浮式结构物系泊系统时域非线性耦合分析

发布时间：2017-08-12 21:01

  本文关键词：浮式结构物系泊系统时域非线性耦合分析

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【摘要】：适用于深海油气开发的浮式平台已成为各国学者及工程师关注的重点。系泊状态下的海洋浮式平台在特定的海域作业时，波浪、海流以及风等外部载荷诱发浮体运动。系缆通过导缆孔与浮体连接，浮体的运动受到系缆提供的回复力影响；同时，浮体的运动也会影响系缆的受力及运动；研究二者之间动态时变的耦合作用具有重要的意义。 本文以海上浮式结构物及其系泊定位系统作为研究对象，采用频时域法计算浮式结构物的运动，同时以细长弹性杆单元模拟系泊缆微段并进行数值计算，最后对系泊状态下的浮式结构物进行时域耦合分析。 大型浮体的耐波性预报通常采用势流理论。本文通过间接时域方法计算浮体的运动。利用商业水动力分析软件计算浮体的频域水动力系数以及波激力；依据Cummins脉冲原理，推导得到波浪中浮体时域运动方程。基于编程语言Fortran自主开发自由状态下浮体运动求解模块，完成了自由状态下FPSO在规则波和不规则中运动的时域计算，并验证了自主开发程序的正确性。 采用细长弹性杆单元模拟系缆微段，推导系缆静力和动力运动方程，采用有限元法进行离散。基于编程语言Fortran自主开发系缆静力和动力求解模块。利用静力计算程序对常见系缆和海洋立管进行计算分析，并考虑作用在系缆上的静态流载荷及几何非线性；通过与悬链线法和参考文献进行对比论证，证明了程序的可靠性。采用动力计算程序对浮标系泊系统进行计算，分析了非线性流载荷对系缆的作用。此外，还利用动力程序研究了系缆与海底之间的非线性作用。最后，推导非线性材料系缆的静力和动力方程，利用程序计算非线性材料系缆在已知激励作用下的张力特性。 在前两部分的基础上，将自由浮体间接时域运动方程和系缆运动方程结合，构造系泊浮体在波浪中运动的时域耦合运动方程，基于编程语言Fortran自主开发耦合求解模块。利用耦合求解模块对一艘系泊FPSO进行计算分析，将计算结果与软件结果对比，验证了耦合计算程序的准确性。最后，，利用耦合计算程序对系泊半潜平台在不规则波中的运动进行计算分析。
【关键词】：浮式结构物 时域模拟 系泊系统 有限元法 耦合分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U653.2;U674.38
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 浮体耐波性研究现状概况10-14
• 1.2.1 二维切片理论10-12
• 1.2.2 三维势流理论12-14
• 1.3 系泊系统研究现状概况14-18
• 1.3.1 系泊系统14
• 1.3.2 静力分析14-16
• 1.3.3 动力分析16-18
• 1.4 耦合分析18-20
• 1.5 本文主要工作20-21
• 第2章 浮式结构物在波浪中运动的频域分析21-29
• 2.1 流场及浮体坐标定义21
• 2.2 浮体运动控制方程及边界条件21-23
• 2.3 浮体运动的辐射势及绕射势求解23-24
• 2.4 浮体频域运动方程24-25
• 2.5 响应传递函数25
• 2.6 算例验证25-28
• 2.6.1 浮标几何参数25-26
• 2.6.2 计算结果26-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第3章 浮式结构物在波浪中运动的间接时域分析29-38
• 3.1 间接时域法计算理论29-31
• 3.1.1 水动力系数频域转时域计算29-30
• 3.1.2 时域波浪力计算30-31
• 3.1.3 高频截断31
• 3.2 数值计算方法31-34
• 3.2.1 水动力系数的数值计算方法31-32
• 3.2.2 时域运动方程计算及程序流程32-34
• 3.3 算例验证34-37
• 3.3.1 计算模型34
• 3.3.2 结果分析34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 系泊系统非线性分析及数值计算38-67
• 4.1 系缆运动方程的推导38-43
• 4.1.1 细长弹性杆理论38-40
• 4.1.2 系缆运动控制方程的有限元离散40-43
• 4.2 系缆静力计算及程序流程43-45
• 4.3 系缆动力计算及程序流程45-48
• 4.4 系缆非线性效应分析48-54
• 4.4.1 系缆与海底相互作用48-49
• 4.4.2 非线性材料系缆计算及程序流程49-54
• 4.5 算例验证54-65
• 4.5.1 常见系缆的静力计算55-57
• 4.5.2 海洋立管的静力分析57-58
• 4.5.3 浮标动力计算及非线性流载荷分析58-61
• 4.5.4 海底弹性阻尼作用分析61-63
• 4.5.5 非线性系缆计算63-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第5章 系泊浮式结构物的耦合分析67-78
• 5.1 系泊浮体时域运动耦合模型67-70
• 5.1.1 耦合运动方程的建立及程序流程67-68
• 5.1.2 系缆与浮体之间的连接68-69
• 5.1.3 风力与流力计算69-70
• 5.2 规则波中 FPSO 系泊系统耦合计算验证70-74
• 5.3 不规则波中半潜平台系泊系统耦合计算分析74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果86-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 肖越,王言英;三维锚泊系统时域计算分析[J];船舶力学;2005年05期

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：663588