浮托安装系统耦合动力响应研究

发布时间：2017-10-19 02:22

  本文关键词：浮托安装系统耦合动力响应研究

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【摘要】：近年来,随着陆地石油储量的不断枯竭和人们对能源需求的持续增长,海洋油气开发得到了迅猛的发展。海洋平台作为海洋油气开发的必要装备,其需求量正在快速增长。与此同时,海洋平台的安装技术和配套装备也是油气开发系统中不可缺少的一部分,它的滞后也会大大制约海洋油气开发的进度。如今各类型的海上平台都在向大型化、综合化方向发展,平台结构物的整体重量不断增加,使得平台上部模块的安装难度不断增大。大型平台上部模块的安装作为一类高风险、高附加值产业,已被各大石油公司和工程公司所重视,成为了海洋工程研究的一大热点。浮托法是一种新型的大型组块安装方法,它通过驳船运输上部组块到安装位置,在拖轮和定位装置的辅助下与平台下部结构对准后,再利用落潮和增加驳船吃水的方式将上部模块的重量缓慢转移到下部结构上。与其他安装方法相比,浮托法具有作业成本低、时间短、起重能力大等优点。目前,该方法已被应用在各个海域和各种类型的平台上,随着它的日益成熟和完善,已经成为组块海上安装的首选方法。在浮托安装中,驳船和组块在风、浪、流等各种环境载荷下受迫运动,同时通过LMU和DSU等对接装置相互耦合,另外还通过锚链、水平系泊缆、靠垫等定位装置与导管架及海底相互作用,构成了一个复杂的多体耦合系统。此外,在安装过程中组块的重量不断从驳船向导管架转移,驳船的压载和平均吃水均在不断变化,整个系统的动力特性也随之改变,使得问题更加复杂。本论文采用理论分析、数值计算、模型试验以及实船监测多种方法相结合,对浮托安装中的多体耦合动力响应、载荷动态转移、驳船水动力性能以及多驳船间的水动力干扰特性等问题进行了全面、深入地探索和研究。第二章中,针对单船浮托安装中的最核心问题——多体对接和载荷转移,进行了受力分析和数值模拟。剖析了对接耦合装置lmu与dsu的作用机理,推导出了驳船与组块的相对位移与耦合作用力之间的关系式;研究了驳船随时间变化的压载分布对整体重力和质量模型的改变;另外对驳船任意姿态的实时浮力进行了计算。从牛顿第二定律出发建立了静水中载荷动态转移的多体耦合运动方程,成功地对静水中以及正弦外力激励时的浮托载荷转移过程进行了模拟。第三章中,选择适合的计算方法对浮托驳船受到的水动力载荷进行了计算。考虑到驳船下沉的速度缓慢,提出了一个缓变湿表面问题的假设,对变平均湿表面问题进行了简化。先在三维频域势流理论的基础上计算随时间变化的多个湿表面边值问题,得到相应的水动力系数,再通过插值得到任意吃水的频域水动力系数,然后通过时频转换求得任意吃水时的驳船水动力载荷。第四章中,考虑驳船和组块受到的所有外力和相互作用力,建立多体耦合时域运动方程并求解,得到驳船和组块的运动和各构件上的受力等。并将计算结果与模型试验结果进行比较,从而验证了数值计算方法和程序的可靠性和准确性。另外,对载荷转移动态过程开展了全时域模拟研究,基于缓变平均湿表面假设,考虑吃水变化时的波浪力和水动力系数,另外通过分布质量点的方法模拟压载水的变化,直接对湿表面静水压力积分计算恢复力,最终模拟出了载荷转移的全过程。第五章中,针对单船浮托开展了大量、全面而精细的试验研究。在水池中对驳船、导管架、组块以及各连接机构进行了精确模拟,并设置了一系列的环境条件,研究浮托安装系统的动力响应。将浮托安装的动态过程分解成若干步骤,对每个步骤所处状态分别进行研究,最终得出了不同阶段浮托安装系统的动力特性和规律。寻找到浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位,对今后的工程设计提供了指导。第六章中,针对浮托安装的实际工程作业,建立了一套针对性的实时监测集成系统,可对风浪流潮等海洋环境、驳船运动以及靠垫应力进行实时采集和分析。使用该监测系统对荔湾3-1平台浮托安装海上作业过程进行了全程监测和记录,对实际施工进行了指导,降低了作业风险,同时得到的实测数据对模型试验和数值计算提供了参考。第七章中,在单船浮托研究的基础上,对双船浮托中的耦合动力问题进行进一步探索。首先针对多浮体在波浪作用下的水动力干扰问题进行研究:以小间距并列双驳船系统为例,通过模型试验获得两驳船的水动力响应结果,探索浮体间水动力干扰的作用机理;采用频域势流理论计算双驳船的水动力系数,并根据试验结果讨论其修正。