半潜式平台气隙响应的数值与实验研究

摘要

半潜式平台甲板面积较大,稳性好,并且能承受较大可变载荷,又因其投资小,作业安全度高等优点普遍受到关注,其在深海工程领域得到广泛应用。日前,半潜式平台的气隙问题受到人们日益关注。在对工作于极限海况下的半潜式平台进行设计时,静水气隙值是一个相当重要的考虑因素。一方面,要确保甲板与波浪之间有足够的距离以避免波浪抨击平台甲板底部造成破坏;另一方面,增加静水气隙值将花费巨大,因为静水气隙值会造成整个浮式系统重心和吃水的改变。
　　气隙是指平台工作期间甲板下表面和波浪表面之间的垂直距离,通常认为其是以下三项的线性组合:静水气隙值,平台上某特定位置测点处浪高仪所测波高值,平台相关垂向运动。由入射波以及因平台存在而产生的绕射/辐射效应可以得到波浪峰值高度。
　　本文将线性势流数值模拟的方法与模型试验相结合,以一座深水半潜式平台为背景做分析,分析包括以下几个方面:
　　1.基于势流理论,利用ANSYS/AQWA软件对半潜式平台进行一阶绕射/辐射分析。首先,调用AQWA-LINE模块进行频域分析可以获得半潜式平台运动响应RAOs以及其他水动力参数。其中,数值模拟的RAOs与模型试验所得的结果吻合一致。其次,调用AQWA-DRIFT模块来完成三种极限海况下半潜式平台气隙响应的时域分析,数值模拟与模型试验的对比结果表明:(1)在极限海况条件下,一阶数值模拟的结果低估了气隙极值的危险,这种低估随着波陡的增加而更加明显。但是,该方法能够预测出平台甲板上气隙点危险区域所在,并在模型试验中确定浪高仪的位置。(2)基于一阶线性方法预报气隙极值时,平台立柱周围的波浪爬升非线性问题不可避免。
　　2.通过对气隙时历的傅里叶变换可以得到气隙能量谱密度(PSD),其较好的反映了气隙能量的频域分布。对一些测点的分析表明,气隙的能量分布不仅与入射波有关,还与平台的高阶运动响应有密切联系。气隙概率分布可通过对模型实验随机波数据统计分析获得,各气隙点概率分布表明高斯模型适合拟合文中半潜式平台的气隙分布,但在某些关键气隙值区域仍存在一定程度上的低估现象。此外文中的概率分布模型对合理静水气隙值可提供一定参考意义。
　　3.为比较不同立柱形状的气隙响应,文中分别分析了三种不同型式立柱(圆形截面,方形截面,带圆角截面)的平台,此外三种不同浮筒连接方式的平台也进行了气隙响应的对比。对比结果表明:圆形截面的立柱气隙响应优于方形和圆角截面,并且在越靠近立柱附近的测点优势越明显。浮筒间横撑连接方式的平台气隙表现比翼型板以及环形浮体的结构形式都要好。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2气隙的含义

1.3平台气隙响应预报的研究现状

1.4本文的主要内容

第2章 半潜式平台气隙响应的模型试验

2.1概述

2.2试验概况

2.3实验内容

2.4本章小结

第3章 气隙的理论基础及数值预报

3.1波浪的基本概念

3.2不规则波浪的模拟

3.3频域分析理论

3.4时域分析理论

3.5广义莫里森公式

3.6 ANSYS/AQWA软件简要介绍

3.7半潜式平台的数值预报

3.8本章总结

第4章 模型试验数据处理

4.1概述

4.2规则波实验数据处理

4.3不规则波实验数据处理

4.4平台运动响应的对比和分析

4.5平台气隙极值响应的对比和分析

4.6本章总结

第5章 平台结构型式对气隙性能的影响

5.1不同立柱型式对平台气隙性能的影响

5.2浮筒间不同连接方式对平台气隙性能的影响

5.3几种新型概念半潜式生产平台

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