深海顶张力立管在多频参数激励下的稳定性分析和可靠性评估

摘要

顶张力立管作为海洋油气开发的重要设备，其稳定性尤为重要。参数激励的不稳定性是实际立管面临的一大挑战，一旦被激发将使立管极度不稳定，影响海洋油气开发的正常开展，严重时将带来重大经济损失和环境污染。
　　有效预测此立管稳定性，并指导工程设计是避免灾难发生的关键。当前研究预测参量激励的不稳定性大都基于规则波进行探讨，即假定实际参数激励为单频谐波激励。然而，实际海洋环境具有很大随机性，波浪对于海洋平台的激励是多频叠加的随机载荷，导致立管中张力随机性波动，因此以单频激励预测张力波动形态不符合实际，其预测结果的准确性会受到很大影响。
　　与此同时，由于海洋环境即波浪和洋流作用力的随机性，以及立管本身的结构尺寸和材料特性存在的随机性，立管的参量稳定性设计存在很大的不确定性，而传统方法大都基于确定性参数进行研究，因此其预测得到的稳定性受到现实随机性的严峻挑战。
　　此外，工作于随机海洋环境下的顶张力既受到海洋表面波浪力作用又受到洋流绕流立管产生周期性涡激励力作用，仅考虑前者作用将导致参量共振，仅考虑后者作用将导致涡激振动。而实际海洋环境下，立管可能同时受到两种周期性作用而使立管不稳定，因此有必要考虑周期性波浪和涡同时作用下立管的动力稳定性。
　　为解决以上问题，本文从以下三个方面展开，对顶张力立管在随机海洋环境下的稳定性进行深入研究:
　　1.基于线性波浪理论和P-M海浪谱，预测实际海洋环境中的波浪载荷得到多频参数激励，推导多频激励下立管的参量稳定性Hill方程，运用Bubnov–Galerkin法求解相应方程得到Hill稳定性图。探讨多频激励预测立管系统参量稳定性特点，对比多频激励产生的Hill稳定性图和传统采用单频激励产生Mathieu稳定性图，分析传统方法研究存在的不足。基于Hill稳定性图预测实际海洋环境下立管的参量稳定性，并提出抑制或消除不稳定性的方法。
　　2.考虑海洋环境、结构设计和材料特性存在的不确定性，对影响立管参量稳定性的随机性因素进行敏感性分析，确定对参量稳定性影响较大的关键因素。建立代理模型模拟不确定因子和输出响应之间的关系,以及进行随后的可靠性分析。计算在关键因素影响下立管参量稳定的可靠度，并分析每个因素对可靠度影响的规律。结合可靠性分析，提出抑制和消除不稳定性的方法。
　　3.考虑参数和涡同时作用于顶张力立管，推导相应的动力学方程，并计算其动力响应，比较其与参量共振和涡激振动之间的差异。在参数和涡共同激励作用下，深入分析各相关变量对立管动力稳定性的影响。分别分析涡和参数激励对共同激励不稳定性的影响规律。讨论减弱或避开不稳定性的措施。

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上海交通大学硕士学位答辩决议书

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目录

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究特色

2 Hill参量稳定性预测

2.1 引言

2.2 线性波浪理论

2.3 运动模型建立

2.4 多频与单频预测

2.5 多频激励稳定性

2.6 工程算例

2.7 本章小结

3 基于可靠性的参量稳定性分析

3.1 引言

3.2 动力模型建立

3.3 代理模型建立

3.4 参量稳定性可靠度分析

3.5 工程设计指导

3.6 本章小结

4 参数和涡联合激励下立管稳定性

4.1 引言

4.2 非线性自治系统控制方程

4.3 非线性动态响应

4.4 联合激励不稳定性分析

4.5 多频不规则波激励

4.6 不稳定性抑制和消除

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表/录用的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目