集中质量法在深海系泊冲击张力计算中的应用研究

摘要

当系缆在周期性载荷的作用下，会出现松弛一张紧的交替运动，缆绳中可能出现很高的张力。这时，由于缆绳回复刚度的不连续性出现突变恢复力，引起整个系泊系统的非线性问题。对于深海平台系泊系统，当环境载荷超过一定的值时，将加剧系泊缆交替的松弛一张紧现象。 本文采用集中质量法研究深海Spar平台系缆张力的突变规律，以及Spar平台系泊系统的动力响应。这对于深海Spar平台的设计开发具有较重要的理论和工程意义。 采用三维集中质量法建立深海系缆模型，计算系缆的构型及张力。将系缆考虑为由许多集中质量点和无质量弹性单元组成，并假设系缆上所有的作用力都集中作用在集中质量点上。通过各点的初始条件和系缆两端点处的位移边界条件，求解系缆的三维运动方程。 考虑系缆重力、浮力、流体拖曳力和附连水质量等因素对缆绳动态张力的影响，分析系缆在不同激励频率和激励幅值下的运动过程，并预测系缆松弛-张紧运动的发生条件和系缆冲击载荷的大小。 计算了1018m水深情况下，Jip Spar平台系缆端点受到水平位移激励时的张力变化及动力响应，并求解系缆冲击张力放大系数。 本文研究表明，系缆张力随系缆上端点的运动而变化，靠近海底的系缆运动幅值较小。 系缆张力会随着激励频率和幅值的增大而增大。当系缆上端点的激励频率和幅值达到一定值时，系缆会出现交替松弛-张紧的现象，最小张力减小为零，最大张力急剧增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本文研究的意义

1.2 Spar平台的构造及研究现状

1.2.1 Spar平台的构造

1.2.2 Spar平台的发展与研究现状

1.3深海平台的系泊系统

1.3.3系泊系统构造

1.3.4系泊缆材料

1.3.5系泊缆的弹性

1.3.6系缆张力计算模型

1.3.7系缆冲击张力的研究

1.4本文研究的主要内容

第二章系缆模型的建立

2.1采用三维集中质量法建立模型

2.2系缆模型的总体坐标系

2.3系缆分段单元

2.4本章小结

第三章系缆运动方程的建立

3.1质点的速度与加速度

3.2附连水质量

3.3重力与浮力

3.4波流作用力

3.4.1系缆分段中点的速度

3.4.2系缆分段上的拖曳力

3.4.3等效作用于节点上的拖曳力

3.5系缆内阻尼

3.6质点运动方程

3.7本章小结

第四章系缆静态张力及构形

4.1系缆张力表达式

4.2节点受力平衡方程

4.3系缆静态张力及构形计算

4.3.1牛顿法计算系缆静态张力及构形

4.3.2静态张力计算流程

4.4本章小结

第五章系缆冲击张力及运动响应

5.1边界条件及初始条件

5.1.1边界条件

5.1.2初始条件

5.2系缆动态张力的数值解法

5.3端点受位移激励情况下的系缆张力计算

5.4线性化处理

5.5本章小结

第六章算例及计算结果分析

6.1系缆张力计算实例

6.2系缆静态张力及构形计算结果分析

6.2.1悬链线法计算系缆静态构型

6.2.2集中质量法计算系缆静态构型及张力

6.3系缆冲击张力及运动响应计算结果分析

6.3.1端点位移激励下的系缆张力时间历程响应

6.3.2系缆张力在不同激励频率下的最大最小值

6.3.3端点位移激励下系缆质点的运动响应

6.3.4冲击放大系数

6.4本章小结

第七章全文总结

参考文献

致 谢