深水浮式结构与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析
发布时间：2022-02-09 00:39
Spar、TLP和FPSO等浮式平台在深水油气开采中得到了广泛的应用,它们大多采用系泊系统保证其正常作业并抵御各种灾害海洋环境的影响,海洋平台及其系泊／立管系统的整体耦合分析是海洋结构物动力学的关键问题。随着水深的增加,系泊缆索和立管的质量及其阻尼对平台运动的影响越来越大。因此,考虑平台和系泊系统之间的动力相互作用变得非常重要。在这种情况下,为了全面考虑平台和系泊缆索、立管之间的各种相互作用,本文提出了在时域内对整个系统进行非线性耦合动态分析的方法。本文以三维Laplace方程为基本控制方程建立了二阶时域波浪与结构物相互作用的数学模型。利用泰勒级数展开,将瞬时物体表面边界条件和瞬时自由水面边界条件分别变换到平均物面和静水面上满足。利用摄动展开并分离级数,分别建立了相应的一阶、二阶边值问题。选取Rankine源和它关于海底的镜像作为格林函数,并利用格林第二定理,建立了关于波浪场中任意点速度势的边界积分方程。详细推导了波浪力的计算公式,建立了刚体运动方程,并介绍了利用四阶龙格库塔法进行数值求解的过程。采用高阶边界元方法,将积分方程离散成以物面单元节点速度势和自由水面单元节点速度势法向导数为...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：211 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 波浪与物体相互作用研究方法
1.2.1 数值方法
1.2.2 频域理论
1.2.3 时域理论
1.3 系泊缆索/立管静动力分析方法
1.3.1 系泊缆索/立管静力分析方法
1.3.2 系泊缆索/立管动力分析方法
1.4 波浪与系泊海洋平台相互作用的耦合分析方法
1.5 本文主要研究工作
2 二阶时域波浪与三维物体相互作用数学模型
2.1 控制方程与初-边界条件
2.2 二阶摄动展开及泰勒级数展开
2.3 远场边界条件的处理
2.4 边界积分方程的建立
2.5 波浪力的计算
2.6 浮体运动方程及其求解方法
2.6.1 刚体运动方程
2.6.2 初始效应的处理
2.6.3 时间积分过程
2.6.4 运动方程的求解过程
2.7 小结
3 高阶边界元方法及数值算例
3.1 积分方程的离散与矩阵方程的建立
3.1.1 积分方程的离散
3.1.2 矩阵方程的建立
3.2 奇异积分的处理
3.3 固角系数的求解方法
3.4 结构对称性的简化利用
3.5 二阶时域波物相互作用数值算例
3.5.1 直立圆柱的绕射
3.5.2 截断圆柱的绕射
3.5.3 线弹性约束漂浮半球的运动响应
3.6 小结
4 系泊缆索/立管静动力分析方法及数值算例
4.1 细长杆理论
4.2 有限元模拟方法
4.3 静力问题求解方法
4.4 动力问题求解方法
4.5 系泊缆索/立管静动力分析数值算例
4.5.1 系泊缆索/立管的基本假定及边界条件
4.5.2 系泊缆索的静力计算分析
4.5.3 浮标垂向锚缆的静动力计算分析
4.5.4 合成系泊缆索的动力计算分析
4.5.5 立管的静力计算分析
4.6 小结
5 深水浮式结构与系泊/立管系统的耦合分析方法及数值算例
5.1 耦合运动方程
5.2 边界条件
5.3 粘性阻尼矩阵B的选取
5.4 风流荷载和二阶非线性不规则波的模拟方法
5.4.1 风流荷载的模拟方法
5.4.2 二阶非线性不规则波的模拟方法
5.5 静态耦合问题
5.6 动态耦合问题
5.7 线性弹簧约束漂浮圆柱的耦合响应
5.8 小结
6 深水浮式平台系统的耦合动态分析研究
6.1 规则波与Classic Spar及其系泊系统相互作用的耦合动态分析
6.1.1 Classic Spar平台模型
6.1.2 系泊系统模型
6.1.3 网格剖分模型
6.1.4 318.5米水深模拟结果
6.1.5 1218米水深模拟结果
6.2 规则波与TLP及其Tendon系统相互作用的耦合动态分析
6.2.1 TLP平台模型
6.2.2 Tendon系统模型
6.2.3 网格剖分模型
6.2.4 波浪力
6.2.5 平台运动响应
6.2.6 Tendon张力
6.2.7 三维波面
6.3 规则波与Truss Spar及其系泊/立管系统相互作用的耦合动态分析
6.3.1 Truss Spar平台模型
6.3.2 系泊/立管系统模型
6.3.3 网格剖分模型
6.3.4 平台运动响应
6.3.5 系泊/立管张力
6.3.6 三维波面与波浪爬高
6.4 不规则波与Truss Spar及其系泊/立管系统相互作用的耦合动态分析
6.4.1 二阶非线性不规则波的模拟结果
6.4.2 网格剖分模型
6.4.3 波浪力
