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。     

Truss Spar平台在船舶碰撞下的数值模拟分析

海洋平台在海上进行工程作业时除了遭受恶劣的环境载荷外,还可能与海上船舶发生碰撞。为探究Spar平台在遭受船舶碰撞后的动力响应,本文选取1座墨西哥湾的Truss Spar平台,运用有限元分析软件Ansys/Lsdyna,建立5 000吨级补给船与Truss Spar平台的有限元模型并模拟碰撞过程,得到船舶在不同速度下与Spar平台碰撞过程中的能量转化情况和船舶撞击力时程曲线,通过对结果的分析得出一般性规律和结论,为Spar平台的设计提供理论参考依据。     

Truss Spar平台简介

Truss spar平台是传统spar平台的一个变种,如图1所示.它是一种深吃水圆柱结构.世界上第一座spar平台于1996年8月在2000英尺水深的墨西哥湾安装.第一座Truss spar平台,Kerr McGee(柯麦奇)Nansen and Boomvang,于2001年安装于墨西哥湾.Spar平台的最新进展是BP的Holstein、Mad Dog以及Murphy的Front Runner.所有的己交付的或近期将要交付使用的Truss spar平台都在墨西哥湾.图2显示了由CSO-Aker已交付的或正在交付的spar.其中最后一个称为多管式spar的是第三代Truss spar平台,它已经被Kerr Magee的Red Hawk项目采用.本文将对Truss spar平台的技术进行简要介绍.     

考虑粘滞阻尼的Truss Spar频域响应分析

联合势流理论与修改的Morison方程,建立波浪作用下的Truss Spar平台运动响应计算模型。波浪激振力与相关水动力信息采用高阶边界元计算方法获得。通过数值模拟得到Truss Spar平台纵荡、垂荡和纵摇RAO,针对Morison阻力系数对响应的影响进行参数分析。计算结果显示,纵荡和纵摇仅在低频部分对阻力系数敏感。因此平台在遭受二阶波浪慢漂力作用时,粘滞阻尼将起到重要作用。对于垂荡方向,由于Truss Spar安装的垂荡板提供了较大的竖向粘滞阻尼,因此垂荡RAO受阻力系数的影响较大。     

基于小波分析的Spar平台阻尼系数研究

连续小波分析方法作为典型的时频方法虽已广泛应用于工程界,但在海洋工程领域并未得到大力推广。文章应用连续小波分析方法对海洋工程领域中与Truss Spar平台涡激运动相关的阻尼系数进行求解。通过构建测试信号对这一方法进行数值检验,验证了小波分析方法的可靠性和准确性。利用试验数据,成功将小波分析方法应用于求解Truss Spar平台阻尼系数问题中。结果表明小波分析方法具有较好的可靠性,能够准确求解平台的阻尼系数。     

基于小波分析的Spar平台阻尼系数研究（英文）

连续小波分析方法作为典型的时频方法虽已广泛应用于工程界,但在海洋工程领域并未得到大力推广。文章应用连续小波分析方法对海洋工程领域中与Truss Spar平台涡激运动相关的阻尼系数进行求解。通过构建测试信号对这一方法进行数值检验,验证了小波分析方法的可靠性和准确性。利用试验数据,成功将小波分析方法应用于求解Truss Spar平台阻尼系数问题中。结果表明小波分析方法具有较好的可靠性,能够准确求解平台的阻尼系数。     

新型S-Spar概念设计及时域动力响应分析（英文）

本文概念性地提出了新型Spar平台S-Spar用于深水和超深水海洋油气开发。S-Spar连接软舱和硬舱的是和中央井同尺寸的圆形立柱。有别于传统的经典Spar和Truss Spar,S-Spar有一个细长的中间段,垂荡板安装在中间段增加垂荡阻尼的同时,封闭的中段可以保护立管免受波流荷载。文中介绍了S-Spar的基本概念,进行了频域和时域耦合动力响应分析,并进行了S-Spar连接的顶张式立管的动力响应和VIV疲劳分析,将计算结果和Truss Spar的计算结果相比较,结果显示新型S-Spar能改善平台的水动力性能,同时封闭的中央井对立管起到很好的保护作用。     

