考虑下沉运动情况下的张力腿平台耦合动力响应

考虑张力腿平台的六个自由度运动,分析平台本体纵荡、横荡和首摇与下沉运动的关系,推导了非线性恢复刚度矩阵,建立非线性运动方程。基于Airy波波浪理论,在不同波高作用下,计算张力腿平台的运动响应,得到平台运动的时间历程和频谱特性。将基于新推导的刚度矩阵的计算结果与A.Jain刚度矩阵得到的计算结果进行了比较分析,表明平台的下沉运动导致平台垂荡运动响应明显增大。在垂荡运动中包含了波频和倍频超谐运动成分,纵荡、横荡和首摇对于下沉具有重要影响。     

SPAR平台系泊系统模态分析

考虑深水系缆的拉伸和弯曲变形,取正交坐标和切向量描述任意结点的6个广义位移,计及缆变形的几何非线性和水动力影响,基于细长杆理论推导缆索的单元刚度矩阵,得到12×12的非线性单元刚度矩阵,实现了单元与有限元软件的调用对接.针对水深318m的Spar平台,四根缆定位,计算了前12阶固有频率和模态.计算结果表明,上述单元刚度矩阵能够反映深海系泊缆的力学特性,得到的频率和模态特性基本合理.     

芯层可压缩的夹层梁动态刚度矩阵研究

该文推导了考虑芯层垂向压缩变形影响的夹层梁的动态刚度矩阵,为动态刚度矩阵方法提供了一种新的单元类型。首先给出了一种考虑夹层梁芯层垂向压缩变形影响的夹层梁位移模式,推导了相应的夹层梁动能和势能,根据Hamilton原理推导了其控制微分方程,按动态刚度矩阵的一般推导过程推导了考虑芯层垂向压缩变形影响的夹层梁动态刚度矩阵。计算结果表明文中推导的夹层梁动态刚度矩阵是正确可靠的;在夹层梁的动态刚度矩阵推导和高频振动计算中考虑芯层垂向压缩变形是合理的。     

系泊缆索的非线性动力响应计算

系泊缆索会受到非线性流体动力的作用,还会出现大的位移。采用三维弹性梁理论模型,把缆索看作是等拉伸刚度、等弯曲刚度的细长结构,采用非线性有限元法求解缆索的运动方程。用牛顿迭代法计算系泊缆索的静力平衡状态。对于缆索的动力响应方程,采用隐式、显式混合的数值格式,最终将方程化为显式格式进行求解,提高了计算效率;使用高阶单元,只需要较少的单元就可以得到收敛解。计算结果表明,该计算方法能较准确地描述系泊缆索的非线性特征,且适用于缆索大变形条件下的动力响应分析。     

船舶在纵浪中的运动稳性分析

基于非线性动力学理论，分析船舶在纵浪上的运动响应和运动的稳定性。首先建立描述船舶在纵浪上运动的垂荡—横摇耦合运动方程，利用多尺度法，求得垂荡—横摇耦合运动的亚谐共振解。其次，对船舶运动的稳态响应进行稳定性分析，得到亚谐共振情况下，船舶运动稳态响应的分布图，并揭示了船舶运动的某些非线性特征。     

船舶垂荡与纵摇耦合运动频率散射机制研究

针对船舶纵向速度振荡对垂荡与纵摇耦合运动建立运动响应模型,基于弗劳德-克雷洛夫假定,采用切片法推导切片的浮力、阻尼力和惯性力,通过对切片的积分得到了船体垂荡与纵摇的水动力(矩),推导并得到垂荡与纵摇耦合运动响应方程。以某隐身船为实例,初步分析遭遇频率散射强度和散射频率对耦合运动的影响,得到增大散射强度和散射频率可以减弱耦合运动及其剧烈程度的初步结论。     

