深水平台系泊系统冲击载荷计算的应力波方法

论文摘要

深海平台的定位采用缆索系泊,系泊缆在平台浮体带动下发生松弛-张紧运动,导致系缆出现冲击张力,即系缆张力的突然放大。这是导致系缆破坏的重要原因。为了保证深海平台极端海况下的安全,探索平台运动过程缆的冲击张力,研究缆的动力特性,具有重要的理论和工程意义。本文考虑有限变形的悬垂缆索在松弛-张紧状态时,内部所产生的动态张力。将深海系缆模拟为两端位于同一水平,一端是固定,另一端承受水平简谐激励绳索。考虑缆的阻尼非线性、缆变形的几何非线性和曲率,根据哈密顿原理和变分法建立起对应的二个非线性偏微分运动方程,用应力波方法求解系缆运动的微分方程。编制了求解系缆的二阶偏微分方程计算机程序,计算缆的运动和动态张力。在四种参数组合情况下的数值结果和相关分析表明:沿着缆长传播有两种类型的应力波,纵向波比横向波波速要高,并且随着它们在缆中的传播,速度会逐渐减弱。最大的动态张力发生在端部及其附近区域,随着激励幅值和频率的增大,动态张力也越来越大。最大的动态张力与质点速度及运动大小有关,但是对于张力影响显著的是质点运动的速度。激励端的动态张力在初始时最大,海底锚固点张力较小,但随着时间的推移,锚固点张力会逐渐增大,锚固点的响应要比激励端滞后一段时间。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题研究的背景及意义
• 1.2 海洋平台所采用的系泊系统分类及研究方法
• 1.2.1 钢制悬链线系泊系统
• 1.2.2 张紧式系泊系统
• 1.2.3 系泊缆索所用材料及其特性
• 1.2.4 系泊缆索研究方法
• 1.2.5 数值方法
• 1.3 国内外研究进展和意义
• 1.3.1 应力波理论的历史及其发展
• 1.3.2 应力波理论的发展趋势
• 1.3.3 国内外的研究进展
• 1.4 文献综述
• 1.5 本文工作
• 第二章 静态轮廓线方程的建立
• 2.1 沿缆长均布载荷作用情况下的轮廓线方程
• 2.1.1 悬链线方程
• 2.1.2 双曲型方程
• 2.2 分段均布载荷作用情况下的轮廓线方程
• 2.2.1 双曲型方程
• 2.2.2 悬链线方程
• 2.3 三角形分布载荷作用情况下的轮廓线方程
• 2.4 缆索轮廓线方程的对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 运动方程的推导
• 3.1 哈密顿和变分原理介绍
• 3.1.1 哈密顿原理
• 3.1.2 变分原理
• 3.2 模型的建立及能量分析
• 3.2.1 建立理论模型
• 3.2.2 能量分析
• 3.3 方程的推导
• 3.3.1 建立运动方程
• 3.3.2 方程的简化
• 3.3.3 实际研究模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 运动方程的应力波解法
• 4.1 应力波理论
• 4.1.1 应力波定义
• 4.1.2 应力波生成机理
• 4.1.3 应力波理论的优点
• 4.2 坐标的选定
• 4.3 几何非线性波动方程的特征线解法
• 4.3.1 材料本构关系
• 4.3.2 动力学条件
• 4.3.3 运动学条件
• 4.3.4 应力波方程的建立
• 4.4 本章小结
• 第五章 数值求解及结果分析
• 5.1 数值求解
• 5.2 结果分析
• 5.3 各参数情况下的最大动态静态张力比
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 一、 本文结论
• 二、 未来工作的展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