然后同时考虑水动力干扰与连接件耦合,使用本文开发的时域计算程序,对多浮体系统在波浪作用下的动力响应进行了时域模拟,得到了各船体之间的相对运动和耦合受力,并通过与试验结果进行对比,验证了该程序的可行性。综上所述,本文针对浮托安装系统多体耦合响应、驳船水动力与定位性能、对接耦合性能以及双船浮托驳船间的水动力干扰进行了研究。通过数值计算实现了浮托安装载荷转移过程的模拟仿真,并通过试验和实测方法进行了验证。经过分析不同状态下的动力响应特性,得出了浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位,对今后的工程设计提供了指导。另外,本文成果中的实测系统多次直接应用到实际的海上安装中,准确预报了施工中各重要指标数据,有效地降低了海上安装作用的风险,具有十分重要的意义。
【关键词】：浮托安装 动力响应 多体耦合 模型试验 实船监测 数值计算
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 绪论16-34
• 1.1 引言16-19
• 1.2 浮托安装的简介与发展19-26
• 1.2.1 浮托安装一般流程19-22
• 1.2.2 浮托安装中的核心设备22-24
• 1.2.3 浮托安装技术的历史与现状24-26
• 1.3 本论文相关研究综述26-29
• 1.3.1 浮托安装分析技术26-28
• 1.3.2 浮式平台在线监测技术28
• 1.3.3 多浮体耦合作用研究28-29
• 1.4 本论文的研究工作简介29-34
• 1.4.1 研究背景和意义29-30
• 1.4.2 研究目标和拟解决的关键问题30-31
• 1.4.3 主要研究内容31-33
• 1.4.4 主要创新点33-34
• 第2章 多体对接和载荷转移的力学分析34-57
• 2.1 引言34-35
• 2.2 坐标系与坐标转换35-37
• 2.3 LMU与DSU的模拟37-40
• 2.4 驳船压载变化的模拟40-41
• 2.5 驳船浮力的模拟41-43
• 2.6 时域运动方程的建立与求解43-46
• 2.6.1 静水中的耦合运动方程43-45
• 2.6.2 方程的求解45-46
• 2.7 验证算例46-53
• 2.7.1 静水衰减运动结果48-50
• 2.7.2 静水中的载荷转移模拟结果50-51
• 2.7.3 正弦激励下的载荷转移模拟结果51-53
• 2.8 荔湾 3-1 浮托静水中载荷转移分析53-56
• 2.9 本章小结56-57
• 第3章 浮托驳船的水动力载荷计算57-83
• 3.1 引言57-58
• 3.2 三维频域势流理论58-67
• 3.2.1 坐标系定义58
• 3.2.2 控制方程与边界条件58-62
• 3.2.3 常数边界元离散62-63
• 3.2.4 辐射力与绕射力63-64
• 3.2.5 静水回复力64-65
• 3.2.6 频域运动方程65
• 3.2.7 波浪漂移力65-67
• 3.3 时域水动力载荷计算67-70
• 3.3.1 不规则波浪序列67-68
• 3.3.2 时频转换理论68-70
• 3.4 变平均湿表面问题70-71
• 3.5 T形驳船的水动力系数计算71-82
• 3.5.1 数值计算与模型试验的结果比较73-76
• 3.5.2 T形驳船与传统驳船水动力系数比较76-79
• 3.5.3 组块高度对驳船水动力性能的影响79-80
• 3.5.4 不同吃水对水动力系数的影响80-82
• 3.6 本章小结82-83
• 第4章 浮托中耦合动力响应的时域模拟83-103
• 4.1 引言83
• 4.2 风力和流力83-84
• 4.3 系泊系统作用力84-88
• 4.4 靠垫作用力88-90
• 4.5 时域运动方程与求解90-92
• 4.5.1 准静态分析方法90-91
• 4.5.2 全动态分析方法91-92
• 4.6 算例 1：载荷转移的准静态时域分析92-99
• 4.6.1 运动结果对比95-97
• 4.6.2 受力结果对比97-99
• 4.7 算例 2：载荷转移的全动态时域分析99-102
• 4.7.1 驳船与组块的运动99-101
