恶劣海况下圆筒形海工平台甲板上浪研究与结构优化

摘要

甲板上浪是指海浪高度高于船体干舷,进而涌上甲板并对甲板及其上层建筑造成破坏的现象。长期运作于深海的船舶及平台,在恶劣的工作环境下,更容易产生甲板上浪,大量海水瞬时涌入甲板并对上层建筑物产生冲击,这种重复性的冲击载荷可能使甲板及其上层建筑产生结构失稳和疲劳损坏,甚至有可能造成高速行驶船舶的倾覆。
　　 本文在综合考虑恶劣环境下海浪时速和海浪高度的基础上,分析了在海浪时速20公里/时和浪高26m环境下的圆筒形钻井平台SEVEN650的上浪情形,并对其进行了优化。研究结果如下:
　　 1)在分析现有波浪水槽模拟方法的基础上,基于粘性流体的运动微分方程(N-S方程)和流体体积的VOF(Volume Of Fluid)模型,分析了在生波和消波共同作用影响下的二维波浪水槽中的波浪成形状况,并得到了最佳能量函数中优化的消波系数。通过不同的水槽水深波长比和水池长度波长比对生成波波形影响的对比研究,得出最佳工作区域,并研究了不规则波的生成规律。
　　 2)在二维波浪水槽的基础上建立了三维数值波浪水槽,并对模型中的波浪形态进行了分析,得出了水池各个位置的波浪变化及其关系,探索了波浪传播过程中流体各个质点的流动情况,同时给出了各个质点的流体迹线图。结果表明在三维波浪水槽模型下,距离消波区一个波长的区域不利于规则波的数值分析。研究发现压力云图和速度云图中有和波浪传播过程中类似出现的月牙形状,并就其进行分析研究。
　　 3)以深海海工平台SEVAN650为研究对象,数值分析了在时速20公里/时、浪高26m的恶劣海况下的三维甲板上浪情形,并对各个液位、液压的监测数据进行了分析对比。
　　 4)根据所提的4种SEVAN650外飘角设计方案,进行液位、液压的分析,同时提出结合数值分析方法和SEVAN650外形尺寸进行强度分析的方法,以确定最佳的外飘角度。本文提出了一种新型丰字型支撑架设计,用以提高上层建筑物的抗上浪能力,结果表明平台优化后的最大应力减小22.3%,应力集中部位的平均应力减少26.7%,应力分布更加均匀,为上浪模拟实验及其FPSO的建造和改进提供了理论基础。