深海浮式结构物与其系泊缆索的耦合动力分析

发布时间：2020-05-16 10:09

【摘要】：海洋蕴藏着丰富的资源,对海洋油气资源的开发和利用逐渐向深水甚至超深水区发展。为了保证海洋平台等长期在海上作业的浮式结构物在大多数海洋环境作用下可以正常工作并抵御各种海洋环境荷载,准确模拟系泊系统的运动时间历程和可靠性分析显得非常重要。本文应用边界元方法和Morison公式对浮式结构物进行水动力分析,应用几何非线性有限元方法计算系泊缆索张力,并在时域内对浮式结构物及其系泊缆索进行了耦合分析。无论浅水域还是深水域都会产生波群,其对海工结构物尤其是系泊浮体具有较强的破坏力,会在结构物自身频率附近产生共振,对结构物造成严重的威肋、或破坏。本文数值模拟了具有不同群性的波浪历程,并对波群作用下浮式结构物与其系泊系统进行了耦合动力分析。本文基于势流理论,应用三维分布源法求解边界积分方程,采用满足自由水面条件和海底条件的Green函数,只需在物体表面划分网格；同时利用对称性减少了计算量,缩短了计算时间；采用扩展的边界积分方程法消除了频域计算中的不规则频率问题；根据Cummins的理论,通过快速傅立叶变换,将频域计算结果变换到时域,得到浮体在波浪中的时域运动方程。在深水或超深水环境下,系泊缆索的惯性和阻尼会对上部结构产生很大影响,同时系泊缆索在大变形、大预张力条件下,缆索变形的非线性效应不能忽略,本文基于全量的拉格朗日表述和两节点的等参索单元,应用几何非线性有限元方法和Newmark方法建立了缆索动力分析的数值模型。应用该模型系统地考察了缆索材料、水深、顶端激励幅值、顶端激励频率、初张力和顶角等因素对缆索动张力的影响。建立了联合应用边界元方法／莫里森公式和几何非线性有限元方法等对风、浪、流联合作用下深海系泊系统进行耦合动力响应分析的计算模式。针对不同海洋环境作用下的深海系泊系统,深入研究了水深、波高、周期、谱峰因子、流速、风速以及不同风、浪、流入射方向等对浮式结构物运动响应及其系泊缆索张力的影响。首次研究了波浪群性对深海浮式系泊系统的影响。天然海浪经常出现一连串波高超过某一临界值的波构成,即所谓“群”,海浪群性是海浪场的一种重要特性。要判明海浪群性的大小,仅以海浪频谱为依据是不够的,波包线是描述海浪群性的重要工具,海浪群性的大小和波包谱的形状是密不可分的。实测的波面资料可通过Hilbert变换得波包线,进而可得波包谱。给定波浪要素,群高参数GFH和群长参数GLF后即可结合频谱和波包谱准确的模拟出具有不同群性的海浪。本文对不同群性的海浪作用下浮式结构物与其系泊系统进行了耦合动力分析,研究了群性参数的不同取值对波面、浮式结构物的运动响应以及系泊缆索张力的影响。
【图文】：

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未探明油气储量。新增原油产量中海上石油占50%。20世纪70年代末期，国外的油气勘探开始挺进深水领域。20世纪80年代中期以来，随着科学技术的进步，世界各国对能源的需求不断增长，但陆地上和浅海区油气田的发现难度增大，人们的目光很自然地投向了深水区，尤其是当巴西的坎波斯(CamPs)盆地发现了 AlbacoraMarlin等大型油气田之后，深水勘探更是不断升温，现已成为最热的勘探领域。目前，世界上除了已形成的南美巴西、墨西哥湾和西非3个勘探热点外，大西洋两岸的英国、挪威、加拿大、南非、摩洛哥、毛里塔尼亚、纳米比亚和阿根廷，地中海沿岸的埃及、以色列和土耳其，亚太地区的印度、印度尼西亚、澳大利亚和新西兰等国家也都在积极开展深水区油气田的勘探和开发，勘探领域已从水深300米的陆坡区扩展到了3000米的深水区。截至2009年，全球深海石油的产量只占到了7%左右，如图 1.1，根据来自《世界深水报告》的资料预测，未来44%的油气储量将来自深水海域，而现在己开发的仅占3%，可见其潜力是巨大的。未来海洋勘探开发需求增长较快的地区主要集中在西非、巴西墨西哥湾和亚太地区。以巴西为例，巴西国内探明海上油气储量为16亿吨油当量，其中300一500米水深占56%，水深超过1500米的占23%。

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我国石油对外依赖度已经达到50%以上，能源安全己经引起国家高度重视。根据第三次石油资源评价结果，我国石油资源量为1072.7亿吨，其中海洋石油资源量246亿吨，占全国石油资源总量的23%;海洋天然气资源量为16万亿立方米，占总量的30%。但由于受深海装备技术和勘探能力不足影响，我国海洋石油探明程度为12%，海洋天然气探明程度为n%，远低于世界73%的平均水平。我国南海蕴藏着丰富的油气资源和天然气水合物资源，，石油地质储量约为230亿一300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，其中70%蕴藏于深海区域。南海北部的“可燃冰”储量达到我国陆上石油总量的一半左右，据测定，1立方米“可燃冰”可释放出200立方米甲烷气体，其能量密度是煤的10倍，常规天然气的2至5倍。南海领域周边国家每年从南海开采走的石油是1.5个大庆的产量，如图1.2。中国目前还没有深海钻井平台，即2500一3000米的第六代全自动定位的钻井平台。新出的“十二五”规划将海洋工程装备纳入其中，定名为((’’十二五”期间海洋工程装备发展规划》，期间将会有两或三个深水油气田要建成投产，总投资浦超过2500一3000亿元人民币，2015年南海深水区总产量2500万吨油当量，2020年5000万吨油当量，相当于一个大庆油田。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P75

【参考文献】