多柱桁架式立柱平台概念设计

在过去的20年中，油气资源的开发不断地向深海方向发展。随着开采深度的不断增加，为了适应深海中较为恶劣的自然环境条件，一些新型的油气资源开采平台不断涌现，如FPSO、半潜式平台、张力腿平台以及立柱式平台（Spar）等。1996年，第一座应用于实际生产的Spar平台（Neptune Spar）在墨西哥湾建成并投入使用，其作业水深为588m。经过10多年的发展，世界上在建或投入使用的Spar平台已达14座，其形式也由第一代传统Spar平台（Classic Spaur）发展为第二代桁架式Spar（Truss Spar）以及第三代多柱式spaur（Cell Spar）。     

大型平台滑移装船和浮装就位技术

本文介绍了大型平台滑移装船和浮装就位技术,并以我公司承建的美国EDC公司渤海湾埕岛西DPA中心平台为例,对平台建造临时支撑系统、陆上整体建造、平台称重、滑移牵引装船、驳船调载、海上拖航运输和浮装就位等关键因素进行了分析和优化,确保了DPA平台滑移装船和浮装就位的成功.     

桁架式Spar平台方案设计研究

Spar平台是一种用于深海油气开发的海洋结构物.目前对Spar平台的研究集中在其运动特性和水动力分析、结构强度和疲劳研究以及垂荡板的性能和设计上.然而,国内对于Spar平台设计方法的研究却很少,国内外公开发表的文献也很少,这给Spar平台的设计带来了困难.本文归纳了桁架式Spar平台方案设计的基本流程,包括总布置、主尺度的选择,以及对设计方案进行的稳性校核和水动力分析.在此基础上,针对平台的不同结构推荐使用相应的ABS和API规范进行结构设计,并应用设计波法对得到的结构尺寸进行强度校核.通过一个实例详细说明了整个设计过程,分析结果表明该设计方案是可行的.同时指出了传统的海洋工程设计方法存在的问题,提出在传统设计方法的基础上,应用多学科设计优化思想进行海洋平台的方案设计的基本思想.     

多学科设计优化在桁架式Spar平台概念设计中的应用(英文)

在传统的桁架式Spar设计过程中,设计人员通常只选择一个或两个学科作为某个阶段的设计目标,而没有把设计过程作为一个整体进行研究.同时,传统的设计方法没有充分考虑决定Spar性能的多个学科之间的相互影响和耦合作用.因而,传统的设计方法很难获得最优的设计方案.为解决这一问题,该文将多学科设计优化方法引入桁架式Spar的概念设计,以实现真正的设计优化.文中首先介绍了桁架式Spar的传统设计方法以及多学科设计优化的基本理论,讨论了如何将多学科优化技术应用于Spar平台的概念设计.进而提出了一种适用于Spar设计的多学科设计优化方法-基于响应面的协同优化方法,并基于该方法,建立了桁架式Spar的设计优化框架.最后,对今后的研究方向提出了几点建议.     

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。     

Truss Spar结构浮式风机基础总体强度分析

海上浮式风机基础目前有半潜式,重力式,导管架式,Spar式很多种。目前国内对于桁架式浮式风机基础的结构分析比较少。本文采用Truss spar型海上浮式风机基础,基于三维势流理论和直接计算法,对其在深海环境中进行结构强度分析。分析表明,结构在垂荡板和桁架结构连接处容易发生较大应力集中,易产生破坏,在后续的设计修改中可对这一部位进行重点研究。     

基于响应面的可变复杂度方法在桁架式Spar平台方案设计中的应用

多学科设计优化在实际应用中,几乎都采用了可变复杂度方法(variable-complexity method,VCM)来平衡计算成本和计算精度.然而,VCM通常需要计算大量的初始样本点以保证精度.为降低VCM对初始样本点的依赖,文中提出了一种基于响应面更新的可变复杂度方法.以桁架式Spar平台的多学科设计优化为例,首先根据试验设计选取样本点,采用数值方法计算平台的各项性能,建立了响应面模型;应用协同优化算法求解,并通过响应面的不断更新提高精度,在此基础上应用可变复杂度方法校正响应面分析结果.计算结果表明:基于响应面更新的可变复杂度方法可在较少初始样本点情况下,获得较高精度的计算结果.     

