深水悬链复合锚泊线疲劳损伤计算

以某座Spar平台的锚泊系统为研究对象,首先利用三维绕射理论计算Spar平台主体波浪力,得到平台的总体运动响应时程。再建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于DelVecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,根据计算得到的平台主体运动响应时程作为锚泊线顶端输入条件,在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析。计算得到中国南海某海域各短期海况条件下复合锚泊线应力的时间历程曲线,采用雨流法对其计数得到对应于各短期海况条件下的疲劳载荷谱。最后根据Miner线性累积损伤模型,对复合锚泊线在长期海况条件下的疲劳损伤进行比较计算。     

深水Spar平台在不规则波中的运动响应

南海水深一般在500m到2000m,属于深水区,Spar平台的适用水深为500m到3000m,是深水开发的经济型平台.对系泊于2000m水深的Classic spar平台在不规则波作用下的运动响应和缆索张力进行了数值模拟.首先通过频域方法得到Spar平台的波浪作用力传递函数、附加质量和辐射阻尼,然后通过快速傅立叶变换将频域结果转换到时域;基于全量的拉格朗日表述和两节点的等参索单元,应用几何非线性有限元方法和Newmark方法计算系泊缆索张力;应用四阶龙哥库塔法计算时域运动方程,得到Spar平台的运动响应和缆索张力.采用JONSWAP波能谱生成不规则波面,考虑了谱峰升高因子不同取值的影响,分析了二阶漂移力、不同缆索初张力和缆索刚度对于系泊系统的影响.     

锚泊静回复力刚度和阻尼水平对深水浮式平台运动响应的影响

以一座工作水深1500m半潜式平台的悬链线锚泊系统为基准,分别以静回复力刚度和锚泊阻尼为等效原则,设计了四组参照锚泊系统。设计过程中,采用分段外推法计算锚泊的静回复力刚度;利用准静定计算方法,根据锚泊系统由于上部浮体运动而产生的能量耗散原理计算锚泊系统阻尼。在时域范围内分别计算了半潜式平台在以上五组锚泊系统下的运动响应。通过比较分析,总结了静回复力刚度和锚泊系统阻尼水平对半潜式平台低频和波频运动响应的影响。     

桁架式Spar平台在波浪中的运动预报与实验测量

基于细长体水动力公式和刚体全非线性运动方程,以及桁架式Spar平台主体与其锚泊系统相互耦合的力和位移边界条件,建立了桁架式Spar平台在波浪中的运动响应预报模型,对其在波浪中的运动和锚泊力进行了预报。通过运动光学测量系统和拉力传感器在哈尔滨工程大学水池对Spar平台模型在波浪中的运动和锚泊力进行了测量。数值预报结果和实验测量进行了比较,结果表明二者符合得很好。     

浅水中OSV锚泊定位分析研究

本文采用数值计算方法对浅水中海洋平台支持船(OSV)的锚泊定位性能开展研究.首先,基于三维频域势流理论,对一艘OSV不同水深的水动力性能开展分析,计算了水动力系数、运动幅值响应算子、一阶波浪力和二阶波浪力.由于浅水中非线性效应显著,本文采用中场公式计算了该OSV全二阶波浪力传递函数(Full Quadratic Transfer Function,简称全QTF).然后,本文对不同水深下锚泊系统的水平刚度开展了分析,计算了不同水深下锚泊系统的水平刚度,研究了水深对锚泊系统水平刚度的影响.最后,采用准动态方法对不同水深下的OSV和锚泊系统开展时域分析,研究了水深对船体运动性能和锚索张力的影响.     

