深海系泊系統(tǒng)松弛-張緊過程纜繩的沖擊張力研究.pdf

1、Spar平臺是目前深海油氣資源開發(fā)的主要裝備之一，其中的系泊系統(tǒng)是深海平臺的定位系統(tǒng)，當(dāng)系泊的平臺浮體發(fā)生大幅運動時，系泊系統(tǒng)會出現(xiàn)松弛-張緊狀態(tài)的改變，引起系纜張力的迅速增大，可能危及深海平臺的安全生產(chǎn)。本文針對深海系泊系統(tǒng)松弛-張緊過程的沖擊張力進行了研究。主要工作和結(jié)論如下： ⑴在Mohammad Behbahani Negad研究工作的基礎(chǔ)上，考慮纜繩內(nèi)水平張力和位置，用泰勒級數(shù)展開，得到纜繩的曲率和張力的表達式，建立包

2、含松弛和張緊兩種情況的連續(xù)模型，采用應(yīng)力波理論分析了纜繩內(nèi)水平張力、波數(shù)、纜索坐標(biāo)等參數(shù)對纜繩內(nèi)應(yīng)力波傳播特性的影響，證明了本文考慮纜繩張力和曲率變化的合理性。 ⑵根據(jù)應(yīng)力波基本理論和非線性動力學(xué)基本理論，計算得到纜繩在松弛、松弛-張緊和張緊三種狀態(tài)下纜繩的運動和張力，比較分析了纜繩三種運動狀態(tài)的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)三種狀態(tài)下，纜索結(jié)構(gòu)的運動特點、最大張力和對結(jié)構(gòu)的破壞程度都不相同。在松弛-張緊狀態(tài)，纜繩的橫向運動出現(xiàn)跳躍，張力中出現(xiàn)突變

3、的尖峰和倍頻成分。松弛.張緊時產(chǎn)生的沖擊張力是松弛情況的5倍，是張緊情況的2.4倍，容易引起纜繩的強度破壞，縮短疲勞壽命。 ⑶根據(jù)沖擊動力學(xué)理論，對系泊平臺浮體-纜繩系統(tǒng)進行了耦合分析，給出系統(tǒng)的松弛區(qū)域和張緊區(qū)域的邊界曲線，并對影響因素進行了分析。結(jié)果表明，纜繩-浮體本身的系統(tǒng)參數(shù)和外部載荷條件的改變，例如無量綱的位移比，或阻尼比發(fā)生改變，會引起系統(tǒng)在松弛-張緊區(qū)域間的轉(zhuǎn)變，從而引起纜繩內(nèi)的沖擊張力。纜繩內(nèi)的最大動態(tài)張力隨波高

4、、波浪頻率、預(yù)張力的增大而增大，隨纜繩長度的增大而減小。 ⑷采用實驗方法，對浸沒在準(zhǔn)靜態(tài)流體中的繩索的沖擊張力問題進行研究，觀察到纜繩中的沖擊張力，證明了沖擊張力的存在性和此問題研究的必要性。同時，還研究了纜繩內(nèi)最大張力的影響因素。結(jié)果表明，在相同的條件下，纜繩的最大張力隨端點激勵頻率和激勵幅值、纜繩剛度、纜繩直徑、纜繩彈性模量的增大而增大，隨纜繩長度的增大而減小。實驗驗證了理論計算的正確性。 ⑸對空氣中的沖擊張力實驗和