海底地形及弹性对绷紧式系泊系统静力特性影响研究

选取1?500?m的Spar平台工作为例,分析其绷紧式系泊系统的静力特性,并开发了以C++语言为基础的程序,用于计算单根纤维系缆张力、系泊系统的总水平恢复力-位移特性和总垂直恢复力-位移特性。建立海底等效弹簧模型分析不同海底地形对单根系缆的张力-位移特性的影响,重点研究了不同海底弹性基础的系缆张力、系泊系统总水平和总垂直恢复力-位移特性,为绷紧式系泊系统的数值分析及理论研究奠定了一定基础。     

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.     

深海浮式平台系泊索分析方法研究

探索深海浮式平台系泊索的非线性有限元分析方法,以极端海况下的某型深海半潜式平台系泊索为例,研究采用ＡＢＡＱＵＳ软件进行系泊索非线性分析的建模方法、分析步骤,并利用专业海洋工程软件ＨＡＲＰ验证了该方法的可行性。在此基础上,分析了海底与系泊索触底段的相互作用对系泊索顶端张力的影响。     

半潜式平台控制系统的研究与开发

半潜式平台系泊定位控制系统的研究成为开发深海资源的重要关键技术。针对于此,建立了深水系泊试验控制系统,采用自动定位控制、PLC和变频控制技术,实现对实物和模拟锚机的收放索的控制,以达到模拟平台的位移目标。深水系泊自动定位试验系统的研制,对于我国半潜式平台的发展具有重大战略意义。     

Spar型海上浮式风机系泊系统的动力学分析

以美国某可再生能源所的海上5MW风机为模型,综合风机塔柱的特点,利用Orca Flex建立了一种Spar型海上风机简化模型。通过对风机平台的不同风速工况环境载荷的计算,实现了对该风机系泊系统的水动力学分析,对比并分析了不同工况下风机锚泊系统系泊张力的变化。结合改变锚链上不同导缆孔的位置和布置形式,为海上风机浮式基础系泊系统的设计及优化提供依据。     

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.     

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。     

带有弹性索的潮流能电站系泊系统的设计及特性

漂浮式电站潮流能发电机组依托于浮式载体,其系泊系统关系着潮流能电站的安全运行与生存。关于载体系泊系统的研究,目前主要集中在海洋钻井平台方面,而关于以潮流电站为代表的浅水系泊的开发研究相对较少。本文基于漂浮式潮流能电站,设计开发了一套带有弹性索的系泊系统,以悬链线理论为基础,分别分析了系泊系统中加入的弹性索长度及不同水深下对系泊系统的影响。研究发现,当工作水深小于60m的浅水海域时,对于系泊张力的作用显著,张力的最大值可以减少37%,具有极大的工程应用前景。     

单点系泊方式下的浮标系统运动响应分析

浮式激光雷达测风塔在恶劣的海洋环境下,其运动稳定性受到风、浪、流等多种环境载荷的耦合作用,呈现出典型的非线性特征,对其观测精度造成重要影响。建立浮动式基础设计分析平台,对浮标及其系泊系统进行水动力性能模拟分析,求解不同载荷作用下浮标平台与单点式系泊系统之间的运动响应。计算结果表明,浮标体在单点式系泊方案下具有良好的安全性和稳定性,系泊张力最大值为466.4k N,满足设计BVNR493规范要求,浮标平台的运动半径极值和最大垂荡距离分别为50.0m和6.3 m,可保证安全运行。     

浅水浮式平台多点系泊系统适用性研究

为研究浅水海域船型浮式平台多点系泊系统的适用性,以某船型浮式平台为例,设计了2套多点系泊系统。利用AQWA水动力软件,基于三维势流理论,计入风、浪、流的联合作用,分别对悬链式和张紧式多点系泊系统进行时域耦合分析,得到了浮体的六自由度运动和各系泊缆的张力。计算结果表明,张紧式系泊系统浮体平动位移小,横摇幅值较大,各系泊缆张力较大,系泊缆张力不满足规范要求;悬链式多点系泊系统浮体平动位移相对较大,各系泊缆张力较小,浮体的水平偏移和系泊缆张力都满足规范要求。悬链式系泊系统性能较优,不过水平位移仍然需要重点关注。本文研究成果对浅水船型浮式平台多点系泊系统的设计有一定的参考价值。     

