波浪载荷作用下海洋储油平台液体晃荡仿真模拟

摘要

液舱晃荡问题常常存在于装有液容器的运载工具或工程结构物中，例如船舶的液货舱、燃油舱以及海上储油罐等。随着石油开发力度的不断加大，出现了导管架储油平台等，因此，导管架储油平台的储油舱内也存在液体晃荡问题。当液舱的激励频率与舱内液体固有振动频率相近的时候，液体对舱壁结构产生强烈的冲击力，长时间作用会损坏舱壁结构。所以，液体晃荡载荷的分析及其对舱壁结构的作用成为导管架储油平台研发、设计时需考虑的问题之一。
　　 晃荡问题是非常复杂的液体流动现象，它具有很强的非线性和随机性特征，是典型的流固耦合问题。影响晃荡的因素很多，如：液舱的形状及尺寸、内部构件、液体装载率、液体属性等。本文研究的主要内容是通过得到导管架储油平台在波浪中的响应，以此作为激励，运用LS-DYNA程序，对导管架储油平台的储油舱液体晃荡情况进行仿真模拟，并讨论了不同装载率、不同激励频率等对液体晃荡的影响，主要工作内容如下：
　　 首先，本文阐述了研究晃荡的三种方法，并讨论了它们的优缺点，从流体运动方式的描述、控制方程的离散以及自由液面的追踪这三个方面详细阐述了数值模拟方法的原理。重点讨论了基于有限差分法的晃荡分析的原理、步骤及响应的特点。
　　 其次，阐述了利用半经验半理论的莫里森方程及Airy线性波理论推导出线性化波浪力力谱，然后通过动力响应分析得到导管架储油平台的最大位移响应，以此作为晃荡数值模拟的激励条件。
　　 最后，利用LS-DYNA分析了导管架储油平台液舱不同装载率水平下的晃荡，得到了晃荡动压力时程曲线、流体表面速度矢量图及自由表面波动图，讨论了不同的激励频率对晃荡的影响；并分析了晃荡动压力及温度对舱壁结构的作用，得到了晃荡应力及温度应力的量级。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 研究晃荡的意义

1.2 晃荡时液体运动的特点

1.2.1 液体晃荡运动形式

1.2.2 液体晃荡压力特点

1.3 论文选题及研究内容

2 液体晃荡的分析方法

2.1 晃荡的分析方法

2.1.1 理论方法

2.1.2 数值方法

2.1.3 实验方法

2.2 各种分析方法的比较

2.3 本章小结

3 液舱晃荡仿真的基本理论和关键技术

3.1 流体运动描述ALE方法

3.1.1 控制方程

3.1.2 控制方程的离散

3.2 流固耦合

3.2.1 ALE方法简介

3.2.2 流体—结构耦合算法

3.3 液舱晃荡数值模拟软件LS—DYNA概述

3.3.1 材料属性

3.3.2 初始条件

3.4 本章小结

4 波浪中导管架储油平台结构动力响应分析

4.1 线性波浪理论

4.2 单个圆柱形桩腿所受的波浪力

4.3 莫里森(Morison)方程

4.4 波浪力谱

4.5 导管架结构的动力响应分析

4.6 本章小结

5 导管架储油平台液舱晃荡分析

5.1 晃荡分析一般流程

5.2 液舱晃荡边界条件的选取

5.3 液体晃荡性质及模型的简化

5.3.1 液体晃荡性质

5.3.2 模型的简化

5.4 算例分析

5.4.1 不同装载率下的晃荡分析

5.4.2 激励频率对晃荡的影响

5.5 晃荡应力及液油温度引起的温度应力分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