一種新型海洋裝備概念設計中的動力學問題研究.pdf

1、隨著全球對能源需求的不斷加大，向深海進軍已成為海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展方向。中國擁有廣闊的海洋面積，在東南沿海的深海海域，已探明海底蘊含著豐富的海洋石油天然氣資源。目前，我國已基本掌握了淺海石油的開發(fā)技術，而對水深超過500m以上的深海油氣田的勘探開發(fā)技術還比較落后，因此突破深海石油開發(fā)裝備的關鍵技術成為決定我國能否成功進軍深海的決定性因素。浮式鉆井生產儲卸裝置(Floating DrillingProduction Storage

2、and Offloading system，簡稱FDPSO)是一種新型的海洋開發(fā)裝備，適應于深遠海及邊際油田的開發(fā)，具有廣闊的應用前景，近年來成為海洋工程界關注的一個熱點。
　　FDPSO是在已有開發(fā)裝備的基礎上發(fā)展而來的，它同時包含了典型浮式鉆井裝置（如張力腿平臺，立柱式平臺及半潛式平臺等）和浮式生產儲卸裝置(FPSO)兩套系統(tǒng)的功能，具有更高的經濟性。不同作業(yè)功能對浮體的水動力性能要求不盡相同，鉆井作業(yè)時對浮體水動力性能要求較

3、高，因此現(xiàn)有的浮式鉆井裝置的主體結構多由圓柱筒狀，桁架及沉箱等組合而成來減小浮體的受力面積，減小其運動范圍;而完成對原油的儲卸則需要較大的存儲空間，因此FPSO多為大型船型浮體，船型浮體受力面積大，運動性能則較差?？梢姡現(xiàn)DPSO要同時滿足所有的作業(yè)要求，就必須對其性能進行總體設計，不能僅對原有裝置進行簡單組合。目前由于這種新型裝備尚處于概念設計階段，沒有固定的結構形式，也沒有設計的指導規(guī)范，建造經驗更加匱乏，國內外研究機構正在積極開展

4、相關的研究工作，促進其從概念走向實際工程應用。本文根據(jù)SBM公司(Single Buoy Moorings Inc.)提出的一種新型FDPSO的概念，圍繞設計中涉及的整體布置，船體的水動力性能，特別是其關鍵結構TLD(Tension Leg Deck)的動力學問題，進行了如下研究工作:
　　(1)闡述FDPSO-TLD概念的基本原理，給出了船體及張力甲板系統(tǒng)的基本布置，并基于勢流理論對船體的水動力性能進行分析，討論了月池尺寸對船體

5、水動力性能的影響，研究了在船體底部增加擋板改善船體水動力性能的效果。
　　(2)建立了船體和TLD系統(tǒng)的垂蕩運動頻域耦合模型，分析了船體和TLD系統(tǒng)的弱耦合特征;設計了TLD系統(tǒng)的中尺度室內模型仿真平臺，利用半物理仿真實驗技術對TLD系統(tǒng)的動力特性進行了實驗研究，利用該理論模型對南海海況進行仿真分析，驗證了其設計的升沉補償作用，但浪向角對響應影響較大，應用中需避免橫浪工況。
　　(3)采用Euler-Bernoulli梁模型

6、對TLD系統(tǒng)中的立管進行模擬，采用微分變換的方法解決了立管在役和自由懸掛兩種狀態(tài)下的模態(tài)的求解問題。該方法可以考慮截面性質及軸向張力為空間變量，其控制方程為變系數(shù)四階偏微分方程的情況，簡單易行。通過算例驗證了本方法的有效性;并考察了該數(shù)值算法的收斂速度;分析了立管主要參數(shù)變化對頻率及振型的影響;結合工程實際考察了立管起下水作業(yè)時在飛濺區(qū)易發(fā)生共振的水深區(qū)域。
　　(4)基于TLD系統(tǒng)的簡化模型，提出了隨機波浪和參數(shù)激勵共同作用時，

7、TLD系統(tǒng)中立管振動的頻域求解方法?？紤]立管軸向的參數(shù)激勵作用時，其控制方程為一個周期時變系統(tǒng)，無法采用傳統(tǒng)頻域方法進行求解。本文結合虛擬激勵法對這種周期時變系統(tǒng)進行頻域求解，并通過Floquet理論對穩(wěn)定區(qū)域進行了分析。通過與Monte-Carlo非線性時域模擬對比驗證了本文方法的正確性和高效性;研究了參數(shù)激勵和隨機波浪作用下立管的響應規(guī)律。
　　(5)采用尾流振子模型對海流可能引起的立管渦激振動進行了預報，研究了參數(shù)激勵對渦激

8、振動的影響。分析表明參數(shù)激勵對渦激振動有重要影響，當參數(shù)激勵的升沉幅值和頻率較小時，參數(shù)激勵可加大渦激振動的響應，并影響響應的頻率成分，出現(xiàn)參數(shù)激勵頻率與渦激頻率之間的和頻和差頻;當參數(shù)激勵中升沉幅值和頻率的較大時，立管的響應以參數(shù)激勵主導，擾亂了漩渦脫落的形成，響應較之單純渦激振動作用時增大了數(shù)倍，降低了立管的疲勞壽命。
　　(6)為避免由于FDPSO-TLD外部配重的運動引起立管軸向張力變化而導致的參數(shù)共振，提出了在船體上安裝