卸载浮标系统运动响应分析*

深水卸载浮标系统具有相对较小的排水量和惯性,其系泊缆索的质量、阻尼和刚度会对卸载浮标系统产生非常大的影响,因而对浮标和其系泊系统进行准确的耦合动力响应分析十分重要.应用边界元方法计算浮标的水动力,通过快速傅立叶变换,将频域计算结果变换到时域;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方法计算了系泊缆索张力;最后应用四阶龙哥库塔法计算浮标及其系泊缆索的时域耦合运动方程,得到浮标运动响应和缆索张力.     

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.     

基于AQWA的S-Spar平台动力响应分析

为了研究深水极端海况下带螺旋板的S-Spar平台的动力响应性能,基于三维势流理论和波浪的绕射/辐射理论,结合水动力分析软件AQWA,在频域内计算了单位波幅规则波作用下螺旋板导程分别为120 m、90 m和60 m的平台的动力响应,得到平台的附加质量、阻尼和运动RAO等水动力参数;基于频域分析结果,考虑随机波浪荷载及风、流的共同作用和系泊缆是否破断的工况,计算了系泊于1 500 m水深的螺旋板导程为120 m的平台在极端海况JOHNSWAP谱作用下的动力响应,并与不带螺旋板平台的动力响应进行了对比.分析结果表明:不同螺旋板导程的平台垂荡方向上的附加阻尼差异较大;在极端海况下,螺旋板导程为120 m的S-Spar平台的运动响应满足要求;螺旋板存在时会大幅增加平台的首摇运动幅值,忽略螺旋板可能会高估平台的首摇运动性能;不带螺旋板的平台的系泊缆张力幅值偏大,忽略螺旋板可能会高估系泊缆的极限张力.     

系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

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。     

畸形波作用下半潜式平台的极限生存能力评估

极限海浪可能对海洋平台的安全造成极大的威胁,故合理地评估平台在此海况下的运动响应和系泊缆索的动张力响应对平台设计具有重要意义。文章首先利用新波理论和随机海浪理论建立了畸形波入射波模型。然后利用间接时域方法和非线性有限元法分别建立了平台主体运动和系泊缆索动力响应的求解方程,并根据导缆孔的平衡方程建立了平台主体和系泊缆索的时域耦合运动方程。最后深入分析了某半潜平台在畸形波作用下的运动响应和系泊缆索的动张力响应,对平台的极限生存能力进行了评估。     

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。     

海上半潜式浮式风机平台系泊系统对比研究

选取5MW-OC4深水半潜式浮式风机平台为参考模型,利用AQWA软件建立半潜式浮式风机平台模型,在频域范围内计算浮式风机平台运动响应,得到平台幅频响应曲线,以验证数值分析的可靠性。选取3种浮式风机平台系泊系统,对比研究系泊系统改变对浮式风机平台运动响应的影响规律,同时分析极端环境条件下单缆失效对浮式平台运动响应及系泊缆张力的影响。计算结果对浮式风机平台系泊系统的优化设计有一定的参考意义。     

桁架式Spar平台与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析

开发了对浮式平台系统进行耦合动态分析的全时域程序。采用二阶时域方法计算水动力荷载,在此方法中,对物面边界条件和自由水面边界条件进行泰勒级数展开,利用Stokes摄动展开分别建立相应的一阶、二阶边值问题,而且此边值问题的计算域不随时间变化。采用高阶边界元方法计算每一时刻流场中的速度势,利用四阶预报校正法对二阶自由水面边界条件进行数值积分。在自由表面加入一个人工阻尼层来避免波浪的反射。对于系泊缆索/立管/张力腿的动力分析,在一个总体坐标系中对控制方程进行描述,采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。在耦合动态分析中,采用Newmark方法对平台和系泊缆索/立管/张力腿的运动方程同时进行求解。利用开发的耦合分析程序对一个桁架式Spar平台的运动响应进行了数值模拟,给出了平台的位移和系泊缆索/立管上端点的张力,并得到了一些重要结论。     

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。     

基于CFD方法研究月池内部流体对Spar平台垂荡运动的影响

文章采用CFD方法研究了Spar平台月池内部流体对平台垂荡运动的影响.建立了二维和三维的数值水池,并获得了稳定的规则波.针对月池的不对开口率计算了Spar平台的垂荡阻尼系数,分析了月池内部流体的运动特性,并研究了开口率对平台垂荡运动的影响.研究表明,半封闭月池时Spar平台的垂荡阻尼有所增大,月池的开口率影响月池内部流体的运动以及平台垂荡运动的RAOs.在实际中,对月池开口率的优化设计可以适当地降低Spar平台的垂荡运动.     

一种新型立柱式平台(Spar)的垂荡板设计

SPAR平台大多需要满足干式井口作业要求,对平台的垂荡性能要求较高。为降低平台的垂荡运动响应,通常在SPAR平台的桁架段设置垂荡板以增加垂荡阻尼和附加质量。以某新型立柱式平台(SPAR)为研究对象,对不同间距设置和型式的垂荡板进行性能分析,确定了平台的垂荡板的最终设计方案。     

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。     

复合缆索锚泊下的Spar平台动态响应分析

利用复合索链的计算公式,计算不同配置的复合链组成的锚泊系统的变刚度,并将计算结果运用于Spar平台运动方程中刚度矩阵的修正,分析并比较在不同锚泊系统作用下,Spar平台的动态响应行为。通过计算发现:虽然不同配置的复合缆索对平台的动态响应没有多大影响,但是缆索张力的变化确实截然不同。这些在平台锚泊系统的初步设计中必须考虑。     

Spar平台垂荡一纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。     

动力定位系统的研究与分析

动力定位系统在船舶和海洋工程有着大量的应用,特别是在深水石油开发钻井平台中成为必备的关键设备。海洋钻井平台在钻井作业过程中要求其不受海洋气象环境的影响,保持在一个相对确定的海面位置上。早期浅水浮式钻井平台采用锚定位的方式可以胜任该项作业要求,但随着水深的增加,特别在大于1000米水深时,从技术和经济角度考虑已不能适应实际的需要。本文集中介绍动力定位系统的组成和系统配置,为以后的动力定位系统设计起到一定的借鉴作用。     

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。     

新型干树半潜平台系泊系统的时域耦合分析

我国海洋油气开发正逐步从近海浅水区域不断往远海深水区域发展。随着水深的增加,传统的以锚链为材料,以自重为回复力的悬链线式系泊系统已经不再适用。世界上超深水浮式生产平台基本上都采用张紧式系泊系统,并且中间段采用超轻的聚酯缆材料以降低其施加在平台上的荷载。基于1500米超深水的中国南海环境,开发了一种运动性能良好的新型干树半潜平台。新型平台的系泊系统采用张紧式锚链-聚酯缆-锚链形式。根据平台尺度和环境条件,对系泊系统进行了布置和设计。通过时域耦合方法对系泊系统进行了数值分析,分析结果表明系泊系统强度满足规范和设计要求。