• 4.7.2 LMU和DSU的受力结果101-102
• 4.8 本章小结102-103
• 第5章 浮托安装的模型试验研究103-151
• 5.1 引言103
• 5.2 相似法则与坐标系103-105
• 5.2.1 相似法则103-105
• 5.2.2 试验中的坐标系105
• 5.3 模型制作105-113
• 5.3.1 驳船与上部组块模型105-108
• 5.3.2 导管架模型108-109
• 5.3.3 LMU与DSU模型109-110
• 5.3.4 靠垫模型110-111
• 5.3.5 系泊系统模型111-113
• 5.4 海洋环境条件及其模拟113-115
• 5.5 测量仪器及其布置115-116
• 5.6 研究内容与试验工况116-119
• 5.7 数据处理方法119-122
• 5.7.1 衰减分析119-120
• 5.7.2 统计分析120-122
• 5.8 结果与分析122-150
• 5.8.1 静水试验结果分析122-123
• 5.8.2 系泊就位试验结果分析123-129
• 5.8.3 进船、退船试验结果分析129-136
• 5.8.4 载荷转移试验结果分析136-150
• 5.9 本章小结150-151
• 第6章 浮托安装的实船监测研究151-186
• 6.1 引言151-152
• 6.2 测量原理152-160
• 6.2.1 船舶运动监测152-155
• 6.2.2 海洋环境条件监测155-158
• 6.2.3 应力应变监测158-160
• 6.3 集成监测系统的构建160-172
• 6.3.1 设备布置与安装160-167
• 6.3.2 数据传输与集成167-168
• 6.3.3 数据处理168-170
• 6.3.4 三维仿真170-172
• 6.4 实测结果分析172-182
• 6.4.1 海洋环境条件监测结果172-178
• 6.4.2 运动监测结果178-181
• 6.4.3 靠垫力监测结果181-182
• 6.5 数值模拟重现182-185
• 6.6 本章小结185-186
• 第7章 双船浮托中的多浮体耦合研究186-221
• 7.1 引言186
• 7.2 浮体间水动力干扰的试验研究186-196
• 7.2.1 试验模型与布置187-189
• 7.2.2 试验内容189-190
• 7.2.3 衰减试验结果分析190-193
• 7.2.4 驳船运动结果分析193
• 7.2.5 间隙内波面升高结果分析193-196
• 7.3 多浮体水动力干扰的频域计算理论196-200
• 7.3.1 定解问题196-197
• 7.3.2 高阶边界元方法197-198
• 7.3.3 波浪漂移力的中场法198-199
• 7.3.4 人工阻尼修正方法199-200
• 7.4 并列双驳船系统的水动力系数计算200-213
• 7.4.1 网格收敛性分析200-204
• 7.4.2 中场法与近场法计算比较204-206
• 7.4.3 人工阻尼方法修正206-208
• 7.4.4 计算结果与试验结果对比208-212
• 7.4.5 间距对共振频率的影响212-213
• 7.5 浮托过驳作业的时域耦合分析213-220
• 7.5.1 多浮体耦合的时域运动方程215-216
• 7.5.2 计算建模216-217
• 7.5.3 时域结果分析217-220
• 7.6 本章小结220-221
• 第8章 结论与展望221-224
• 8.1 主要工作总结和结论221-223
• 8.2 进一步研究工作的展望223-224
• 参考文献224-230
• 附录I：名词缩写及符号说明230-232
• 附录II：荔湾 3-1 平台组块浮托主要参数232-238
• 攻读博士学位期间发表的论文238-240
• 攻读博士学位期间参与的科研与合作项目240-241
• 致谢241

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张春熹;魏渊;张f^;顾欣怡;;数字闭环加速度计系统模型分析与校正设计[J];仪器仪表学报;2012年12期

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本文编号：1058499