6.4.4 平台运动响应
6.4.5 系泊/立管张力
6.4.6 三维波面与波浪爬高
6.4.7 统计分析结果及与实验的对比
6.5 风、不规则波、流共同作用下Truss Spar平台系统的动态响应
6.5.1 平台运动响应
6.5.2 系泊/立管张力
6.6 小结
7 结论与展望
7.1 本文结论
7.2 研究展望
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]Static and Dynamic Analysis of Mooring Lines by Nonlinear Finite Element Method[J]. 杨敏冬,滕斌. China Ocean Engineering. 2010(03)
[2]不规则波中半潜式平台及其系泊系统动力响应分析[J]. 冯爱春,尤云祥,范菊. 海洋工程. 2010(03)
[3]深海系泊系统动张力有限元计算[J]. 唐友刚,张若瑜,刘利琴,胡楠. 海洋工程. 2009(04)
[4]集中质量法计算深海系泊冲击张力[J]. 唐友刚,张若瑜,程楠,赵晶瑞. 天津大学学报. 2009(08)
[5]海洋系泊缆索非线性有限元静力分析[J]. 杨敏冬,滕斌,勾莹,姜胜超. 海洋工程. 2009(02)
[6]深海平台系缆形状和张力分析[J]. 唐友刚,易丛,张素侠. 海洋工程. 2007(02)
[7]中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[J]. 谢彬,张爱霞,段梦兰. 石油学报. 2007(01)
[8]基于准静定方法的多成分锚泊线优化[J]. 余龙,谭家华. 海洋工程. 2005(01)
[9]Nonlinear Finite Element Analysis of Ocean Cables[J]. Nam-Il KIM,Sang-Soo JEON,Moon-Young KIM. China Ocean Engineering. 2004(04)
[10]Stokes波在铅垂圆柱上绕射的二阶分析[J]. 贺五洲,陈炜. 工程力学. 2004(06)
博士论文
[1]深海浮式结构物系泊系统的非线性时域分析[D]. 袁梦.上海交通大学 2011
[2]波浪对深海海洋平台作用的时域模拟[D]. 耿宝磊.大连理工大学 2010
[3]不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D]. 徐刚.哈尔滨工程大学 2010
[4]基于惯性耦合的深水钢悬链线立管非线性分析方法研究[D]. 白兴兰.中国海洋大学 2009
[5]深海半潜式平台初步设计中的若干关键问题研究[D]. 陈新权.上海交通大学 2007
[6]快速多极子方法在多浮体和水弹性问题中的应用[D]. 勾莹.大连理工大学 2006
[7]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
本文编号：3616055
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：211 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 波浪与物体相互作用研究方法
1.2.1 数值方法
1.2.2 频域理论
1.2.3 时域理论
1.3 系泊缆索/立管静动力分析方法
1.3.1 系泊缆索/立管静力分析方法
1.3.2 系泊缆索/立管动力分析方法
1.4 波浪与系泊海洋平台相互作用的耦合分析方法
1.5 本文主要研究工作
2 二阶时域波浪与三维物体相互作用数学模型
2.1 控制方程与初-边界条件
2.2 二阶摄动展开及泰勒级数展开
2.3 远场边界条件的处理
2.4 边界积分方程的建立
2.5 波浪力的计算
2.6 浮体运动方程及其求解方法
2.6.1 刚体运动方程
2.6.2 初始效应的处理
2.6.3 时间积分过程
2.6.4 运动方程的求解过程
2.7 小结
3 高阶边界元方法及数值算例
3.1 积分方程的离散与矩阵方程的建立
3.1.1 积分方程的离散
3.1.2 矩阵方程的建立
3.2 奇异积分的处理
3.3 固角系数的求解方法
3.4 结构对称性的简化利用
3.5 二阶时域波物相互作用数值算例
3.5.1 直立圆柱的绕射
3.5.2 截断圆柱的绕射
3.5.3 线弹性约束漂浮半球的运动响应
3.6 小结
4 系泊缆索/立管静动力分析方法及数值算例
4.1 细长杆理论
4.2 有限元模拟方法
4.3 静力问题求解方法
4.4 动力问题求解方法
4.5 系泊缆索/立管静动力分析数值算例
4.5.1 系泊缆索/立管的基本假定及边界条件
4.5.2 系泊缆索的静力计算分析
4.5.3 浮标垂向锚缆的静动力计算分析
