巨型框架海洋平台设计及优化研究

论文摘要

固定式导管架平台是广泛应用于海洋石油钻采作业的海洋结构。随着石油勘探和开采向较深水域发展,导管架平台面临许多技术难题。一是随着水深增加,结构增大,抗弯刚度下降。在海上恶劣载荷作用下,振动更加明显和剧烈,甚至引起平台整体破坏;二是随着结构的增大,海浪作用在平台上的载荷增加,平台整体振动响应增大。此外,结构增大还会使平台的造价急剧上升,海上运输和作业的时间延长,受环境的影响变大。为解决导管架平台向深海发展的瓶颈问题,本文将巨型框架理论与传统导管架平台设计方法相结合,构建巨型框架平台,并对其性能、影响因素进行深入研究,在此基础上,确定了平台最优参数。第一、巨型框架结构在海洋平台设计中的移植应用和巨型框架海洋平台设计研究。利用陆地高层建筑上应用成熟的巨型框架结构和理论构建新型海洋平台的拓扑优化模型。在模型上施加水平方向的波浪载荷和垂直方向的重力载荷进行拓扑优化分析。依据拓扑优化分析结果和海洋平台设计准则构建巨型框架海洋平台。第二、巨型框架海洋平台性能分析及影响因素研究。利用有限元分析软件对巨型框架海洋平台进行模态分析,得到平台的动态特性,并研究结构参数对平台自振特性的影响;针对不同的海况,研究巨型框架海洋平台在波浪载荷作用下的动力响应和平台承载特性。第三、巨型框架海洋平台波浪载荷计算及影响因素研究。研究巨型柱、巨型梁的结构参数对平台波浪载荷的影响,在兼顾平台性能的情况下进行平台结构参数优化,减少平台承受的波浪载荷;根据巨型框架平台的结构特点,研究用于平台波浪载荷理论计算的简化模型,为工程应用提供了理论依据。第四、巨型框架平台结构参数动力优化研究。利用正交优化试验方法对在正弦载荷作用下,探讨巨型柱直径、倾角、巨型梁直径和巨型梁位置四因素对巨型框架平台结构的影响程度,对平台进行尺寸和形状优化研究,得到较理想的巨型框架平台,并通过仿真试验分析了优化的巨型框架平台在恶劣工况下的承载性能。第五、巨型框架海洋平台一般性设计方法的建立。总结巨型框架海洋平台力学性能、承载特性、波浪载荷计算方法、结构参数影响显著性及规律等,得出巨型框架平台指导性设计方法,为工程应用提供了理论支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 波浪载荷研究现状
• 1.2.1 波浪理论
• 1.2.2 波浪载荷计算方法
• 1.2.3 波浪载荷对平台的影响
• 1.3 海洋平台优化研究现状
• 1.3.1 尺寸优化
• 1.3.2 形状优化
• 1.3.3 拓扑优化
• 1.3.4 动力优化
• 1.4 巨型框架结构研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 1.6 小结
• 第二章 巨型框架海洋平台设计
• 2.1 平台拓扑优化研究
• 2.1.1 拓扑优化方法
• 2.1.2 模型建立
• 2.1.3 静载荷下平台拓扑优化研究
• 2.2 巨型框架海洋平台构建
• 2.3 平台自振特性分析
• 2.4 平台承载特性分析
• 2.5 小结
• 第三章 波浪载荷计算及影响因素分析
• 3.1 巨型框架海洋平台波浪载荷理论计算
• 3.1.1 波浪理论选择
• 3.1.2 波浪载荷计算
• 3.2 结构参数对巨型框架海洋平台波浪载荷影响研究
• 3.2.1 巨型梁位置对平台波浪载荷的影响
• 3.2.2 巨型柱与巨型梁参数对平台波浪载荷的综合影响
• 3.3 巨型框架海洋平台波浪载荷计算方法分析
• 3.4 小结
• 第四章 巨型框架海洋平台参数分析及优化研究
• 4.1 正交优化理论
• 4.2 巨型框架海洋平台结构参数优化研究
• 4.2.1 影响因素确定
• 4.2.2 仿真试验安排
• 4.2.3 平台最优结构参数确定
• 4.3 恶劣载荷作用下MFP 平台综合性能分析
• 4.4 巨型框架海洋平台一般性设计方法要点
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录