波浪中Truss Spar平台非线性耦合运动分析

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Spar平台作为当今世界上深水油气开发的主力装备,它的运动特性一直以来都是相关学者讨论的重点问题。Truss Spar平台是现有Spar平台中应用最广泛的一种,它的垂荡和纵摇运动对其能否正常工作在规定海域有较大影响,当平台遭遇的波浪周期较长时,有可能因垂荡、纵摇耦合引发平台的不稳定运动。因此,本文主要针对Truss Spar平台在规则波以及随机波中的垂荡和纵摇运动性能进行计算分析,判断内共振发生的条件,并根据计算结果对平台设计方面提出意见和建议。本文分别建立了Truss Spar平台在规则波以及随机波中的垂荡、纵摇非线性耦合运动方程,并采用基于三维势流理论的边界元法和Morison公式计算平台受到的频域波浪载荷以及附加质量,这部分计算用软件AQWA-LINE完成。阻尼通过模型试验结果换算得到。用MATLAB编制四阶龙格-库塔法求解运动方程得到垂荡和纵摇的非线性运动响应,与模型试验结果对比证实该数值模拟法可行。用分岔图表示了波浪参数及重心高度对规则波下平台不稳定运动的影响,并用近似解析法对平台垂荡、纵摇耦合运动进行求解得到的结果与数值结果进行了对比分析。在计算随机波下平台的运动响应时,根据给定波浪谱对随机海况进行模拟,得到随机波浪载荷,将运动方程在时域内求解可得到随机响应,并对波浪参数、重心高度以及系泊系统对运动的影响进行了分析。而后本文又用随机非线性动力学理论对平台受随机外激和参激联合作用下的纵摇运动概率密度分布进行了探索性的研究,用基于Gauss-Legendre公式的路径积分法计算系统响应的概率密度,并分析了随机外激和参激强度大小对概率密度分布的影响。经分析得到研究结果表明:在规则波中,当入射波频率接近垂荡固有频率且为纵摇固有频率的2倍时,平台有可能发生内共振,产生纵摇不稳定运动,波高、波浪激励频率以及平台重心高度会影响内共振的发生与否:在随机波中,运动响应的大小与波浪的有义波高和峰值周期有关,并且在随机波中内共振同样有可能发生。
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