深水水下吊装过程动力学建模与仿真

发布时间：2017-11-01 17:34

  本文关键词：深水水下吊装过程动力学建模与仿真

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【摘要】：随着海洋石油开采由浅海向深海的逐步转移，海底管汇等水下设备的吊装在深海油气开采中的重要性逐渐显现。在深水吊放作业过程中，安装母船、缆绳及吊装物构成的系统会受到海上风浪的联合作用。由于深水吊放过程所受到环境影响较为复杂，因此通过实验手段获取安装母船和吊装物的运动特征难以实现且成本较高，在现阶段的研究中普遍采用仿真手段对深水吊放系统进行动力学分析。 本研究以海上安装母船和吊放系统为对象，研究安装过程动力学问题。在对吊装过程的仿真计算中，吊装环境的模拟是不可或缺的，采用JONSWAP谱进行作业海域的三维波面仿真。采用基于势流理论的二维切片法，，对安装母船进行动力学建模和分析，通过简单格林函数求解剖面的二维辐射势，将二维水动力参数沿船长方向迭加得到船体的三维水动力参数，结合安装母船的主要参数，得到安装母船纵向运动（主要包括升沉和纵摇运动）的幅频响应曲线。对幅频响应曲线的分析，得出安装母船升沉和纵摇运动幅值变化明显的波频区间。吊装运动控制首先需要测量技术的支持，结合课题研究需要，对安装母船所配备的三维运动实测系统进行数据处理研究，通过自适应野值监测方法实现拟合之后实测数据野值的自动剔除和替换，并通过最小二乘曲线拟合法对数据进行滤波处理，为深水吊放升沉补偿系统提供准确的输入信号。基于AblowSchechter模型建立缆绳动力学模型，采用水下运载体六自由度方程建立吊装物模型，并结合缆绳的边界条件得到缆绳切向无阻尼自然频率和切向动态张力的近似解析表达式。根据作业海域在不同海况下的频率谱特征，得到吊放作业时应尽量避免的波频区间。由缆绳切向动态张力的仿真可以得到缆绳释放长度与节点位置的切向动态张力曲线，以避免缆绳松弛之后张紧所产生的巨大冲击载荷。 通过对安装母船的动力学分析，可以得到升沉和纵摇运动幅值变化明显的波频区间在0.4~0.9rad/s之间。当遭遇角等于90°时，波浪对安装母船的升沉运动影响最大，当遭遇角等于45°和0°时对安装母船的纵摇运动影响较大。通过对缆绳和吊装物的分析可以得到，缆绳切向无阻尼自然频率随着释放长度的增加而减小，节点距离吊装物重心距离越远，切向动态张力越大，当切向动态张力大于静态张力时缆绳会出现松弛的情况。
【关键词】：二维切片 纵向运动 Ablow&Schechter模型 深水吊装
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 深水安装方法概述13-15
• 1.3 船体运动国内外研究及发展15-17
• 1.4 切片理论的理论基础和发展17-20
• 1.4.1 切片法的理论基础17-19
• 1.4.2 切片理论的发展19-20
• 1.5 研究目标与研究内容20-21
• 2 三维波面仿真21-28
• 2.1 波浪仿真模型22-23
• 2.2 波浪仿真结果23-28
• 3 船舶纵向运动的建模与仿真28-56
• 3.1 船舶运动的坐标系28-30
• 3.1.1 静坐标系28-29
• 3.1.2 动坐标系29-30
• 3.2 船舶纵向运动方程的建立30-38
• 3.2.1 船舶运动的概述30-31
• 3.2.2 速度势的线性边界条件31-35
• 3.2.3 船舶上的水动力载荷计算35-36
• 3.2.4 船舶运动微分方程36-38
• 3.3 船舶纵向运动方程的求解38-52
• 3.3.1 水动力系数的计算38-43
• 3.3.2 波浪力和力矩的计算43-46
• 3.3.3 二维水动力系数的求解46-48
• 3.3.4 边界条件上的积分方程48-51
• 3.3.5 求解过程中的积分51-52
• 3.4 计算结果52-56
• 4 船体运动数据的处理56-62
• 4.1 数据处理采取的技术路线56-57
• 4.2 自适应野值剔除57-58
• 4.3 滤波处理58-60
• 4.4 Matlab 仿真结果及分析60-62
• 5 缆绳及吊装物建模62-74
• 5.1 建模方法的选取62-63
• 5.2 模型坐标系63
• 5.3 缆绳数学模型的建立63-66
• 5.4 吊装物数学模型的建立66-67
• 5.5 动态张力的求解与仿真67-74
• 6 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-78
• 致谢78-79
• 个人简历79-80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1127872