深水半潛式平臺(tái)錨泊截?cái)嗟撵o力和低頻阻尼等效試驗(yàn)方法.pdf

1、現(xiàn)今，從淺海走向深水，是世界海上石油和天然氣資源開(kāi)發(fā)的大趨勢(shì)，工業(yè)界和研究學(xué)者們也把目光越來(lái)越多的聚焦在深水工程上來(lái)。模型試驗(yàn)水池的空間尺度有限，隨著深水工程的發(fā)展，當(dāng)浮式平臺(tái)的工作水深增加到1500米～3000米時(shí)，目前世界范圍內(nèi)模型試驗(yàn)水池的空間尺度已經(jīng)不足以支持對(duì)全水深下浮式平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)進(jìn)行合理比尺的模型試驗(yàn)。因此，需要在截?cái)嗨钕聦?duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，那么錨泊系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)以確保平臺(tái)具有與全水深下一致的運(yùn)動(dòng)性能。

2、r>　　錨泊系統(tǒng)是深水浮式平臺(tái)定位和運(yùn)動(dòng)約束系統(tǒng)，為平臺(tái)提供靜回復(fù)力和阻尼力?？紤]作用在上部浮式平臺(tái)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境載荷，錨泊系統(tǒng)需要提供足夠的靜回復(fù)力和阻尼力以保證平臺(tái)被限制在井口周圍一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在不規(guī)則波的激勵(lì)下，浮式平臺(tái)會(huì)受到二階低頻慢漂力的作用。低頻慢漂力通常會(huì)引起平臺(tái)在水平方向上的大幅低頻共振運(yùn)動(dòng)，因此，錨泊阻尼水平對(duì)于深水浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來(lái)說(shuō)十分重要。一旦截?cái)嗨铄^泊系統(tǒng)可以具有和全水深錨泊系統(tǒng)等效的靜回復(fù)力特性和低頻阻

3、尼特性，那么其就有可能代替全水深錨泊系統(tǒng)而直接進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。
　　本論文以截?cái)嗨钕洛^泊系統(tǒng)的等效優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心，以深水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼同時(shí)等效截?cái)嗟哪Ｐ驮囼?yàn)方法進(jìn)行研究。研究工作主要包括以下幾部分內(nèi)容:
　　1.錨泊系統(tǒng)靜力和阻尼計(jì)算方法及其試驗(yàn)研究:首先，闡述使用分段外推法求解錨泊系統(tǒng)所提供靜回復(fù)力的步驟;然后，對(duì)考慮法向和切向拖曳力以及錨泊線底部與海床之間摩擦力的改進(jìn)擬靜力錨泊阻尼計(jì)算

4、方法進(jìn)行理論推導(dǎo)和介紹，并且通過(guò)與其他學(xué)者研究結(jié)果以及AQWA軟件計(jì)算結(jié)果的比較分析，驗(yàn)證該簡(jiǎn)化計(jì)算方法的正確性和有效性;最后，以懸鏈線式錨鏈為研究對(duì)象，使用1∶70縮尺比在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非線性波浪水槽進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果的比較分析，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的正確性和有效性。
　　2.錨泊系統(tǒng)靜回復(fù)力和阻尼對(duì)深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響:首先，介紹三維勢(shì)流理論下的頻域分析方法;然后，闡述基

5、于Cummins脈沖響應(yīng)理論的間接時(shí)域耦合分析方法;最后，以深水懸鏈線式錨泊系統(tǒng)為基準(zhǔn)，分別以靜回復(fù)力剛度相同、錨泊系統(tǒng)阻尼不同和靜回復(fù)力剛度不同、錨泊系統(tǒng)阻尼基本相同為原則，各設(shè)計(jì)兩組對(duì)比錨泊系統(tǒng)，并以一座工作水深為1500m的深水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，分別對(duì)其在以上五組錨泊系統(tǒng)約束條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域耦合計(jì)算，并對(duì)各組錨泊系統(tǒng)約束下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的低頻和波頻成分進(jìn)行對(duì)比分析。
　　3.截?cái)嗨钕洛^泊系統(tǒng)等效優(yōu)化設(shè)計(jì):首先，根

6、據(jù)錨泊系統(tǒng)靜力特性一致為等效原則，應(yīng)用遺傳算法對(duì)截?cái)嗨钕洛^泊系統(tǒng)進(jìn)行等效優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，并對(duì)實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);然后，提出新的截?cái)嗨钕洛^泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)錨泊系統(tǒng)靜回復(fù)力和低頻阻尼特性同時(shí)等效的設(shè)計(jì)原則，利用遺傳算法針對(duì)新的加權(quán)目標(biāo)函數(shù)對(duì)截?cái)噱^泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)程序，并對(duì)實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);最后，以1500m工作水深半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)在全水深錨泊系統(tǒng)、僅靜力等效截?cái)噱^泊系統(tǒng)以及靜力和低頻阻尼同

7、時(shí)等效截?cái)噱^泊系統(tǒng)約束下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較計(jì)算，以驗(yàn)證新的截?cái)噱^泊系統(tǒng)等效設(shè)計(jì)方法優(yōu)越性。
　　4.錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截?cái)嘣囼?yàn)方法的適用性研究:首先，討論該模型試驗(yàn)方法是否適用于不同型式的錨泊系統(tǒng)。在這部分研究工作中，分別以懸鏈線式錨泊系統(tǒng)、半張緊式錨泊系統(tǒng)和張緊式錨泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)半潛式平臺(tái)在全水深和截?cái)嗨顥l件下遭受極端工況和工作工況環(huán)境載荷時(shí)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其全水深結(jié)果和截?cái)嗨罱Y(jié)果進(jìn)行比較分析。然后

8、，討論該模型試驗(yàn)方法在不同截?cái)嗨钕碌倪m用性。在這部分研究中，以1500m懸鏈線式全水深錨泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別設(shè)定截?cái)嗨顬?00m和400m，利用錨泊系統(tǒng)靜力與低頻阻尼等效截?cái)嗟姆椒▽?duì)半潛式平臺(tái)在截?cái)嗨钕逻\(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)全水深結(jié)果和不同截?cái)嗨罱Y(jié)果進(jìn)行比較分析。
　　5.錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截?cái)嗟哪Ｐ驮囼?yàn)與驗(yàn)證:為了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證錨泊系統(tǒng)靜力和低頻阻尼等效截?cái)嘣囼?yàn)方法的可行性，以某半潛式平臺(tái)及其全水深和截?cái)嗨铄^