桁架式Spar平台非线性耦合运动响应特性研究

论文摘要

传统Spar平台是一种适用于深海油气开发、生产和存储的深吃水圆筒式结构。在一般海况下,平台运动响应较小,可使用干树采油。但是,当波浪周期较长（如西非海域长周期涌浪）时,平台可能发生垂荡-纵摇耦合不稳定运动。桁架式Spar是第二代Spar平台,其主体中段改用开放式桁架和垂荡板相结合的结构代替之前的封闭式圆柱,因此,运动响应与传统Spar平台相比表现出较大差异。本文的主要研究目标是基于非线性结构动力学理论,研究桁架式Spar平台在规则波浪作用下的运动响应特点及稳定性,分析相关参数对其的影响,并结合Spar平台和半潜式平台的特点,提出一种适用于超深水的新型采油平台。本文首先采用三维势流理论和Morison公式求得桁架式Spar平台主体所受的波浪载荷和水动力系数,分别建立了不考虑回复力耦合影响的线性运动方程和考虑垂荡-纵摇耦合效应的非线性运动方程,利用MATLAB软件编制数值算法,得到了平台的运动响应并对其进行分析。随后,采用近似解析方法求解了参数激励方程和二自由度耦合方程的近似解,讨论了垂荡和纵摇固有周期比接近1：2内共振关系时的平台运动稳定性。在此基础上,分析了重心位置、波浪要素和系泊系统对平台运动的影响。最后,提出一种适用于超深水的平台结构形式,并以上述研究方法为基础,对该平台的运动性能进行了研究。研究结果显示：在常规海浪周期下,可采用线性算法计算平台的运动响应,但是,当入射波浪周期接近垂荡固有周期且垂荡和纵摇固有周期比值接近1：2时,线性算法存在较大误差,需采用非线性耦合算法；在共振时,桁架式Spar平台运动性能比经典式更加稳定；通过对非线性耦合方程的解析分析得到了平台发生不稳定运动的内在机理和系统参数对运动的影响,为分析影响运动稳定的因素提供了理论依据；重心位置、入射波频率、瞬时波面升高和系泊系统对平台运动稳定性影响较大,在平台设计和运动响应分析计算中应慎重考虑；新型平台在运动性能上表现良好,有进一步研究的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 Spar平台简介
• 1.2.1 Spar平台结构
• 1.2.2 Spar平台发展
• 1.3 Spar平台非线性运动特性研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及意义
• 2 波浪载荷及水动力系数计算
• 2.1 基本理论
• 2.1.1 线性波理论
• 2.1.2 一阶波浪力
• 2.1.3 势流理论
• 2.1.4 Morison公式
• 2.2 数值算例
• 2.2.1 平台参数
• 2.2.2 水动力模型
• 2.2.3 计算结果
• 2.3 小结
• 3 桁架式Spar运动方程及求解方法
• 3.1 线性耦合方程的建立
• 3.2 非线性耦合方程的建立
• 3.3 数值方法
• 3.4 近似解析法
• 3.4.1 参数激励运动
• 3.4.2 林滋泰德-庞加莱法
• 3.4.3 多尺度法
• 3.5 本章小结
• 4 桁架式Spar运动响应数值模拟分析
• 4.1 线性运动响应
• 4.2 非线性运动响应
• 4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 非线性近似解析分析
• 5.1 纵摇Mathieu运动稳定性分析
• 5.1.1 Mathieu方程求解
• 5.1.2 运动稳定性分析
• 5.2 垂荡-纵摇耦合内共振运动特性分析
• 5.2.1 垂荡-纵摇耦合方程求解
• 5.2.2 非线性近似解析解分析
• 5.3 本章小结
• 6 平台运动影响因素分析
• 6.1 重心位置
• 6.2 波浪要素
• 6.3 系泊系统
• 6.3.1 线性系泊力计算
• 6.3.2 非线性系泊力计算
• 6.3.3 结果分析
• 6.4 本章小结
• 7 新概念平台
• 7.1 UDWS平台简介
• 7.2 UDWS特点及优势分析
• 7.3 运动性能分析
• 7.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