深海浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的非線性時(shí)域分析.pdf

1、隨著人們對(duì)深海油氣資源的渴求日趨迫切，深海油氣開發(fā)的相關(guān)技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。其中深海平臺(tái)作為油氣采集、儲(chǔ)存直至加工的樞紐，更是發(fā)展的重點(diǎn)。深海平臺(tái)在波浪上的運(yùn)動(dòng)性能是平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)之一。系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)等撓性部件作為海洋平臺(tái)定位及油氣輸運(yùn)的核心設(shè)施，其運(yùn)動(dòng)及力學(xué)性能同樣倍受關(guān)注。在系泊系統(tǒng)定位過程中，系泊系統(tǒng)和浮體發(fā)生相互作用。系泊系統(tǒng)作用在浮體上的拉力影響著浮體運(yùn)動(dòng)，而反過來，浮體的運(yùn)動(dòng)又影響著系泊系統(tǒng)所提供的回復(fù)力大小。同

2、樣立管系統(tǒng)也不可避免地與平臺(tái)發(fā)生相互作用。三者共同決定了浮體運(yùn)動(dòng)及各撓性部件的動(dòng)力響應(yīng)。在理論研究中，時(shí)域耦合動(dòng)力分析能更真實(shí)地反應(yīng)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜索的張力情況，對(duì)減小海洋結(jié)構(gòu)物的工程風(fēng)險(xiǎn)、提高其可靠性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度有著十分重要的意義。
　　 本文基于浮體在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論、時(shí)域GREEN函數(shù)方法、頻域GREEN函數(shù)方法和FFT方法，開發(fā)了求解浮體六自由度時(shí)域運(yùn)動(dòng)的計(jì)算程序；根據(jù)經(jīng)典細(xì)長桿件理論及錨泊線理論，自主開發(fā)了撓性部件

3、的三維時(shí)域有限元計(jì)算程序。并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了浮式結(jié)構(gòu)物及其撓性部件系統(tǒng)的完全時(shí)域耦合計(jì)算程序。本文對(duì)在波浪中運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)的水動(dòng)力系數(shù)和波浪力以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，通過與文獻(xiàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證波浪載荷及浮體運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序的可靠性。對(duì)于撓性部件，分別就幾何非線性、材料非線性單獨(dú)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)綜合了除材料非線性外的其他非線性要素的動(dòng)態(tài)問題進(jìn)行了考察驗(yàn)證。對(duì)于浮體與撓性部件系統(tǒng)的耦合分析，通過與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，證明了數(shù)值模型的可靠性。

4、　　 纖維纜由于其輕質(zhì)、無腐蝕等特點(diǎn)，近年來在海洋工程中得到了廣泛地應(yīng)用。但由于纖維材料非線性特性的復(fù)雜性，常規(guī)方法已不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其動(dòng)力響應(yīng)。為此，在本文的研究中，在推導(dǎo)出纖維纜控制方程后，再根據(jù)相關(guān)的材料非線性特性對(duì)纖維纜的剛度、應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。
　　 纖維纜的材料非線性，體現(xiàn)在其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上，在纜索動(dòng)力學(xué)中，反映在應(yīng)變與纜內(nèi)張力之間的關(guān)系上。準(zhǔn)確模擬數(shù)值計(jì)算過程中的應(yīng)變與張力的關(guān)系，是纖維纜動(dòng)力計(jì)算的關(guān)鍵問題。本文針對(duì)

5、纖維纜的動(dòng)力特性，通過理論研究發(fā)現(xiàn)，除動(dòng)態(tài)剛度外，纖維纜的殘余應(yīng)變對(duì)準(zhǔn)確模擬纖維纜的動(dòng)力特性起著重要作用，并依據(jù)本文理論推導(dǎo)的結(jié)果，給出了纖維纜動(dòng)態(tài)剛度及相應(yīng)的殘余應(yīng)變的估值方法。發(fā)現(xiàn)使用該方法可大大縮短計(jì)算時(shí)間，并且提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。
　　 全面地研究了系泊系統(tǒng)的勢能、動(dòng)能等能量成分及錨泊阻尼的能量耗散作用。從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，考察了錨泊線在不同張力水平下，各張力成分所其作用大小，為錨泊線的設(shè)計(jì)提供了理性的參考。在設(shè)計(jì)階段，依