深水复合锚泊线动力特性比较分析

为了研究复合锚泊线的动力特性,文章对完全相同的两根复合锚泊线,保持其他条件不变,用聚酯纤维系缆代替钢索,使锚泊线顶端张力-静位移特性曲线基本一致,然后采用数值模拟的方法对整根复合锚泊线的动力特性进行比较分析。比较两种复合锚泊线的自振频率、复合刚度和锚泊阻尼。建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于Del Vecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度,比较上部平台分别发生慢漂和波频运动时刚度的变化。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,给定上部平台运动时程后在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析,通过计算锚泊线从平台运动中吸收的能量,得到锚泊系统的阻尼,比较上部平台分别发生慢漂和波频运动时阻尼的变化。     

带螺旋侧板的Spar平台涡激运动数值模拟

[目的]长时间持续的涡激运动可能会引起Spar平台锚泊系统疲劳甚至是平台结构损坏,因此,必须充分考虑到涡激运动的不利影响。[方法]利用自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU以及动网格方法,对Spar平台的涡激运动流场特性进行数值模拟。采用基于剪切输运应力方程的延时分离涡(SST-DDES)湍流模式,对带螺旋侧板的Spar平台的三维精细尾涡结构进行模拟,研究其在不同折合速度下的纵向、横向、艏摇运动响应以及运动轨迹。采用水平线性弹簧系统替代模拟平台系泊系统,并在研究中考虑平台不同自由度间的耦合作用对平台涡激运动的影响,然后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,分析带螺旋侧板的Spar平台横向和流向运动时间历程、频谱特性、锁定现象等,以揭示其涡激运动的内在机理。[结果]结果显示,加装螺旋侧板可有效减小Spar平台涡激运动响应幅值;采用自主开发的CFD求解器计算模拟海洋平台涡激运动问题具有良好的精度和可靠性。[结论]带螺旋侧板Spar平台涡激运动的数值模拟分析对Spar平台实际设计工作具有重要意义。     

深水Truss Spar水动力计算方法研究

为了研究深水Spar平台的运动特性,考虑平台与波浪的相对运动,对一座深水Truss Spar平台进行波浪载荷及运动响应计算。波浪载荷计算中Truss Spar主体和软舱采用3D势流理论计算,而垂荡板、桁架和立管系统采用线性化的Morison公式计算,同时求解中考虑系泊系统的影响。计算结果表明,Spar平台波频运动较小,而低频运动较为显著,其响应幅算子较大。     

深水半潜式平台系泊系统设计研究

随着海洋平台逐步向更深水域的发展,系泊系统设计成了深海平台开发的关键问题之一.该文主要采用时域计算方法对系泊系统进行动力响应分析,给出了深水半潜式平台系泊系统的基本设计方法,并对2 000m水深的半潜式平台系泊缆索进行了8根与12根锚链线的系泊方案的对比分析,结果表明系泊方式不同,锚泊线的张力,系统的运动响应都受到了一定程度的影响.     

浅水单模块浮式防波堤锚泊系统分析研究

针对浅水海域的单模块浮箱式防波堤,利用水动力通用软件ANSYS-AQWA,建立不规则波作用下浮体锚链耦合模型,得到浮式防波堤频域与时域的动态响应。重点分析频域下的六自由度运动RAO,以及利用AQWA的缆索动力学模块,设计对比了拖地长度和预张力不同的锚泊线受力情况,并得到该条件下最优的锚泊系统,对实际工程有参考价值。     

纤维系缆动刚度特性研究

随着海洋油气开发向深海转移,新型绷紧式系泊系统凭借其在深水应用中表现出的诸多优越性而倍受关注。文中对聚酯纤维系缆的应力应变关系进行了考查,基于弹性模量的经验公式,推导出无量纲的动刚度计算公式,采用误差控制的迭代求值方式求解单根系缆动刚度。该理论计算方法较之于有限元数值计算方法更简洁快速。选取了一座工作水深为1500 m的新型单柱式（Spar）平台,计算系泊系统单根系缆的动刚度和张力,并与有限元计算结果进行对比,二者非常吻合。     

水深截断系泊缆动力特性试验研究

采用Froude相似准则和常规缩尺比在现有试验水池很难对深水系泊缆进行完整模拟.一种可行的方法是对全水深系泊缆进行截断,设计静力和动力特性都与全水深系泊系统等效的水深截断系泊系统.但是如果深水平台的工作水深很大,或者是现有水池的工作水深很浅,就需要对全水深系泊缆进行较大的截断.文章对一工作在15OOm 水深的Cell-Tress Spar平台在现有4m水深的水池进行了模型试验.虽然采用了1:100的模型缩尺比,但是截断因子仍然较大.文中给出了6种水深截断系泊缆方案,主要参数均各不相同.通过单缆模型试验对水深截断系泊缆的动力特性进行了研究,并采用其中2种水深截断系泊缆进行了不规则波模型试验.结果表明,增大直径和单位长度空气中重量可以有效增加水深截断系泊缆的动力响应,合理控制轴向刚度可以保证在整个位移范围内的动力响应变化趋势.因此认为,如果合理地选择了水深截断系泊缆的所有参数,较好模拟全水深系泊缆的动力响应是可能的.     