抑制半潜式平台垂荡响应的方法研究

对抑制半潜式平台垂荡响应提出了两种解决方案。在没有系缆力作用的情况下,借助于吃水深度对垂荡响应幅值影响的理论研究,利用SESAM/HydroD软件进行数值计算,得到吃水深度增加对平台垂荡幅值的抑制规律。在有系缆力作用的情况下,考虑采用配置质量块的方法降低平台垂荡响应。用SESAM/DeepC软件进行时域分析,得到质量块抑制平台垂荡的规律。结果表明,两种方法对垂荡响应均有比较有效的抑制作用。     

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。     

张力腿系缆系统涡激振动疲劳可靠性分析

张力腿平台的系缆系统在波流的联合作用下非常容易发生疲劳破坏.文章通过多项Galerkin方法对张力腿系缆系统的涡激振动方程进行求解,获得了系统的非线性动力响应.并综合考虑疲劳评估中相关参数和程序的不确定性,运用断裂力学的方法对系缆系统进行疲劳可靠性评估.文中还分别运用FORM和蒙特卡罗仿真对具体算例进行了计算.     

TLP平台垂荡运动对立管疲劳寿命的影响

针对海洋平台与立管接头的非线性特征,就TLP平台的一阶与二阶垂荡运动及其对立管上端点耦合产生位移,在考虑平均应力影响的基础上,基于DNV,ABS与UK等船级社规范提供的S-N曲线,讨论立管的疲劳问题.采用Goodman模型与Gerber模型进行有效循环应力分析与对比.从4种非线性接头对于立管上端点的动应力影响来看,接头节点的非线性特征,对立管应力影响较大.考虑平均应力影响,从2个模型(Goodman和Gerber)的比较来看,Goodman模型考虑平均应力影响相对保守;从平台的一阶、二阶垂荡对立管上端点的影响来看,一阶垂荡过程中,最大应力点在触地点,二阶垂荡最大应力点为立管上端点;从疲劳损失程度来看,二阶垂荡运动对疲劳寿命影响较大;从3个船级社的S-N曲线来看,DNV的S-N曲线偏于保守,ABS的其次,UK的S-N曲线得出的疲劳寿命最长.     

新型多筒式FDPSO概念设计及其系泊系统分析

为研究新型多筒式浮式钻井生产储卸油轮（FDPSO）的系泊系统及其动力响应特性,评估其系泊系统的疲劳性能,针对新型FDPSO的总体布置,以中国南海1 000 m水深为背景,设计新型储油装置的系泊系统,研究系泊点和导缆孔、系泊缆布置及系缆的结构形式。考虑腐蚀和南海风浪条件,计算系泊系统的动态响应,校核系泊系统的强度,计算系泊状态FDPSO的运动响应和系缆张力。考虑南海西沙波浪分布,采用S-N曲线以及Miner线性累计损伤理论,并采用雨流计数方法,对系泊系统进行疲劳分析。结果表明,设计的多筒式FDPSO的系泊系统能够满足作业定位的要求,可以抵御百年一遇的风浪作用,疲劳寿命大于设计寿命的3倍。     

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。     

深海系泊缆的动刚度特性

针对纤维缆在交变载荷作用下存在的动刚度问题,基于集中质量法的思想建立了系缆的动张力计算模型,编制了能够有效分析系泊系统动力响应的源程序.将张力程序计算结果与商业软件计算结果进行对比,验证了算法程序的准确性,并在此基础上分析了纤维缆复杂的应力应变行为,采用统计的原理计算平均张力和张力幅值,将动刚度引入模型中探究其对系泊张力的影响.此外,分析系统在不同运动形式及环境载荷下的张力结果,研究考虑动刚度后系统参数对系泊张力的影响规律.     

