内转塔系泊FPSO耦合动力分析

摘要

内转塔系泊FPSO是一种浮式多体系统，系统中不仅存在内转塔与系泊缆索的耦合，还存在内转塔与FPSO船体的耦合。FPSO纵荡、横荡及艏摇的固有频率很低，极易在二阶差频力的作用下诱发大幅运动;垂荡、横摇、纵摇的固有频率在波频范围内，易在波频力作用下发生共振。为获得较好的风向标效应，内转塔位置一般靠近艏部。本文研究目标是研究内转塔系泊FPSO在随机海况下运动及受力响应特点，并分析影响参数对其影响。
　　本文基于OCIMF规范，计算船体风载荷和流载荷，采用三维势流理论计算作用在船体上的一阶和二阶波浪力。基于多体系统动力学理论建立内转塔与FPSO耦合动力模型和算法，采用集中质量模型建立内转塔与系缆耦合算法，编写Matlab程序并进行了算例验证。最终，基于aqwa软件对内转塔系泊FPSO进行耦合动力分析，并分析影响参数对其影响。研究发现：FPSO纵荡运动能量主要集中于低频区域;船体垂荡和纵摇运动能量主要集中于波频区域;系缆张力中低频成分和波频成分都很显著。波浪谱峰值周期和峰值因子的变化对FPSO低频和波频运动影响显著;当峰值周期与船体纵摇固有周期接近时会导致纵摇运动加剧，转塔位置越靠近艏部，系缆垂向运动越剧烈，进而导致系缆动张力增加;由满载向压载转变过程中，FPSO固有周期、系泊刚度、环境载荷发生变化，导致纵荡标准差显著减小，进而导致系缆张力标准差显著减小;在非共线载荷作用下，纵荡方向环境载荷减小，垂荡、纵摇方向环境载荷增加，进而导致纵荡运动标准差减小，垂荡、纵摇标准差增大。本研究对于内转塔系泊FPSO系泊系统设计具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．2 FPSO平台简介

1．3 FPSO系泊方式简介

1．3．1 单点系泊

1．3．2 多点系泊

1．3．3 动力定位

1．4 内转塔FPSO动力分析研究现状

1．5 本文主要研究内容及意义

2 FPSO环境载荷及水动力系数计算

2．1 风载荷

2．2 流载荷

2．3 波浪载荷

2．3．1 线性波理论

2．3．2 一阶波浪力

2．3．3 二阶波浪力

2．4 FPSO频域水动力系数计算

2．4．1 水动力模型

2．4．2 计算结果

2．5 本章小结

3 内转塔与FPSO耦合动力分析

3．1 多体系统动力学建模

3．1．1 坐标系及坐标变换

3．1．2 刚体的姿态坐标

3．1．3 刚体的角速度和角加速度

3．1．4 刚体笛卡尔运动学方程

3．1．5 刚体笛卡尔动力学方程

3．2 多体系统动力学数值解法

3．2．1 解耦ODAE方法

3．2．2 LU分解缩并法

3．3 验证算例

3．4 本章小结

4 系缆张力计算方法

4．1 集中质量法模型

4．2 系缆静态张力计算方法

4．3 系缆动态张力计算方法

4．3．1 系缆分段上的流力

4．3．2 系缆边界条件

4．3．3 系缆初始条件

4．3．4 系缆动态张力数值解法

4．3．5 系缆顶端张力计算方法

4．4 单根系缆静态构型计算

4．5 单根系缆动态张力计算

4．6 本章小结

5 内转塔系泊FPSO耦合动力分析及影响因素分析

5．1 内转塔系泊FPSO耦合动力分析

5．2 影响因素分析

5．2．1 谱峰周期

5．2．2 峰值因子

5．2．3 转塔位置

5．2．4 装载状态

5．2．5 载荷方向

5．4 本章小结

结论

展望

参考文献

附录A 10种时域分析软件

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