經(jīng)典式Spar平臺非線性耦合動力響應(yīng)研究.pdf

1、海洋油氣的勘探與開采活動正在向越來越深的水域發(fā)展。作為深水和超深水海域中極具競爭力的平臺類型,Spar平臺在常規(guī)海況下表現(xiàn)出良好的運動特性。然而近期一些的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬顯示:由于耦合非線性因素的存在,使得當(dāng)平臺遭遇到長周期涌浪時將出現(xiàn)復(fù)雜的非線性耦合共振現(xiàn)象,導(dǎo)致平臺主體運動的失穩(wěn)和系纜張力的突然增大,危及平臺的作業(yè)安全。目前對于Spar平臺非線性運動穩(wěn)定性與耦合動力響應(yīng)方面的研究已成為海洋工程界關(guān)注的焦點。
　　 本文依據(jù)

2、非線性動力學(xué)理論,研究經(jīng)典式Spar平臺主體運動的非線性穩(wěn)定性問題;采用數(shù)值模擬方法,計算在規(guī)則波浪下主體-系泊系統(tǒng)的耦合動力響應(yīng)。本文的主要工作與結(jié)論如下:
　　 (1)概述了Spar平臺的結(jié)構(gòu)形式和總體性能,回顧了Spar平臺的發(fā)展歷程,綜述了國外Spar平臺的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,介紹了國內(nèi)外關(guān)于Spar平臺的最新研究成果,確定了本文的主要研究方向與關(guān)鍵問題。
　　 (2)計算經(jīng)典式spar平臺主體所受到的波浪載荷。

3、根據(jù)剛體動力學(xué)理論推導(dǎo)出Spar主體垂蕩、縱蕩、縱搖三自由度的運動方程。根據(jù)繞射輻射理論,以一座實驗Spar平臺為算例,計算了該平臺主體所受到的一階波浪激勵力、一階輻射阻尼力,二階縱蕩波浪力,為之后的理論分析打下了基礎(chǔ)。
　　 (3)研究Spar平臺縱搖運動的Mathieu不穩(wěn)定性。考慮垂蕩運動對于縱搖穩(wěn)性高度的影響,建立了Spar平臺非線性參-強(qiáng)聯(lián)合激勵縱搖運動方程。應(yīng)用攝動法求得了主參數(shù)共振時方程的近似解析解,根據(jù)李雅普諾夫

4、穩(wěn)定性定理對方程解的穩(wěn)定性與局部分岔特性進(jìn)行分析,揭示了縱搖運動出現(xiàn)參激失穩(wěn)的機(jī)理,做出了發(fā)生大幅值縱搖運動的不穩(wěn)定參數(shù)域,進(jìn)而建立了預(yù)報平臺發(fā)生參數(shù)激勵縱搖運動的方法,分析了不同參數(shù)激勵與縱搖阻尼對于縱搖運動響應(yīng)的影響。
　　 (4)研究Spar平臺垂蕩與縱搖運動的耦合內(nèi)共振特性。考慮瞬時波面和一階波浪激勵力的影響,建立了兩自由度耦合非線性方程。針對垂蕩與縱搖固有頻率間的準(zhǔn)2∶1關(guān)系,采用多尺度法導(dǎo)出了當(dāng)波浪頻率接近垂蕩固有頻

5、率時耦合方程的近似解析解并數(shù)值驗證,根據(jù)Floquet理論對定常周期解的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)出現(xiàn)耦合內(nèi)共振現(xiàn)象時垂蕩運動存在能量飽和現(xiàn)象,當(dāng)垂蕩激勵力繼續(xù)增大時,多余的垂蕩能量將向縱搖模態(tài)轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定縱搖運動。增加垂蕩阻尼可降低垂蕩共振幅值,而增加縱搖阻尼或擴(kuò)大垂蕩與縱搖同有頻率間的差距將削弱兩自由度問的耦合關(guān)系,從而避免耦合內(nèi)共振運動的發(fā)生。
　　 (5)研究Spar平臺垂蕩與縱搖運動的組合共振特性。采用攝動法

6、導(dǎo)出當(dāng)波浪頻率接近垂蕩與縱搖固有頻率之和時響應(yīng)方程的近似解析解并數(shù)值驗證,根據(jù)Routh-Hurwitz判據(jù)對零解的穩(wěn)定性和局部分岔特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn):較大的縱搖激勵力矩將導(dǎo)致解曲線發(fā)生局部分岔行為從而衍生出穩(wěn)定的亞諧分量,是導(dǎo)致兩自由度響應(yīng)出現(xiàn)倍周期與幅值跳躍現(xiàn)象的根本原因。提高系統(tǒng)阻尼可減小零解的不穩(wěn)定區(qū)從而提高此時平臺運動的穩(wěn)定性。
　　 (6)計算規(guī)則波浪下Spar平臺主體-系泊系統(tǒng)的耦合動力響應(yīng)。應(yīng)用集中質(zhì)量法模

7、擬系泊系統(tǒng),考慮系泊纜繩所受到的流體載荷和其與主體之間的相互作用,建立了系泊-主體全耦合分析模型,根據(jù)龍格庫塔法在MATLAB語言環(huán)境下開發(fā)大型耦合計算程序ANCMS。以一座實驗Spar作為算例,得到了不同系纜長度時纜繩的靜態(tài)預(yù)張力與纜繩水中構(gòu)型,測出了纜繩的非線性系泊剛度,對比了在規(guī)則波浪下有無系泊系統(tǒng)時平臺的運動響應(yīng),研究了系泊纜繩的粘性阻尼與質(zhì)量慣性力對于平臺運動響應(yīng)的影響,得到了以波浪頻率為分岔參數(shù)的主體運動幅值與系纜張力分岔圖