深水半潜式钻井平台码头抗台风系泊计算分析

深水半潜式钻井平台在码头舾装的周期较长,为确保安全,需对其码头系泊系统进行计算,以得到合理的系泊布置方式。以某深水半潜式钻井平台的码头系泊系统为例,进行风、流载荷共同作用下的抗台风系泊计算分析,建立了多浮体混合带缆系泊系统。     

基于混沌算法的等效水深截断系泊系统优化设计

为替代全水深系统进行混合模型试验,设计了等效水深截断系统。同时考虑总系泊系统以及具有代表性的单根系泊缆静恢复力特性相似,采用改进的变尺度混沌算法对等效水深截断系泊系统进行优化计算。选取了一工作水深为1500m的新型单柱式(Spar)平台,对其截断水深为700m的等效截断系泊系统进行优化设计,数值试验结果表明,截断系统的设计是合理的、可靠的。     

非对称系泊系统作用下浅水浮式海洋平台运动耦合分析

选择地理位置、区域环境较为关键的岛礁,建立浅水浮式海洋平台,具有重要意义。应用在岛礁浅水区域的浮式海洋平台,由于受地理环境限制,很难设计对称式系泊系统。因此,本文设计2种典型非对称式系泊系统布置方案,基于TMA浅水波浪谱理论,对2种非对称系泊系统作用下浮式平台的水动力响应进行时域数值计算,计算结果与对称式系泊系统作用下结果对比分析,获得了非对称系统状态下平台运动响应特点及系泊张力分布特点。     

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.     

采用弦式系泊系统的海洋平台水动力性能数值模拟分析北大核心CSCD

[目的]弦式系泊系统是针对特种海洋平台的永久靠泊需求而提出,需要研究采用该系统的平台的水动力性能,以验证其对永久靠泊需求的适应性。[方法]首先,基于三维势流理论,采用边界元方法建立码头靠泊平台数值模型,并对不同码头潮位条件下的系泊平台进行频域数值模拟;然后,在时域模拟中引入弦式系泊和传统码头缆绳系泊2种不同的系泊系统,模拟系泊平台在极端波浪作用下的表现,参数化分析码头潮位对系泊平台运动响应的影响。[结果]结果显示,弦式系泊系统通过提供全方向的回复力,加强了平台转动运动限制,大幅削弱了系泊平台的横摇运动,能将环境载荷能量转移到平动运动,进而加强了对平台整体运动的限制;系泊平台的运动范围均衡且稳定可控;该系统对平台的运动限制效果受码头潮位变化影响小。[结论]研究表明弦式系泊系统相较于传统码头缆绳系泊更适应特种海洋平台的永久靠泊需求。     

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。     

一种适合浅水浮式风电的低张力混合系泊系统

与传统海洋工程浮式平台相比,漂浮式风电可能作业的水深下限更小,在中国已有水深为30 m的漂浮风电应用案例。在浅水漂浮风电系统设计时,其系泊系统会遇到显著的安全性和经济性挑战,比如悬链线系泊系统需要巨大的系泊半径,而张紧式系泊会承受极大的动态载荷,2种系泊方式都会大幅增加系泊成本,严重阻碍浅水漂浮风电的商业化发展。文章提出了一种“低张力混合系泊”,通过在系泊索上间隔布置浮筒与重块,从而形成一个具备波频动载荷缓冲特性的柔性系泊系统,使其具有合理的的水平刚度,避免系泊系统固有频率接近波频,大幅降低系泊索的动态载荷,进而降低系泊成本。需要指出的是,文章所提出的“低张力混合系泊”系统也可适用于其他海上浮式结构物,尤其在浅水条件下。     

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。     

防风系泊系统系泊线张力的简化计算

针对防风系泊系统的特点,利用单系泊线系泊点水平距离与系泊力大小之间的关系,采用几何近似假设将承载时的系泊线形状近似为极限状态时的直线。首先利用悬链线理论中的假设,分析得到使用简化计算的条件与张力计算的简化公式,并应用到组合系泊线结构的求解。然后分析悬链线参数和垂跨比对张力计算结果及其误差的影响。最后通过2个算例分析,分别对单系泊线问题的悬链线法、近似抛物线法和简化计算方法的结果进行对比,并对典型防风系泊系统的组合系泊线进行计算分析。