深水自升式平台时变动力学及作业安全分析研究

摘要

近年来，自升式平台作业事故频发，尤其在升降及压载工况下呈现出不确定性、突发性及时变性等特征，对自升式平台结构安全性能构成严重危害。随着海洋石油开采力度的增大，平台趋向于深水、高效作业方向发展，因而有必要开展深水自升式平台时变动力学及作业安全评估方法研究。本文依托国家自然科学基金项目“极端海洋环境下海洋固定平台生存能力及动力灾变应急对策研究”以及中央高校基本科研业务费专项资金项目“深水自升式平台升降作业时变动力学特性研究”，系统开展自升式平台整体时变动力学行为与安全保障技术研究，在自升式平台关键力学特性、整体升降动力学分析、应急动力灾变演化、时变可靠性评估以及健康状态反演等方面取得较大研究进展，开发升降及压载工况下平台作业设计与事故预警技术，可为我国深水自升式平台作业安全评估和管理提供科学依据。论文相关主要研究进展总结如下： 1.平台升降系统与桩土作用力学行为研究 分别从升降系统传动力学模型和平台桩靴基础力学模型对深水自升式平台的关键力学行为进行研究。首先建立升降系统传动动力学分析数值解析及仿真模型，针对所提出的齿轮齿条错齿传动优化方案，系统研究齿轮齿条传动过程中动力啮合强度、时变啮合刚度以及传动动力响应变化规律，对比分析错齿传动方案在承载能力及传动稳定性方面的优势，并验证仿真模型的求解精度。其次，探讨不同工程简化算法对桩靴参数、地层影响机制、土体回流特性等方面的考虑程度，进一步研究在双层土结构地基承载力预测方面的适应性。基于耦合欧拉-拉格朗日法（CEL）建立桩土耦合非线性分析模型，以地基离心实验为对象分析桩靴入泥过程土体流动特性以及入泥阻力变化，对比双层土地基结构下仿真与实验结果差异。应用CEL法对平台插桩入泥工程案例进行分析，探讨多层土地基结构各土层间影响机制，从预测精度角度阐明CEL方法的优势。 2.深水自升式平台升降整体动力学分析 基于升降系统动力学模型开展以自升式平台整体系统为对象的动力学分析，采用刚柔耦合动力学理论建立自升式平台整体升降动力仿真模型，采用模态缩减法对系统模态进行截断，探讨模态缩减前后分析精度及计算效率变化。对比分析桩腿柔性和刚性对平台升降动力性能影响，揭示桁架式与壳体式平台结构响应对桩腿柔性的敏感程度。针对齿轮驱动故障以及升降不同步两种应急工况，分析总结应急过程中传动稳性及齿轮载荷分配时变规律。集成升降控制、动力参数监测系统搭建平台整体升降实验系统，开展正常升降以及穿刺升降下平台动力性能实验研究，研究实验模型与仿真模型动力参数变化规律以验证仿真模型对多种作业工况的适用性。综合考虑各安全评价指标对平台升降工况影响程度及敏感性，基于多属性决策理论构建自升式平台压载升降工况时变安全决策模型，并提出以作业序列失稳风险控制为优化目标的平台调平方案决策方法。 3.深水自升式平台应急动力灾变演化研究 基于桩土动力耦合分析方法，针对风暴自存及穿刺两种应急工况开展应急动力灾变演化机制研究。基于剪切失效准则实现平台构件层次损伤及演化的精确描述，提出自升式平台整体失效判定准则，进一步建立考虑桩土耦合作用的平台系统动力灾变分析模型。探讨构件损伤演化、桩土约束模型对平台失效后果的影响程度，结合结构抗力和地基抗力提出系统抗力判定准则，揭示风暴自存及穿刺应急工况下系统抗力演化模式，进一步对比分析两种应急工况下系统动态灾变全过程。在此基础上建立应急工况后存在损伤平台的剩余承载力分析方法，揭示穿刺过程中系统动力参数变化规律。以不同性能需求为目标定义正常作业、应急以及极限承载三种安全临界状态，提出自升式平台剩余承载作业窗口制定方法，探讨不同安全临界状态下平台剩余极限承载力窗口变化规律。 4.深水自升式平台穿刺时变可靠性分析 在平台应急动力灾变演化模型和桩土作用模型的基础上研究平台穿刺工况下系统时变可靠性。建立自升式平台穿刺可靠性分析模型，在拉丁超立方抽样基础上采用传统蒙特卡洛可靠性分析法研究穿刺工况平台结构易损性，并探讨不同样本数下各等级易损性曲线的差异性。针对传统可靠性分析法的局限性，分别从缩减样本数目及隐式极限功能函数精确构造角度建立HOMM-Pushover法及SAE-MC法穿刺可靠性求解方法，探讨模型参数、样本数目对不同失效状态结构易损性预测精度影响规律，对比传统可靠性分析方法与改进方法分析结果，验证改进可靠性分析方法优势。建立考虑结构-地基随机参数耦合作用下的穿刺系统可靠性分析流程，定量评估多层土复杂地基条件下系统不同危险等级的失效概率，以压载载荷为变量揭示压载过程中系统风险演化过程，探讨结构参数与地基参数随机性对系统可靠性影响敏感程度。 5.基于结构监测的平台健康状态反演研究 基于平台动力学行为和作业安全性能理论分析结果，开展适用于深水自升式平台作业安全保障的智能监测方法研究。采用离散反演法建立自升式平台结构健康状态反演模型，引入深度置信深度学习网络对结构输出的不同非平稳信号进行特征学习以改进和完善反演方法。基于仿真数据开展平台结构损伤反演研究，在确定优化准则基础上采用整数编码遗传算法对传感器布点进行优化。探讨单损伤、多损伤组合下改进反演算法的适用性，揭示模态总阶数对辨识精度影响规律。搭建自升式平台结构健康状态反演实验系统，提出通过振动台力控输出模拟随机波浪力激励的方法，设计穿刺状态及结构损伤反演测试工况，探讨加速度信号、应变信号以及综合信号三种反演输入信号对穿刺发展程度的识别精度，采用主成分分析法对改进反演算法识别到的损伤抽象特征进行特征提取，对比传统损伤识别特征验证改进反演方法的优势。集成结构力学正问题及反问题分析核心算法，开发自升式平台升降作业安全监测系统。

