考虑下沉运动的张力腿平台非线性随机耦合动力响应分析

摘要

TLP（Tension-Leg Platform，张力腿平台）是一种适合于深海油气开采的重要装备，也是我国南海油气田开采所要考虑的平台形式之一。我国南海深水海洋环境十分复杂，TLP遭遇台风及海浪的作用，极易发生不同形式的损伤破坏。因此，本文研究 TLP的强非线性时域耦合分析方法，建立极端海洋环境载荷及冲击载荷作用下的海洋工程结构动态响应模型，揭示 TLP在随机波浪作用下的非线性动力响应特性和损伤机理，具有重要的理论及工程意义。　　本文以工作水深450m的传统型TLP为研究对象，采用准静态分析方法对整个平台系统进行研究，即浮体运动响应采用动态分析方法，将张力腿系泊系统视为非线性弹簧，考虑由平台本体的水平运动即纵荡、横荡和首摇运动所引起的下沉运动，建立耦合刚度矩阵。将系泊系统的静位移产生的力通过平台与系泊系统的耦合边界条件加载到平台本体，实现平台本体与系泊系统之间的动力耦合。　　运用本文开发的数值计算工具，分析平台本体水平运动与下沉运动的关系。基于Airy波波浪理论，计算TLP的运动响应，得到平台运动的时间历程和频谱特性。计算结果表明，平台的下沉运动导致平台垂荡运动响应明显增大，并且在垂荡运动中包含了波频和倍频超谐运动成分，纵荡、横荡和首摇对于下沉具有重要影响。考虑极端海洋环境，基于JONSWAP波浪谱计算平台所受波浪载荷，计算平台的六自由度运动响应。计算结果表明，在随机波浪的作用下，纵荡、横荡及下沉运动的低频成分显著，由于下沉运动具有二次非线性的特征，导致其出现显著的倍频成分。在高海况下垂荡运动主要受下沉运动控制，且随着海况的增大，下沉运动愈加显著。　　提出了一种计算平台上部组块风载荷的方法，用于研究平台在随机波浪和随机风的联合作用下的非线性动力响应。基于JONSWAP波浪谱计算平台浮箱和立柱承受的波浪载荷，基于NPD风谱计算作用于平台上部组块和立柱的风载荷。应用四阶龙格-库塔方法求解运动方程，得到平台运动的时间历程、运动幅度的均值和标准差。计算结果表明，平台上部组块的风载荷将导致平台纵荡、横荡和垂荡运动平衡位置发生显著变化，且垂荡运动幅度明显增大，而风载荷对于平台摇摆运动的影响则较小。　　研究平台在一阶和二阶波浪力作用下的运动响应。其中，二阶波浪力包括平均漂移力、差频波浪力及和频波浪力。采用 DNVGL软件 WADAM，基于势流理论计算频域下的波浪载荷传递函数，然后根据水动力参数和波浪谱生成时域下的随机波浪载荷。采用本文分析模型，计算平台的运动响应。计算结果表明，二阶波浪力对平台的影响十分显著。其中，二阶差频波浪力对平台的纵荡和横荡具有明显的作用，同时会引起大幅的下沉运动，因此对于垂荡自由度具有重要影响。二阶和频波浪力将引起横摇和纵摇的高频响应。但是，二阶波浪力对首摇自由度影响很小。　　研究了畸形波作用下 TLP的动力响应特性，采用随机频率相位角调制法生成的畸形波波面时历，计算在畸形波条件下平台所受的一阶及二阶和、差频波浪载荷，并采用数值方法求解平台六自由度的运动。结果表明，在畸形波作用下，一阶、二阶波浪载荷均受到畸形波的影响，但各波浪载荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以纵荡为代表的低频运动主要受二阶差频波浪载荷影响，以垂荡、纵摇为代表的高频运动受二阶和频波浪载荷的影响。由平台水平运动引发的下沉运动在二阶差频波浪载荷的作用下显著增大，从而诱发垂荡运动产生了显著增加，因此在畸形波作用下垂荡运动同时受到二阶和频及差频波浪载荷的影响。由于畸形波具有冲击载荷的特性，不同自由度运动幅值出现时刻并不相同。　　在试验水池开展了针对传统型 TLP的六自由度运动响应的模型试验，缩尺比为1：120，并将试验结果与数值模拟结果作对比。模拟张力腿系泊系统不发生轴向伸长时，平台的水平运动引发的下沉运动，分析水平运动及下沉运动的响应规律及频谱特性。选取14组试验工况，对TLP的运动响应进行测量，给出纵荡与下沉响应的 RAO，并与数值模拟结果作对比。分析结果表明，随波浪周期的增大，纵荡响应幅值呈现先减小再增大的趋势，下沉运动幅值呈不断增大趋势。针对五组不同波高和相同波浪周期的工况进行试验研究，试验结果表明，随着波高的增大，纵荡和下沉响应幅值均呈现不断增大的趋势，并且试验与数值模拟结果的曲线变化趋势一致。在规则波的作用下，纵荡响应谱在波频处出现明显的峰值，即纵荡运动以波频运动为主，而下沉运动除了出现波频响应之外，还出现了明显的倍频运动，该试验数据与数值计算结果吻合良好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 浮体与系泊系统的耦合分析方法

1.3 本文的主要工作内容

第二章 平台的下沉运动及耦合刚度矩阵

2.1 引言

2.2 下沉运动的提出

2.3 坐标系及转换矩阵

2.4 研究对象

2.5 刚度矩阵的推导

2.6 刚度矩阵及其转换

2.7 本章小结

第三章 规则波流作用下张力腿平台的运动响应

3.1 引言

3.2 平台运动方程、质量矩阵和阻尼矩阵

3.3 波浪载荷计算

3.4 规则波作用下张力腿平台的运动响应分析

3.5 本章小结

第四章 随机波及风浪流联合作用下张力腿平台的运动响应

4.1 引言

4.2 随机环境载荷模拟

4.3 随机波作用下张力腿平台的运动响应

4.4 随机风浪流联合作用下张力腿平台的运动响应分析

4.5 本章小结

第五章 上部组块风载荷对运动响应的影响及参数敏感性分析

5.1 引言

5.2 上部组块风载荷计算方法

5.3 上部组块风载荷对张力腿平台运动响应的影响

5.4 不同的上部组块高度对张力腿平台运动响应的影响

5.5 环境条件参数敏感性分析

5.6 本章小结

第六章 二阶波浪载荷作用下张力腿平台的运动响应

6.1 引言

6.2 运动平衡方程

6.3 波浪载荷

6.4 二阶波浪载荷传递函数

6.5 二阶波浪载荷作用下的张力腿平台的六自由度运动响应

6.6 二阶波浪载荷作用下的张力腿平台的下沉运动

6.7 本章小结

第七章 畸形波作用下张力腿平台的运动响应

7.1 引言

7.2 畸形波的模拟

7.3 畸形波的数值模拟与计算工况

7.4 畸形波作用下张力腿平台的动力响应

7.4 本章小结

第八章 张力腿平台运动响应试验研究

8.1 引言

8.2 试验的准备与描述

8.3 试验结果与分析

8.4 本章小结

第九章 总结与展望

9.1 工作总结

9.2 论文创新点

9.3 对未来工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