不规则波浪下SPAR平台参数纵摇的预测研究

摘要

研究了深海Spar平台在不规则波浪条件下的参数纵摇现象。随着海洋油气开发不断向深海区域发展，浮式平台在勘探、开采和生产中得到越来越广泛的应用。参数振动是由于系统参数随时间变化而引起的振动现象。对于深海Spar平台，该现象通常是由于其在波浪中的垂荡运动引起的稳性半径变化所导致的，并表现为较大的纵摇或横摇响应。若发生参数纵摇现象，则可能会造成过大的平台运动，导致平台自身、相关设备的损坏，甚至威胁到工作人员的安全。因此，对参数纵摇现象进行预测和研究有助于避免不必要的人员伤亡和经济损失。众多研究人员在规则波的条件下对Spar平台的参数纵摇现象进行了研究。然而实际海况下，波浪是不规则的，且有实验模拟表明平台在不规则波下同样会发生参数纵摇，不考虑不规则波的参数纵摇分析可能存在危险。尽管不规则波浪条件下Spar平台的参数纵摇预测存在激励函数模拟和求解方法等众多挑战，仍有必要进一步对不规则波浪条件下的深海Spar平台参数纵摇性质进行系列分析，以保证平台在实际海况下的作业安全。
　　本论文对现有的Spar平台参数不稳定性研究现状进行归纳总结，基于平台的垂荡－纵摇运动方程，并通过线性波浪理论，模拟了不规则波浪下Spar平台的垂荡运动响应，进而对由垂荡引起的参数纵摇现象主要进行了以下分析：
　　1）推导出了适用于不规则波情况的Hill方程，实现了Spar平台在不规则波浪条件下参数纵摇的解析方法预测。应用解析方法绘制了多频波情况下的稳定性区域图，并与规则波的单频情况进行对比，提出了在不规则波情况下对参数纵摇进行分析的重要性。对不稳定区域的分布，以及阻尼系数等因素的影响作了分析，并对比了不同Spar平台壳体形状的稳定性区域图，得出以上因素对参数纵摇性质的影响和有利于避免参数纵摇的Spar平台形式。
　　2）基于数值求解方法对 Spar平台纵摇运动进行模拟。考虑非线性项因素，进行了更准确的预测。一方面对解析方法预测结果的安全性进行了验证，另一方面基于时历模拟的结果绘制了Spar平台最大纵摇角度与相关设计参数的等高图，直观地分析不同设计变量对参数纵摇性质和纵摇变化趋势的影响，得出了部分设计变量的简化对预测结果的影响，给出了发生参数纵摇情况下合理的设计变量调整方案。
　　本论文实现了对不规则波情况下 Spar平台参数纵摇的预测和分析，指出了有利于避免参数纵摇的Spar平台壳体形式，对平台的设计变量选取或调整方式提出了建议，有助于更好地进行Spar平台的设计，从而避免参数纵摇现象的发生，保证了平台和人员在作业中的安全。

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第一章 绪论

1.1 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究特色

第二章 不规则波下SPAR平台参数纵摇的解析与数值预测方法对比研究

2.1 引言

2.2不规则波下SPAR平台的垂荡模拟

2.3 SPAR平台垂荡-纵摇运动响应方程

2.4 预测SPAR平台参数纵摇的解析方法

2.5 预测SPAR平台参数纵摇的数值模拟方法

2.6 SPAR平台参数纵摇数值预测方法与解析预测方法的对比

2.7 小结

第三章 不规则波下SPAR平台HILL参数稳定性预测

3.1 引言

3.2 单频与多频下参数纵摇稳定区域对比

3.3 阻尼变化对SPAR平台参数纵摇稳定区域的影响

3.4 设计初稳性高对SPAR平台参数纵摇的影响

3.5 SPAR平台三维参数纵摇稳定性区域图

3.6 不同初始相位下SPAR平台稳定区域图的对比

3.7 小结

第四章 避免参数纵摇的SPAR平台壳体形状

4.1 引言

4.2 选用的平台壳体形状及主要性质

4.3 不同平台壳体形状下稳定性区域图的对比分析

4.4 小结

第五章 SPAR平台参数纵摇的数值预测与参数影响分析

5.1 引言

5.2 对SPAR平台参数纵摇解析预测的检验

5.3 避免参数纵摇的SPAR平台设计参数选取

5.4 设计变量调整对参数纵摇响应变化趋势的影响

5.5 排水体积变化对参数纵摇预测的影响

5.7 小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目