經(jīng)典式Spar平臺(tái)非線性耦合動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、海洋油氣的勘探與開(kāi)采活動(dòng)正在向越來(lái)越深的水域發(fā)展。作為深水和超深水海域中極具競(jìng)爭(zhēng)力的平臺(tái)類型,Spar平臺(tái)在常規(guī)海況下表現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)特性。然而近期一些的實(shí)驗(yàn)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(tái)遭遇到長(zhǎng)周期涌浪時(shí)將出現(xiàn)復(fù)雜的非線性耦合共振現(xiàn)象,導(dǎo)致平臺(tái)主體運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn)和系纜張力的突然增大,危及平臺(tái)的作業(yè)安全。目前對(duì)于Spar平臺(tái)非線性運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與耦合動(dòng)力響應(yīng)方面的研究已成為海洋工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　 本文依據(jù)

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

3、根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出Spar主體垂蕩、縱蕩、縱搖三自由度的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)繞射輻射理論,以一座實(shí)驗(yàn)Spar平臺(tái)為算例,計(jì)算了該平臺(tái)主體所受到的一階波浪激勵(lì)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(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)的Mathieu不穩(wěn)定性?？紤]垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)于縱搖穩(wěn)性高度的影響,建立了Spar平臺(tái)非線性參-強(qiáng)聯(lián)合激勵(lì)縱搖運(yùn)動(dòng)方程。應(yīng)用攝動(dòng)法求得了主參數(shù)共振時(shí)方程的近似解析解,根據(jù)李雅普諾夫

4、穩(wěn)定性定理對(duì)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(yùn)動(dòng)出現(xiàn)參激失穩(wěn)的機(jī)理,做出了發(fā)生大幅值縱搖運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定參數(shù)域,進(jìn)而建立了預(yù)報(bào)平臺(tái)發(fā)生參數(shù)激勵(lì)縱搖運(yùn)動(dòng)的方法,分析了不同參數(shù)激勵(lì)與縱搖阻尼對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。
　　 (4)研究Spar平臺(tái)垂蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)的耦合內(nèi)共振特性?？紤]瞬時(shí)波面和一階波浪激勵(lì)力的影響,建立了兩自由度耦合非線性方程。針對(duì)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(shí)耦合方程的近似解析解并數(shù)值驗(yàn)證,根據(jù)Floquet理論對(duì)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(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)存在能量飽和現(xiàn)象,當(dāng)垂蕩激勵(lì)力繼續(xù)增大時(shí),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(yùn)動(dòng)。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(wèn)的耦合關(guān)系,從而避免耦合內(nèi)共振運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。
　　 (5)研究Spar平臺(tái)垂蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)的組合共振特性。采用攝動(dòng)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(shí)響應(yīng)方程的近似解析解并數(shù)值驗(yàn)證,根據(jù)Routh-Hurwitz判據(jù)對(duì)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(lì)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(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。
　　 (6)計(jì)算規(guī)則波浪下Spar平臺(tái)主體-系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)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(kù)塔法在MATLAB語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā)大型耦合計(jì)算程序ANCMS。以一座實(shí)驗(yàn)Spar作為算例,得到了不同系纜長(zhǎng)度時(shí)纜繩的靜態(tài)預(yù)張力與纜繩水中構(gòu)型,測(cè)出了纜繩的非線性系泊剛度,對(duì)比了在規(guī)則波浪下有無(wú)系泊系統(tǒng)時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),研究了系泊纜繩的粘性阻尼與質(zhì)量慣性力對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響,得到了以波浪頻率為分岔參數(shù)的主體運(yùn)動(dòng)幅值與系纜張力分岔圖