自升式海洋平台振动分析及实验研究

发布时间：2018-11-21 12:03

【摘要】：能源是人类社会不断进步和发展的必要条件,为了寻找新的油气资源,人们将目光投向浩瀚的海洋,而海洋平台作为开发海上油气所必须的装备,其发展速度不断加快。然而海洋平台所服役的工作环境常常十分恶劣,地震、海浪、飓风、冰山撞击等诸多不利因素都会使海洋平台产生振动,当振动达到一定幅度时会造成海工设备运转失常,工作人员心理焦虑,甚至是倒塌和倾覆等严重后果。因此,对自升式平台的整体振动特性进行研究是十分必要的。本文对渤海海域某自升式海洋平台的振动特性进行分析并建立相似模型进行实验,研究内容主要包括以下几个方面:1、参照莫氏方程,以本文的研究对象渤海某自升式海洋平台为例,计算出其在波浪作用下的所受到的最大水平波浪力合力以及最大水平合波力矩,并绘制了其关于不同相位角的合力以及最大水平合波力矩关系函数。该自升式海洋平台的四条桩腿在前桩腿相位角θ为40°时受最大水平合波力与最大水平合波力矩,数值分别为2.33MN与55.892MN?m。2、以渤海海域某深水自升式海洋平台的设计参数为基础,建立三维模型,设计并建造出一个适用水深和海况相同的实验测试模型。振动模型的总高度为500mm,主船体为100×150×50(mm)的长方形平台,配重块尺寸为50×50×50(mm),桩腿处使用直径6mm的管材替代。3、借助莫氏方程计算出的波浪载荷,对正常工作工况下,受到不同相位角θ波浪载荷所作用的自升式海洋平台进行结构静力学分析。其中,当自升式海洋平台受到最大水平合波力矩与最大水平合波力矩作用,即前桩腿相位角θ为40°时,船体产生的最大位移为4.747cm;θ为60°时,桩腿处将承受最大应力,大小为15.216Mpa;在静力学分析中,自升式海洋平台上的位移随着自身高度的增加而逐渐变大,并且整体表现出随风浪载荷作用向Y轴方向倾斜的趋势。4、对海洋平台进行结构动力学分析,主要包括模态分析、响应谱分析和流固耦合分析。其中,模态分析得出海洋平台的前三阶固有频率分别为6.10Hz、6.12Hz和14.73Hz,平台的前三阶振型分别为沿X、Y方向的振动,以及绕Z轴方向的扭转振动;在地震载荷响应谱分析中,模拟海洋平台在EL-Centro NS波与Taft EW波作用下的响应,分析显示自升式海洋平台在EL-Centro NS波与Taft EW波作用下的位移峰值分别是0.2462m与0.2745m;在考虑流固耦合的模态分析中,自升式海洋平台在水槽中的振型同模态分析的结果一致,前三阶固有频率均有所降低,分别是5.85Hz、5.86Hz和14.56Hz,且流固耦合对海洋平台模态频率的影响随着阶次增加而降低。5、规划并进行海洋平台相似模型振动模态实验,实验包括锤击法模态试验与激振台响应实验两部分。锤击法模态试验中,所得前三阶固有频率分别是7.8Hz、97.05Hz、136.17Hz,振型分别为沿X方向的振动,沿Y方向的振动,以及绕Z轴方向的,与有限元分析结果存在较大差异。而在激振台振动实验中,测得模态参数是一阶为X轴方向4.43Hz,二阶为Y轴方向5.06Hz,证明了有限元分析的准确性与激振台实验的正确性,而锤击法实验则因模型弹性吸收存在较大误差;此外在激振台振动实验中,自升式平台模型在EL-Centro NS波的作用下的位移峰值为Y方向上的18.8045mm;在Taft EW波的作用下,自升式平台模型的的位移峰值为20.4918mm,同样在Y方向上。这与响应谱分析结果基本一致。本文综合运用波浪载荷理论、有限元分析和实验研究,分析研究了自升式海洋平台的振动特性,为研究TMD减振装置对海洋平台的振动控制效果奠定了基础。
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【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P75;TB53

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