深水半潛式平臺錨泊截斷的靜力和低頻阻尼等效試驗方法.pdf

1、現(xiàn)今，從淺海走向深水，是世界海上石油和天然氣資源開發(fā)的大趨勢，工業(yè)界和研究學(xué)者們也把目光越來越多的聚焦在深水工程上來。模型試驗水池的空間尺度有限，隨著深水工程的發(fā)展，當(dāng)浮式平臺的工作水深增加到1500米～3000米時，目前世界范圍內(nèi)模型試驗水池的空間尺度已經(jīng)不足以支持對全水深下浮式平臺及其錨泊系統(tǒng)進行合理比尺的模型試驗。因此，需要在截斷水深下對浮式平臺進行物理模型試驗，那么錨泊系統(tǒng)需要重新設(shè)計以確保平臺具有與全水深下一致的運動性能。

2、r>　　錨泊系統(tǒng)是深水浮式平臺定位和運動約束系統(tǒng)，為平臺提供靜回復(fù)力和阻尼力?？紤]作用在上部浮式平臺的靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境載荷，錨泊系統(tǒng)需要提供足夠的靜回復(fù)力和阻尼力以保證平臺被限制在井口周圍一定范圍內(nèi)運動。在不規(guī)則波的激勵下，浮式平臺會受到二階低頻慢漂力的作用。低頻慢漂力通常會引起平臺在水平方向上的大幅低頻共振運動，因此，錨泊阻尼水平對于深水浮式平臺運動響應(yīng)來說十分重要。一旦截斷水深錨泊系統(tǒng)可以具有和全水深錨泊系統(tǒng)等效的靜回復(fù)力特性和低頻阻

3、尼特性，那么其就有可能代替全水深錨泊系統(tǒng)而直接進行物理模型試驗。
　　本論文以截斷水深下錨泊系統(tǒng)的等效優(yōu)化設(shè)計為核心，以深水半潛式平臺為研究對象，對錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼同時等效截斷的模型試驗方法進行研究。研究工作主要包括以下幾部分內(nèi)容:
　　1.錨泊系統(tǒng)靜力和阻尼計算方法及其試驗研究:首先，闡述使用分段外推法求解錨泊系統(tǒng)所提供靜回復(fù)力的步驟;然后，對考慮法向和切向拖曳力以及錨泊線底部與海床之間摩擦力的改進擬靜力錨泊阻尼計算

4、方法進行理論推導(dǎo)和介紹，并且通過與其他學(xué)者研究結(jié)果以及AQWA軟件計算結(jié)果的比較分析，驗證該簡化計算方法的正確性和有效性;最后，以懸鏈線式錨鏈為研究對象，使用1∶70縮尺比在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室非線性波浪水槽進行物理模型試驗，通過試驗結(jié)果和簡化計算結(jié)果的比較分析，進一步驗證該方法的正確性和有效性。
　　2.錨泊系統(tǒng)靜回復(fù)力和阻尼對深水半潛式平臺運動響應(yīng)的影響:首先，介紹三維勢流理論下的頻域分析方法;然后，闡述基

5、于Cummins脈沖響應(yīng)理論的間接時域耦合分析方法;最后，以深水懸鏈線式錨泊系統(tǒng)為基準，分別以靜回復(fù)力剛度相同、錨泊系統(tǒng)阻尼不同和靜回復(fù)力剛度不同、錨泊系統(tǒng)阻尼基本相同為原則，各設(shè)計兩組對比錨泊系統(tǒng)，并以一座工作水深為1500m的深水半潛式平臺為研究對象，分別對其在以上五組錨泊系統(tǒng)約束條件下的運動響應(yīng)進行時域耦合計算，并對各組錨泊系統(tǒng)約束下平臺運動響應(yīng)的低頻和波頻成分進行對比分析。
　　3.截斷水深下錨泊系統(tǒng)等效優(yōu)化設(shè)計:首先，根

6、據(jù)錨泊系統(tǒng)靜力特性一致為等效原則，應(yīng)用遺傳算法對截斷水深下錨泊系統(tǒng)進行等效優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計程序，并對實例進行優(yōu)化設(shè)計;然后，提出新的截斷水深下錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，根據(jù)錨泊系統(tǒng)靜回復(fù)力和低頻阻尼特性同時等效的設(shè)計原則，利用遺傳算法針對新的加權(quán)目標函數(shù)對截斷錨泊系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)相應(yīng)程序，并對實例進行優(yōu)化設(shè)計;最后，以1500m工作水深半潛式平臺為研究對象，對平臺在全水深錨泊系統(tǒng)、僅靜力等效截斷錨泊系統(tǒng)以及靜力和低頻阻尼同

7、時等效截斷錨泊系統(tǒng)約束下的運動響應(yīng)進行比較計算，以驗證新的截斷錨泊系統(tǒng)等效設(shè)計方法優(yōu)越性。
　　4.錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截斷試驗方法的適用性研究:首先，討論該模型試驗方法是否適用于不同型式的錨泊系統(tǒng)。在這部分研究工作中，分別以懸鏈線式錨泊系統(tǒng)、半張緊式錨泊系統(tǒng)和張緊式錨泊系統(tǒng)為研究對象，對半潛式平臺在全水深和截斷水深條件下遭受極端工況和工作工況環(huán)境載荷時的運動性能進行數(shù)值模擬，并對其全水深結(jié)果和截斷水深結(jié)果進行比較分析。然后

8、，討論該模型試驗方法在不同截斷水深下的適用性。在這部分研究中，以1500m懸鏈線式全水深錨泊系統(tǒng)為研究對象，分別設(shè)定截斷水深為700m和400m，利用錨泊系統(tǒng)靜力與低頻阻尼等效截斷的方法對半潛式平臺在截斷水深下運動性能進行數(shù)值模擬，并對全水深結(jié)果和不同截斷水深結(jié)果進行比較分析。
　　5.錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截斷的模型試驗與驗證:為了實現(xiàn)和驗證錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截斷試驗方法的可行性，以某半潛式平臺及其全水深和截斷水深錨