深水半潜式钻井平台纤维材料系泊方案研究

针对一个工作于墨西哥湾海域1500m水深的半潜式钻井平台,选择polyester PET,polyester PEN和HMPE三种合成纤维材料及不同轴向刚度进行系泊方案设计,考虑系泊线的非线性动态特性和平台与系泊线之间的相互影响,在时域内进行耦合计算分析.并与传统的锚链钢缆组合的悬链线式系泊方式进行比较,发现悬链线方式很难保证平台的活动半径在要求范围之内,而由新型纤维材料组成的张紧式系泊方式则能达到良好的定位效果.经进一步对三种材料系泊系统对平台运动和系泊线受力以及经济性的比较,确定polyester PET最满足此半潜式钻井平台的安全作业要求.     

深水悬链锚泊线疲劳性能评估

以某座Spar平台的单根锚泊线为对象进行疲劳性能研究,采用钢链-钢索-钢链三段组成的悬链式锚泊线.基于非线性有限元方法计算锚泊线的动力响应.选取锚泊线上端钢链与上部结构、钢索与钢链的链接点,采用雨流计数法对其应力时程曲线计数得到各短期海况下的疲劳荷载谱.根据Miner线性累计损伤理论,分别得到三个危险链接点在长期海况下的疲劳损伤,对锚泊线的疲劳性能进行评估.     

深水作业船锚索锚泊性能研究

为了探索深水作业船的锚索锚泊性能,运用悬乖线理论分析了钢索和复合锚索的无因次长度、重量与位能,推导出了钢索和复合锚索位能对外力导数的公式,从锚索静载荷角度研究了钢索和复合锚索吸收动载荷的能力.模拟计算结果表明,与钢索相比,复合锚索对增加卧底锚索重量、保持锚的稳定性和抓力是有利的,对减小锚泊船漂移范围也有益处,但吸收动载荷能力下降.复合锚索中设置的锚链的长度取1节(27.5 m)为宜,锚泊时甲板以下锚索长度以2.5～3.0倍水深较为合适.此结论对深水作业船的锚泊操纵有一定的参考意义.     

Truss Spar平台在不同系泊线组合下的动态响应分析（英文）

The dynamic responses of any floating platform are dependent on the mass, stiffness and damping characteristics of the body as well as mooring system. Therefore, it is very essential to study the effect of individual contributions to the system that can finally help to economise their cost. This paper focuses on the effect of mooring stiffness on the responses of a truss spar platform, obtained by different grouping of lines. The study is part of our present researches on mooring systems which include the effect of line pretension, diameter and azimuth angles. The platform is modelled as a rigid body with three degrees-of-freedom and its motions are analyzed in time-domain using the implicit Newmark Beta technique. The mooring lines restoring force-excursion relationship is evaluated using a quasi-static approach. It is observed that the mooring system with lines arranged in less number of groups exhibits better performance in terms of the restoring forces as well as mean position of platform. However, the dynamic motions of platform remain unaffected for different line groups.     

近岛礁浅水环境下浮式平台系泊系统设计研究

基于有限水深格林函数、Morison公式和时域耦合动力分析方法,以一近岛礁半潜式生产生活平台为研究对象,分析了传统系泊方式(悬链线式和张紧式)和桩柱式系泊方式下平台的运动和系泊系统动力响应。结果表明,通常应用在中深水海域的传统系泊方式,在近岛礁浅水环境下使用时会出现一系列的问题,且进一步优化的空间较小。而文中提出的新型桩柱式系泊系统,很好地解决了传统系泊方式在浅水中存在的问题,且使得船舶的停靠变得更加便利。该文中的分析结果可为平台的水池模型试验和浅水环境下浮式平台系泊系统的进一步设计提供参考。     

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。