钢悬链线立管与半潜式平台耦合动力响应研究

摘要

随着人们对油气资源需求量的增加，深海采油成为人们关注的重点，为了更好的进行海底作业，需要研发新型的生产设施，而钢悬链线立管凭借其独特的结构优势已经被广泛应用海上油气的开采中。目前国内外学者对其研究大多将立管作为单独的构件进行分析，实际上钢悬链线立管悬挂于浮式平台外侧，不仅承受海洋环境中波浪的扰动，同时也受到顶部浮体运动的影响。应将钢悬链线立管与浮式平台相结合作为整体进行研究，这样才能更准确的分析钢悬链线立管在海洋环境中的动力响应。 本文利用虚功原理建立了钢悬链线立管的动力学模型，结合Euler方程及初始条件得到立管的运动方程。将浮式平台的运动方程进行转化，与立管运动方程相结合，建立整体分析模型。计算整体分析模型的固有频率及模态形状，依据Newton-Raphson迭代法计算立管位移转角增量，得到立管的静力平衡位置，并对内波及表面波影响下的立管动力响应进行计算分析。首先计算内波垂向结构及频散关系，得到内波荷载并结合浮式平台运动，采用Newmark-β法对立管整体运动方程进行积分求解，编制Matlab分析程序，分析内波场中不同因素对立管动力响应的影响，并与传统耦合模型进行对比分析。利用水动力分析软件ANSYS WORKBENCH对浮式平台在表面波作用下的运动位移及所受波浪力进行计算，将计算结果作为边界条件施加在动力学模型顶部，编制动力分析程序进行计算并对比分析不同模型的计算结果。 计算结果表明，顶部张力对立管的动力特性及立管动力响应都有较为明显的影响。波浪及浮式平台运动决定立管的振动频率，内波作为一个外力，推动立管做整体运动，立管的最大振动位移主要受内波影响，立管顶端转角则主要来自浮式平台的运动。表面波主要作用于浮式平台上，通过浮式平台运动影响立管的运动，在本文分析的四个自由度中，浮式平台纵摇方向上的运动对立管振动响应的影响最大。通过整体分析模型与传统耦合模型的对比研究发现，立管整体模型所计算得出的立管振动规律更加清晰，计算结果相对较显著，更加贴近实际。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 现役立管研究现状

1.2.2 SCR研究现状

1.2.3 内波研究现状

1.3 研究内容及主要创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要创新点

第二章 SCR与半潜式平台整体分析模型

2.1 钢悬链线立管(SCR)的结构特征

2.2 动力学模型的建立

2.2.1 基本假设

2.2.2 虚功原理

2.2.3 立管运动方程

2.3 整体分析模型的建立

2.3.1 立管标准方程

2.3.2 整体分析模型

2.4 本章总结

第三章 钢悬链线立管动力特性分析

3.1 静力平衡位置分析

3.1.1 算例分析过程

3.1.2 静力分析结果

3.2 动力特性分析

3.2.1 分析方法

3.2.2 结果分析

3.3 本章总结

第四章 海洋立管在内波场中的动力响应

4.1 理论分析

4.1.1 内波理论

4.1.2 求解方法

4.1.3 算例分析

4.2 内波作用下立管动力响应分析

4.2.1 环境参数影响

4.2.2 顶部张力及内流流速影响

4.3 本章总结

第五章 海洋立管在波浪场中的动力响应

5.1 理论分析

5.1.1 波浪理论

5.1.2 计算方法

5.3 波浪作用下立管动力响应分析

5.3.1 波浪影响

5.3.2 浮式平台影响

5.3 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