生产驳船多点系泊定位系统动态响应

导出了多点系泊系统的船舶运动方程,在船舶运动方程中计入了非线性恢复力。缆索分段的三维动态方程中采用了凝集参数模型与平均切向量非线性流体动力载荷处理技术,对某生产驳船系泊问题进行了计算,对受有风、浪、流环境力的系泊船运动方程进行了数值求解,得到了随时间变化的船舶运动和系泊索动态张力,考查了缆索动力学对船舶运动和链张力的影响,并与以前未计入缆索动力影响的准静态结果进行了比较。     

FPSO外输系统动力响应及风险分析

采用水动力分析软件AQWA对由软钢臂式单点系泊FPSO和油轮组成的串靠外输系统的动力响应和安全性进行研究。基于多体方法,建立串靠外输系统的有限元模型,计算4种拖轮拉力和24种作业海况下外输系统的连接大缆张力、两浮体相对艏向角及间距的时间历程,并分析波高、流速、风速、风浪流夹角、连接大缆长度等因素对系统动力响应的影响及动力响应特性。此外,还开展了串靠外输系统的风险分析,计算不同海况下连接大缆失效、船体碰撞和过分相对艏向运动的发生概率。研究结果对串靠外输系统的设计和外输作业具有一定的指导意义。     

深水系泊缆绳动力特性研究

考虑波浪、海流、顶部浮体运动与海底接触效应的影响,依据集中质量法建立系泊缆绳柔性力学模型,以一座深水半潜式平台的系泊系统为例,对比研究了各种因素对于缆绳动态张力与水中构型的影响程度,最后采用模型试验方法对数值计算结果进行验证。研究表明：缆绳的动态系泊张力主要由浮体运动所引起,可达总张力的20%左右,海流流速可使得缆绳形态出现大变形,导致缆绳卧底长度发生明显改变,危及平台作业安全,波浪与海底摩擦对于缆绳响应的直接作用较小,设计阶段基本可以忽略不计。     

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。     

Development of study on the dynamic characteristics of deep water mooring system

To meet the needs of those exploiting deepwater resources, TLP and SPAR platforms are used in some areas and are considered excellent platforms in deep water. However, many problems remain to be resolved. The design of mooring systems is a key issue for deep water platforms. Environmental loads in deep water effect the physical characteristics of mooring line materials. The configuration and analysis of mooring systems involve nonlinearity due to this fluid-solid coupling, nonlinear hydrodynamic forces, and their effects on stability of motion. In this paper, some pivotal theories and technical questions are presented, including modeling of mooring lines, the theory and method of coupled dynamics analysis on the mooring system, and the development of methodologies for the study of nonlinear dynamics of mooring systems. Further study on mooring systems in deep water are recommended based on current knowledge, particularly dynamic parameters of different materials and cable configuration, interactions between seabed and cable, mechanisms of mooring system response induced by taut/slack mooring cables, discontinuous stiffness due to system materials, mooring construction, and motion instability, etc.     

海上养殖平台系泊系统耦合动力响应与疲劳计算

以某管架式海上养殖平台为例,计算平台-系泊系统耦合时域动力响应与系泊系统疲劳寿命,分析锚链拉力统计特性、平台运动规律、疲劳损伤成分比例等因素的影响。研究发现系泊系统动力响应具有明显的非线性特征,定常漂移力对本平台系泊系统极限载荷有重要影响,而波频振荡是产生疲劳损伤的主要因素。计算结果表明,系泊缆能够有效限制平台运动,且疲劳寿命满足设计要求,可为类似平台的设计和安全性评估提供参考。     

The dynamics of deep water subsea lifting operations in super-harmonic resonance via the harmonic balance method

The dynamics of deep water subsea lifting operations experiencing super-harmonic resonance is analysed in this study. The harmonic balance method is used to solve the non-dimensional equation of motion of the system and the results are compared with time domain integration and with an equivalent energy dissipation model for typical subsea lifting scenarios. It is demonstrated that 1:3 and 1:5 super-harmonic resonances represent significant features of the response of the system and can lead to large dynamic forces in the cable, which may violate the structural limits of the system in real operations. The harmonic balance method presents results almost as accurate as the time domain integration but up to 25 to 35 times faster, while the equivalent energy dissipation model is not able to represent the super-harmonic resonances. Consequently, taking into account the dynamics introduced by super-harmonic resonances is necessary in the analysis of subsea lifting operations, as it can be the limiting design criterion in certain scenarios, and the harmonic balance method can be used as a fast and accurate method to solve this problem.