种状态下缆绳的运动和张力,比较分析了缆绳三种运动状态的区别,发现三种状态下,缆索结构的运动特点、最大张力和对结构的破坏程度都不相同。在松弛-张紧状态,缆绳的横向运动出现跳跃,张力中出现突变的尖峰和倍频成分。松弛-张紧时产生的冲击张力是松弛情况的5倍,是张紧情况的2.4倍,容易引起缆绳的强度破坏,缩短疲劳寿命。（3）根据冲击动力学理论,对系泊平台浮体-缆绳系统进行了耦合分析,给出系统的松弛区域和张紧区域的边界曲线,并对影响因素进行了分析。结果表明,缆绳-浮体本身的系统参数和外部载荷条件的改变,例如无量纲的位移比,或阻尼比发生改变,会引起系统在松弛-张紧区域间的转变,从而引起缆绳内的冲击张力。缆绳内的最大动态张力随波高、波浪频率、预张力的增大而增大,随缆绳长度的增大而减小。（4）采用实验方法,对浸没在准静态流体中的绳索的冲击张力问题进行研究,观察到缆绳中的冲击张力,证明了冲击张力的存在性和此问题研究的必要性。同时,还研究了缆绳内最大张力的影响因素。结果表明,在相同的条件下,缆绳的最大张力随端点激励频率和激励幅值、缆绳刚度、缆绳直径、缆绳弹性模量的增大而增大,随缆绳长度的增大而减小。实验验证了理论计算的正确性。（5）对空气中的冲击张力实验和水中的冲击张力实验进行比较分析,给出缆绳发生冲击载荷时缆绳内张力的特点:冲击载荷发生在激励端,冲击张力迅速变大,张力中出现高频成分,同时出现负张力。这些可以作为缆索中是否出现冲击载荷的判断依据。另外,冲击载荷发生在激励端,这就要求实际的设计中要加强系缆点附近缆绳的强度,以保证系泊系统的安全。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的研究背景
• 1.2 深海平台主要结构和系泊系统
• 1.2.1 张力腿平台主要结构和系泊系统
• 1.2.2 Spar 平台的整体结构和系泊系统
• 1.2.3 本文研究工作的意义
• 1.3 系泊缆的材料特性及研究进展
• 1.4 系泊缆-浮体系统的耦合运动响应研究
• 1.4.1 系泊系统-浮体耦合运动研究方法
• 1.4.2 深海系泊系统耦合运动响应特征
• 1.5 系泊缆绳张力的研究
• 1.6 系泊系统阻尼的研究
• 1.7 缆绳松弛-张紧过程中冲击载荷问题的研究
• 1.8 本文的主要工作
• 1.8.1 研究内容
• 1.8.2 研究目标
• 第二章 与本文有关的应力波基本理论
• 2.1 应力波的基本概念
• 2.2 波动解与振动解的关系
• 2.2.1 物理坐标与空间坐标
• 2.2.2 粘弹性本构关系
• 2.3 应力波传播的求解方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 系泊缆模型的建立
• 3.1 空气中静态缆绳模型
• 3.1.1 缆绳张力与跨度的关系
• 3.1.2 对于缆绳内水平张力上下限的讨论
• 3.2 动态缆绳模型
• 3.2.1 方程的建立
• 3.2.2 平衡分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 应力波的自由传播特性分析
• 4.1 缆绳三维运动方程的线性化
• 4.2 应力波基本特性的推导
• 4.2.1 应力波的频率谱
• 4.2.2 群速度
• 4.2.3 色散关系
• 4.3 缆绳内应力传播特性的数值计算结果及讨论
• 4.3.1 频率谱
• 4.3.2 群速度
• 4.3.3 色散关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 深水中缆绳的非线性动态响应分析
• 5.1 水中缆绳运动方程的推导和简化
• 5.2 缆绳上的外部载荷分析
• 5.2.1 作用在缆绳面内的水动力载荷
• 5.2.2 端点激励的描述
• 5.3 非线性缆绳运动方程的数值求解方法
• 5.3.1 求解双曲型偏微分方程的有限差分法
• 5.3.2 本文所用的差分格式
• 5.4 深海缆绳的动力响应计算结果及分析
• 5.4.1 位移和应变的传播特性计算分析
• 5.4.2 缆绳上张力最大点的运动响应
• 5.4.3 拖曳阻力系数对动态张力的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 系泊缆绳松弛-张紧时的冲击张力分析
• 6.1 缆绳的运动方程
• 6.2 缆绳三种状态下运动及张力的计算分析
• 6.2.1 松弛时缆绳运动及张力计算分析
• 6.2.2 缆绳松弛-张紧时的运动及动态张力计算分析
• 6.2.3 缆绳张紧时的运动和张力的计算分析
• 6.3 松弛、松弛-张紧和张紧三种情况计算结果的分析
• 6.4 不同因素对缆绳动态张力的影响分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 考虑系泊缆索与浮体耦合的动张力分析
• 7.1 基本理论和分析方法
• 7.1.1 冲击载荷实验及有关结果
• 7.1.2 Hopkinson 试验结果的理论分析
• 7.2 深海平台及其系泊系统模型的建立
• 7.2.1 平台与缆索碰撞后运动方程的建立
• 7.2.2 缆绳松弛-张紧的转变条件
• 7.2.3 缆绳松弛时的运动方程
• 7.3 缆绳-浮体耦合运动算例分析
• 7.3.1 出现冲击载荷时的平台运动响应
• 7.3.2 影响缆绳动张力的因素
• 7.4 本章小结
• 第八章 缆绳的冲击张力实验研究
• 8.1 相似关系
• 8.2 空气中的冲击载荷实验研究
• 8.2.1 实验用缆绳的描述
• 8.2.2 实验装置
• 8.2.3 实验内容及结果分析
• 8.3 水中的冲击载荷实验研究
• 8.3.1 实验用缆绳的描述
• 8.3.2 实验装置
• 8.3.3 实验内容及结果分析
• 8.4 实验结果与理论结果的比较分析
• 8.4.1 空气中实验结果与水中实验结果的比较
• 8.4.2 理论结果与水中冲击载荷实验结果的比较
• 8.5 本章小结
• 第九章 全文总结及展望
• 9.1 主要研究工作及结论
• 9.2 研究工作的特色与创新点
• 9.3 工程建议
• 9.4 建议的研究方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