海洋内孤立波中张力腿平台动力响应特性研究

摘要

21世纪是海洋的世纪，对南海进行深海油气资源开发是我国实现海洋强国战略的重要途径之一。以张力腿平台为代表的深海浮式平台将会在南海油气资源开发中得到进一步广泛应用。有关资料显示，南海海域存在大范围，全时段的内孤立波活动现象，其在传播过程中携带巨大能量对海洋平台具有破坏性影响，已成为仅次于台风的灾害性自然条件。因此在深海浮式平台的设计、建造和应用中，内孤立波都是不可忽视的重要环境因素之一。
　　对于海洋内孤立波中张力腿平台的动力响应问题，传统的方法是将张力腿平台简化为线性弹簧模型，系泊传递力主要是基于静力学的理论模型。但在深水中，考虑其受到大振幅内孤立波的作用，会产生大幅度的水平漂移，此时线性弹簧模型将不再适用，要考虑张力腿的非线性响应问题。有鉴于此，本文提出将张力腿结构简化为非线性梁模型，研究内孤立波中张力腿平台与非线性梁张力腿模型的耦合动力响应问题。具体进行了以下几个方面的研究：
　　第二章中，提出了内孤立波中张力腿平台与非线性梁张力腿模型的耦合动力响应理论模型。首先简述了KdV、eKdV以及MCC三类两层流体内孤立波的理论模型，包括其方程和理论解，给出了这三类内孤立波理论模型关于色散条件和非线性条件的适用性条件；然后，根据内孤立波理论的适用性条件，基于张力腿平台有限位移时域运动方程，采用Morison和Froude-Krylov公式计算张力腿平台的内孤立波动态载荷，并将张力腿结构简化为非线性梁张力腿模型，建立了海洋内孤立波作用下张力腿平台的动力响应理论模型，并同时给出了传统的将张力腿结构简化为线性弹簧张力腿模型的简化方法；最后具体介绍了非线性梁张力腿模型控制方程与平台的有限位移时域运动方程的耦合求解的数值方法。
　　第三章中，对张力腿平台与非线性梁张力腿模型的耦合动力响应问题进行了数值计算和结果分析。基于三类内孤立波理论KdV、eKdV以及 MCC的适用性条件，结合第二章中建立的张力腿平台耦合动力响应模型，计算了东沙群岛附近海域某实测内孤立波作用下典型张力腿平台（ISSC-TLP）的动态载荷、运动响应和张力腿张力的变化特性，并对张力腿结构的做了弯矩和应力分析，得到了各种流体分层和内孤立波振幅条件下的最大应力及其对应点位。其中，数值计算中的拖曳力系数和惯性力系数根据系列相关实验得到。
　　本文的研究为分析以及评估海洋内孤立波中张力腿平台动力响应问题提供了一个具有工程参考价值的理论模型。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.2海洋内孤立波概述

1.3张力腿平台发展现状

1.4内孤立波作用下深海浮式结构物水动力特性研究现状

1.5论文的主要工作内容及创新点

第二章 张力腿平台内孤立波耦合动力响应理论模型

2.1内孤立波理论模型及其适用性条件

2.2平台运动方程

2.3张力腿平台外载荷

2.4张力腿系泊传递力

2.5非线性梁张力腿模型与平台的耦合作用

2.6小结

第三章 张力腿平台内孤立波耦合动力响应数值计算

3.1计算模型

3.2数值结果与分析

3.3张力腿结构应力分析

3.4小结

第四章 总结和展望

4.1全文总结

4.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文