4.5.4 合成系泊缆索的动力计算分析
4.5.5 立管的静力计算分析
4.6 小结
5 深水浮式结构与系泊/立管系统的耦合分析方法及数值算例
5.1 耦合运动方程
5.2 边界条件
5.3 粘性阻尼矩阵B的选取
5.4 风流荷载和二阶非线性不规则波的模拟方法
5.4.1 风流荷载的模拟方法
5.4.2 二阶非线性不规则波的模拟方法
5.5 静态耦合问题
5.6 动态耦合问题
5.7 线性弹簧约束漂浮圆柱的耦合响应
5.8 小结
6 深水浮式平台系统的耦合动态分析研究
6.1 规则波与Classic Spar及其系泊系统相互作用的耦合动态分析
6.1.1 Classic Spar平台模型
6.1.2 系泊系统模型
6.1.3 网格剖分模型
6.1.4 318.5米水深模拟结果
6.1.5 1218米水深模拟结果
6.2 规则波与TLP及其Tendon系统相互作用的耦合动态分析
6.2.1 TLP平台模型
6.2.2 Tendon系统模型
6.2.3 网格剖分模型
6.2.4 波浪力
6.2.5 平台运动响应
6.2.6 Tendon张力
6.2.7 三维波面
6.3 规则波与Truss Spar及其系泊/立管系统相互作用的耦合动态分析
6.3.1 Truss Spar平台模型
6.3.2 系泊/立管系统模型
6.3.3 网格剖分模型
6.3.4 平台运动响应
6.3.5 系泊/立管张力
6.3.6 三维波面与波浪爬高
6.4 不规则波与Truss Spar及其系泊/立管系统相互作用的耦合动态分析
6.4.1 二阶非线性不规则波的模拟结果
6.4.2 网格剖分模型
6.4.3 波浪力
6.4.4 平台运动响应
6.4.5 系泊/立管张力
6.4.6 三维波面与波浪爬高
6.4.7 统计分析结果及与实验的对比
6.5 风、不规则波、流共同作用下Truss Spar平台系统的动态响应
6.5.1 平台运动响应
6.5.2 系泊/立管张力
6.6 小结
7 结论与展望
7.1 本文结论
7.2 研究展望
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]Static and Dynamic Analysis of Mooring Lines by Nonlinear Finite Element Method[J]. 杨敏冬,滕斌. China Ocean Engineering. 2010(03)
[2]不规则波中半潜式平台及其系泊系统动力响应分析[J]. 冯爱春,尤云祥,范菊. 海洋工程. 2010(03)
[3]深海系泊系统动张力有限元计算[J]. 唐友刚,张若瑜,刘利琴,胡楠. 海洋工程. 2009(04)
[4]集中质量法计算深海系泊冲击张力[J]. 唐友刚,张若瑜,程楠,赵晶瑞. 天津大学学报. 2009(08)
[5]海洋系泊缆索非线性有限元静力分析[J]. 杨敏冬,滕斌,勾莹,姜胜超. 海洋工程. 2009(02)
[6]深海平台系缆形状和张力分析[J]. 唐友刚,易丛,张素侠. 海洋工程. 2007(02)
[7]中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[J]. 谢彬,张爱霞,段梦兰. 石油学报. 2007(01)
[8]基于准静定方法的多成分锚泊线优化[J]. 余龙,谭家华. 海洋工程. 2005(01)
[9]Nonlinear Finite Element Analysis of Ocean Cables[J]. Nam-Il KIM,Sang-Soo JEON,Moon-Young KIM. China Ocean Engineering. 2004(04)
[10]Stokes波在铅垂圆柱上绕射的二阶分析[J]. 贺五洲,陈炜. 工程力学. 2004(06)
博士论文
[1]深海浮式结构物系泊系统的非线性时域分析[D]. 袁梦.上海交通大学 2011
[2]波浪对深海海洋平台作用的时域模拟[D]. 耿宝磊.大连理工大学 2010
[3]不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D]. 徐刚.哈尔滨工程大学 2010
[4]基于惯性耦合的深水钢悬链线立管非线性分析方法研究[D]. 白兴兰.中国海洋大学 2009
[5]深海半潜式平台初步设计中的若干关键问题研究[D]. 陈新权.上海交通大学 2007
[6]快速多极子方法在多浮体和水弹性问题中的应用[D]. 勾莹.大连理工大学 2006
[7]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
本文编号：3616055
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