深海复杂环境条件下系泊系统动力响应分析

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用以海洋油气资源开发的浮式平台在海面作业时受到风浪流载荷的联合作用会在水平面内发生偏移,工程上通常采用系泊系统来定位浮式平台的位置,保证浮式平台在各工况下的作业稳定性和系统安全性。随着海洋油气资源开发领域的扩展和海洋环境条件的变化,系泊系统在实际工程应用中出现了需要解决的新问题。因此在进行系泊系统动力响应及定位能力分析的时候,须深入更为全面地考虑新的影响因素。
  本文基于集中质量思想建立了一套高效准确的系泊系统动力响应分析算法;针对绷紧式系泊系统的纤维缆动刚度问题,研究了动刚度的处理方法,分析了动刚度特性及其系泊系统定位能力的影响;针对悬链式系泊系统的拖地段问题,建立了不同海底形貌的模型,着重考察了复杂海底边界的作用。具体内容包括:
  首先,基于集中质量法的思想建立系缆的动张力计算模型,编制了能够有效分析系泊系统动力响应的MATLAB源程序;进一步将张力程序计算结果与商业软件进行对比,验证了算法程序的准确性,在此基础上针对不同类型的系泊系统对源程序进行相应的二次开发。
  随后,对于绷紧式系泊系统,鉴于纤维缆作为新型的系缆材料在交变载荷作用下存在强烈的动刚度特性,本文通过分析纤维缆复杂的应力应变行为,提出了采用统计的原理计算平均张力和张力幅值的方法,并由此将动刚度引入模型中。通过计算系缆在不同运动形式及环境载荷下的张力,分析动刚度对系泊张力产生影响的主要原因。计算结果表明,动刚度对系缆张力产生的影响主要来源于系缆顶端的波频运动,而流浪载荷对动刚度特性的影响较小,在计算中可不作重点考虑。
  最后,对于悬链式系泊系统,本文着重考察了复杂海底边界对系缆张力的影响,将海底地形考虑为大范围倾斜和局部坑洼两种形式,通过对比系缆在不同海底地形条件下的形状和张力变化规律,明确了海底边界的影响机理和作用效果。在研究中发现,系缆触地点区域的海底倾斜程度对系缆张力存在较大的影响。与水平海底相比,随着海底不断向下倾斜,系缆张力逐渐增大,反之则会减小。此外,将系缆布置于相同的海底工况,通过对比系缆顶端在不同驱动条件下的张力变化情况,发现浮体运动会促进海底边界对系泊系统的影响,当浮体运动的范围越大时,海底地形对系泊系统的影响越为明显。
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