软刚臂系泊系统多体动力特性及疲劳损伤研究

摘要

海洋油气资源的开发主要依赖各种形式的海洋平台。其中，浮式生产储卸油装置（FPSO）广泛应用于我国渤海和南海海域。FPSO船体无动力装置，依赖于系泊系统实现定位功能和风标效应，因此系泊系统性能的优劣将直接影响FPSO的工作状态。软刚臂单点系泊系统（SYMS）是我国FPSO最主要的系泊方式之一。近年来由于系泊失效导致的安全事故仍有发生，系泊系统运动行为及失效模式分析成为研究的重点。 目前，水动力学仿真分析和模型实验是海洋工程装备结构的标准设计方法。同时，对于软刚臂单点系泊系统等结构还需要开展描述其多铰连接特性的多体动力学分析。本文建立了软刚臂系泊系统的多体动力学方程，得到描述其各单体运动状态的微分代数方程组。针对微分-代数方程组求解过程中的约束违约问题，基于祖冲之类方法的思想构建了具有求解格式简单、自动满足哈密顿体系保辛特性的数值积分求解方法，对非线性系统具有较高的求解精度。选取了两组不同海况下的FPSO六自由度实测数据，计算软刚臂系泊系统的各单体动力响应及其系泊回复力。计算结果表明，相较于传统静力学方法，本文方法可获得动力特性更加明显的结构真实受力状态。同时，结构的运动响应与实际监测信息相吻合，更好地还原了软刚臂系泊系统的真实运动状态。 软刚臂系泊系统由多个铰节点连接构成，铰节点易损性失效是软刚臂系泊系统的主要失效模式之一。实测数据分析表明，系泊腿的大量横摆行为是导致软刚臂上铰节点疲劳损伤的主要原因。基于原型监测数据，开展了铰节点摩擦磨损试验研究，得到了铰节点接触面的摩擦系数变化规律。进而结合有限元分析开展了铰节点长期磨损状态下的疲劳寿命研究，计算了热点应力区域的最大损伤度及平均损伤度。计算结果表明，铰节点在设计使用寿命期间存在疲劳损伤隐患，疲劳寿命设计偏于危险。

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