深海浮式结构物系泊系统的非线性时域分析

摘要

随着人们对深海油气资源的渴求日趋迫切，深海油气开发的相关技术也得到了不断的发展。其中深海平台作为油气采集、储存直至加工的枢纽，更是发展的重点。深海平台在波浪上的运动性能是平台设计的核心指标之一。系泊系统和立管系统等挠性部件作为海洋平台定位及油气输运的核心设施，其运动及力学性能同样倍受关注。在系泊系统定位过程中，系泊系统和浮体发生相互作用。系泊系统作用在浮体上的拉力影响着浮体运动，而反过来，浮体的运动又影响着系泊系统所提供的回复力大小。同样立管系统也不可避免地与平台发生相互作用。三者共同决定了浮体运动及各挠性部件的动力响应。在理论研究中，时域耦合动力分析能更真实地反应浮体的运动响应及系泊缆索的张力情况，对减小海洋结构物的工程风险、提高其可靠性评价准确度有着十分重要的意义。
　　 本文基于浮体在波浪上的运动理论、时域GREEN函数方法、频域GREEN函数方法和FFT方法，开发了求解浮体六自由度时域运动的计算程序；根据经典细长杆件理论及锚泊线理论，自主开发了挠性部件的三维时域有限元计算程序。并以此为基础开发了浮式结构物及其挠性部件系统的完全时域耦合计算程序。本文对在波浪中运动的浮标的水动力系数和波浪力以及运动响应进行了计算，通过与文献结果的比较，验证波浪载荷及浮体运动计算程序的可靠性。对于挠性部件，分别就几何非线性、材料非线性单独进行了验证，并对综合了除材料非线性外的其他非线性要素的动态问题进行了考察验证。对于浮体与挠性部件系统的耦合分析，通过与模型实验结果的对比，证明了数值模型的可靠性。
　　 纤维缆由于其轻质、无腐蚀等特点，近年来在海洋工程中得到了广泛地应用。但由于纤维材料非线性特性的复杂性，常规方法已不能准确预报其动力响应。为此，在本文的研究中，在推导出纤维缆控制方程后，再根据相关的材料非线性特性对纤维缆的刚度、应变进行实时计算。
　　 纤维缆的材料非线性，体现在其应力应变关系上，在缆索动力学中，反映在应变与缆内张力之间的关系上。准确模拟数值计算过程中的应变与张力的关系，是纤维缆动力计算的关键问题。本文针对纤维缆的动力特性，通过理论研究发现，除动态刚度外，纤维缆的残余应变对准确模拟纤维缆的动力特性起着重要作用，并依据本文理论推导的结果，给出了纤维缆动态刚度及相应的残余应变的估值方法。发现使用该方法可大大缩短计算时间，并且提高了计算的准确性。
　　 全面地研究了系泊系统的势能、动能等能量成分及锚泊阻尼的能量耗散作用。从能量的观点出发，考察了锚泊线在不同张力水平下，各张力成分所其作用大小，为锚泊线的设计提供了理性的参考。在设计阶段，依靠能量的标量特点，能快捷地从一、二维的锚泊线能量分布分别计算得到锚泊系统能量的平面、空间的分布，继而通过能量的一阶梯度及二阶梯度得到锚泊系统的回复力及锚泊系统刚度的空间分布，从而更加全面的了解系泊系统性能，为锚泊系统的优化设计提供重要参考依据。