目录

声明

创新点摘要

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自升式平台力学行为研究

1.2.2 自升式平台结构安全评估方法研究

1.2.3 自升式平台升降作业动力学分析

1.2.4 海洋平台结构健康反演研究

1.3 本文研究内容

第2章 平台升降系统与桩土作用力学行为研究

2.1 齿轮齿条传动动力学分析

2.1.1 齿轮齿条传动改进方案

2.1.2 动力学分析模型建立

2.1.3 传动动力性能分析

2.2 桩土作用工程简化算法研究

2.2.1 规范推荐算法对比

2.2.2 双层土桩-土作用改进算法

2.3 桩土作用非线性仿真算法研究

2.3.1 桩土作用非线性仿真模型

2.3.2 模型适用性研究

2.4 本章小结

第3章 深水自升式平台升降整体动力学分析

3.1 平台刚柔耦合动力学数值模型建立

3.1.1 数值分析模型

3.1.2 模型求解方法

3.1.3 模态缩减理论

3.2 虚拟样机及动力学行为研究

3.2.1 整体仿真模型建立

3.2.2 桩腿柔性对升降动力性能影响

3.2.3应急起升工况平台动力性能

3.3 平台升降动力学实验研究

3.3.1 升降实验对象及测试内容

3.3.2 升降动力行为实验特性分析

3.4 压载升降时变稳定性评定方法研究

3.4.1 稳定性初步探讨

3.4.2 时变评估方法建立

3.4.3 应急工况决策优化

3.5 本章小结

第4章 深水自升式平台应急动力灾变演化研究

4.1 考虑损伤的结构失效机理

4.1.1 考虑损伤演化的构件失效

4.1.2 基于构件水平的整体结构失效

4.2 整体应急时变分析模型建立

4.2.1 考虑构件损伤演化的结构模型

4.2.2 考虑桩土动力耦合作用的整体分析模型

4.2.3 模型动力学求解方法

4.2.4 模型适用性研究

4.3 应急工况系统抗力时变演化

4.3.1 自存工况下系统抗力演化

4.3.2 穿刺工况下系统抗力演化

4.4穿刺损伤工况剩余承载能力研究

4.4.1 剩余承载力分析流程

4.4.2 关键参数确定

4.4.3 基于剩余承载力的作业窗口制定

4.5 本章小结

第5章 深水自升式平台穿刺时变可靠性分析

5.1 穿刺可靠性分析模型

5.1.1 状态变量模型

5.1.2 平台穿刺易损性

5.1.3 结构随机性模型建立

5.1.4 基于MC的结构穿刺可靠性研究

5.2 HOMM-Pushover法求解可靠性

5.2.1 点估计法求解统计矩

5.2.2 最大熵求解可靠度

5.2.3 结构可靠性求解方法

5.2.4 基于HOMM-Pushover的结构穿刺易损性

5.3SAE-Monte Carlo法求解可靠性

5.3.1 基于SAE的失效状态判别方法

5.3.2 结构可靠性求解方法

5.3.3基于SAE-MC的结构穿刺易损性

5.4 考虑随机耦合的系统穿刺可靠性分析

5.4.1 地基承载能力概率分析

5.4.2 系统可靠性分析方法研究

5.4.3 算例分析

5.5 本章小结

第6章 基于结构监测的平台健康状态反演研究

6.1 系统安全智能反演体系建立

6.1.1 反演问题的提出

6.1.2 基于深度学习的特征提取

6.1.3改进反演模型

6.2 穿刺工况结构安全反演仿真研究

6.2.1 测点布置优化

6.2.2 基于振型信息的损伤反演

6.3 穿刺工况结构安全反演实验研究

6.3.1 实验系统搭建

6.3.2 应急工况反演研究

6.3.3 结构损伤反演研究

6.4 自升式平台升降作业安全监测系统

6.4.1 升降作业安全监测系统整体框架

6.4.2 升降作业安全监测系统模块组成

6.5 本章小节

第7章 总结与展望

7.1 主要研究结论

7.2 建议今后开展的研究

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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