用于海底ROV在强流干扰下的一种自适应防走滑装置（英文）

This paper proposed a new concept of an adaptable multi-legged skid design for retro-fitting to a remotely-operated vehicle(ROV) during high tidal current underwater pipeline inspection. The sole reliance on propeller-driven propulsion for ROV is replaced with a proposed low cost biomimetic solution in the form of an attachable hexapod walking skid. The advantage of this adaptable walking skid is the high stability in positioning and endurances to strong current on the seabed environment. The computer simulation flow studies using Solidworks Flow Simulation shown that the skid attachment in different compensation postures caused at least four times increase in overall drag, and negative lift forces on the seabed ROV to achieve a better maneuvering and station keeping under the high current condition(from 0.5 m/s to 5.0 m/s). A graphical user interface is designed to interact with the user during robot-in-the-loop testing and kinematics simulation in the pool.     

Hydrodynamic comparison of a semi-submersible, TLP, and Spar: Numerical study in the South China Sea environment

The South China Sea contains tremendous oil and gas resources in deepwater areas. However, one of the keys for deepwater exploration, the investigation of deepwater floating platforms, is very inadequate. In this paper, the authors studied and compared the hydrodynamics and global motion behaviors of typical deepwater platforms in the South China Sea environment. The hydrodynamic models of three main types of floating platforms, e.g. the Semi-submersible, tension leg platform (TLP), and Truss Spar, which could potentially be utilized in the South China Sea, were established by using the 3-D potential theory. Additionally, some important considerations which significantly influence the hydrodynamics were given. The RAOs in frequency domains as well as global motions in time domains under time-varying wind, random waves, and current in 100-y, 10-y, and 1-y return period environment conditions were predicted, compared, and analyzed. The results indicate that the heave and especially the pitch motion of the TLP are favorable. The heave response of the Truss Spar is perfect and comparable with that of the TLP when the peak period of random waves is low. However, the pitch motion of Truss Spar is extraordinarily larger than that of Semi-submersible and TLP.     

一新型深吃水平台的概念设计(英文)

The authors analyzed requirements for a new deepwater platform, from conceptual design to hydrodynamic analysis. The design incorporated Deep Draft Multi-Spar (DDMS) that allowed easy fabrication, reduced costs, and provided favorable motion performance. It also provided a dry tree system and other benefits. The conceptual design process included dimension estimation, general arrangements, weight estimation, weight distribution, stability analysis, etc. A high order boundary element method based on potential theory and the modified Morison equation was used to predict the hydrodynamic and viscous effects of this new concept platform. The response amplitude operators (RAOs) were acquired and compared with those of a typical Truss Spar. The response of the platform to the JONSWAP spectra of 3 different extreme ocean conditions was analyzed to evaluate the seakeeping ability of the new concept. The results revealed favorable motion performance due to all the degrees of freedom available.     

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。     

Truss Spar平台非线性垂荡-纵摇耦合随机运动分析(英文)

Considering the static stability and the change of the displacement volume, including the influences of higher order nonlinear terms and the instantaneous wave surface, the nonlinear coupled heave-pitch motion was established in stochastic waves. The responses of heave-pitch coupling motion for the Truss Spar platform were investigated. It was found that, when the characteristic frequency of a stochastic wave is close to the natural heave frequency, the large amplitude pitch motion is induced under the parametric-forced excitation, which is called the Mathieu instability. It was observed that the heave mode energy is transferred to pitch mode when the heave motion amplitude exceeds a certain extent. In addition, the probability of internal resonant heave-pitch motion is greatly reduced while the characteristic wave frequency is away from the natural heave frequency.