深海半潜式平台浪激响应分析及垂荡响应控制

摘要

半潜式海洋平台由于具有相对总投资少、可移动性高，多种工作功能以及较好的运动性能等特点，是我国进军南海深海海域进行油气开采的首选装备。海洋石油钻探、开采等工艺对半潜式平台运动具有苛刻的要求，尤其是半潜式平台的垂荡运动响应幅值是平台作业的制约因素。本文以南海某半潜式平台为研究对象，通过对该平台进行水动力数值分析和模型实验，研究了其在波浪荷载作用下的运动特性，并在此基础上在 Matlab中建立半潜式平台垂荡、横摇以及纵摇的一阶运动模型，对垂荡特性影响因素进行进一步分析，提出基于被动调谐质量阻尼和磁流变阻尼原理的的活动式垂荡板结构对半潜式平台进行垂荡控制。
　　首先，在 AQWA平台对该半潜式平台进行频域水动力参数分析和波浪荷载作用下的时间域平台整体运动响应分析；根据静水衰减实验结果对数值模型进行粘性阻尼力修正；对比数值模拟和规则波实验获得的振幅响应算子(Response Amplitude Operator)曲线，分析平台横摇、纵摇和垂荡三个运动在波频区域的运动特性；对比数值模拟和不规则波实验，计算分析平台在工作海况和百年自存海况下的运动响应，在频率域内分析各自由度在波频段和低频段的运动特性。
　　然后，根据AQWA软件在频率域计算的水动力参数结果，在Matlab平台上建立了半潜式平台垂荡、纵摇和横摇的三自由度的一阶水动力时域模型。以 Jonswap谱为靶谱，合成了波面时程曲线和不规则波作用下的一阶波激力时程曲线；采用卷积积分法对一阶辐射力进行预报；在 Matlab平台上进行不同海况下平台运动响应的时域分析，并与AQWA-Drift计算结果进行比较。
　　最后，采用AQWA软件分析了吃水深度和垂荡板布置深度对半潜式平台的垂荡特性的影响；提出采用基于调谐质量阻尼(Turned Mass Damper)原理的活动式垂荡板，对传统半潜式平台进行垂荡控制；优化设计了垂荡板结构与平台的主体结构的连接参数；为进一步提高控制效果，采用磁流变阻尼器对半潜式平台进行垂荡运动控制。
　　随着海洋石油工业向更深的海域进军，势必对海洋平台的运动性能提出更高的要求。本文提出的活动式垂荡板结构，可以改善传统平台的运动特性，能够带来潜在的经济效应，具有重要的意义。

目录

深海半潜式平台浪激响应分析及垂荡响应控制

WAVE INDUCED RESPONSE ANALYSIS AND HEAVE MOTION CONTROL OF A SEMI-SUBMERSIBLE PLATFORM

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 深水浮式海洋平台概述

1.3 半潜式平台发展简介

1.4 课题来源及本文主要研究内容和意义

第2章 浮式平台水动力计算原理

2.1 引言

2.2 波浪理论

2.3 波浪对浮式平台的作用

2.4 本章小结

第3章 半潜式平台的水动力性能数值计算与浪槽试验

3.1 引言

3.2 基于AQWA平台的半潜式平台的模型建立

3.3 半潜式平台模型与实验介绍

3.4 模型浪槽实验结果与数值模型计算比较

3.5 本章小结

第4章 Matlab中半潜式平台运动模型的建立

4.1 引言

4.2 波激力的计算

4.3 辐射力的预报

4.4 粘性阻尼力

4.5 半潜式平台在Matlab中的时域模型建立

4.6 本章小结

第5章 半潜式平台垂荡响应分析与控制

5.1 引言

5.2 半潜式平台垂荡响应分析

5.3 被动调谐质量垂荡板系统

5.4 主动磁流变阻尼垂荡板系统

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