集中质量法在深海系泊冲击张力计算中的应用研究

论文摘要

当系缆在周期性载荷的作用下,会出现松弛-张紧的交替运动,缆绳中可能出现很高的张力。这时,由于缆绳回复刚度的不连续性出现突变恢复力,引起整个系泊系统的非线性问题。对于深海平台系泊系统,当环境载荷超过一定的值时,将加剧系泊缆交替的松弛-张紧现象。本文采用集中质量法研究深海Spar平台系缆张力的突变规律,以及Spar平台系泊系统的动力响应。这对于深海Spar平台的设计开发具有较重要的理论和工程意义。采用三维集中质量法建立深海系缆模型,计算系缆的构型及张力。将系缆考虑为由许多集中质量点和无质量弹性单元组成,并假设系缆上所有的作用力都集中作用在集中质量点上。通过各点的初始条件和系缆两端点处的位移边界条件,求解系缆的三维运动方程。考虑系缆重力、浮力、流体拖曳力和附连水质量等因素对缆绳动态张力的影响,分析系缆在不同激励频率和激励幅值下的运动过程,并预测系缆松弛-张紧运动的发生条件和系缆冲击载荷的大小。计算了1018 m水深情况下,Jip Spar平台系缆端点受到水平位移激励时的张力变化及动力响应,并求解系缆冲击张力放大系数。本文研究表明,系缆张力随系缆上端点的运动而变化,靠近海底的系缆运动幅值较小。系缆张力会随着激励频率和幅值的增大而增大。当系缆上端点的激励频率和幅值达到一定值时,系缆会出现交替松弛-张紧的现象,最小张力减小为零,最大张力急剧增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的意义
• 1.2 Spar 平台的构造及研究现状
• 1.2.1 Spar 平台的构造
• 1.2.2 Spar 平台的发展与研究现状
• 1.3 深海平台的系泊系统
• 1.3.1 系泊系统构造
• 1.3.2 系泊缆材料
• 1.3.3 系泊缆的弹性
• 1.3.4 系缆张力计算模型
• 1.3.5 系缆冲击张力的研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 系缆模型的建立
• 2.1 采用三维集中质量法建立模型
• 2.2 系缆模型的总体坐标系
• 2.3 系缆分段单元
• 2.4 本章小结
• 第三章 系缆运动方程的建立
• 3.1 质点的速度与加速度
• 3.2 附连水质量
• 3.3 重力与浮力
• 3.4 波流作用力
• 3.4.1 系缆分段中点的速度
• 3.4.2 系缆分段上的拖曳力
• 3.4.3 等效作用于节点上的拖曳力
• 3.5 系缆内阻尼
• 3.6 质点运动方程
• 3.7 本章小结
• 第四章 系缆静态张力及构形
• 4.1 系缆张力表达式
• 4.2 节点受力平衡方程
• 4.3 系缆静态张力及构形计算
• 4.3.1 牛顿法计算系缆静态张力及构形
• 4.3.2 静态张力计算流程
• 4.4 本章小结
• 第五章 系缆冲击张力及运动响应
• 5.1 边界条件及初始条件
• 5.1.1 边界条件
• 5.1.2 初始条件
• 5.2 系缆动态张力的数值解法
• 5.3 端点受位移激励情况下的系缆张力计算
• 5.4 线性化处理
• 5.5 本章小结
• 第六章 算例及计算结果分析
• 6.1 系缆张力计算实例
• 6.2 系缆静态张力及构形计算结果分析
• 6.2.1 悬链线法计算系缆静态构型
• 6.2.2 集中质量法计算系缆静态构型及张力
• 6.3 系缆冲击张力及运动响应计算结果分析
• 6.3.1 端点位移激励下的系缆张力时间历程响应
• 6.3.2 系缆张力在不同激励频率下的最大最小值
• 6.3.3 端点位移激励下系缆质点的运动响应
• 6.3.4 冲击放大系数
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