浮式结构物系泊系统时域非线性耦合分析-船舶与海洋工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Classified Index: U661.32 U.D.C: 629.5 Dissertation for the Master Degree in Naval Architecture and Ocean Engineering NONLINEAR TIME-DOMAIN COUPLED ANALYSIS OF MOORING SYSTEMS OF FLOATING STRUCTURES Candidate： Wei Sijun Supervisor： Prof. Wang Dazheng Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Naval Architecture and Ocean Engineering Affiliation： School of Naval Architecture and Ocean Engineering Date of Defence： June, 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 适用于深海油气开发的浮式平台已成为各国学者及工程师关注的重点。系 泊状态下的海洋浮式平台在特定的海域作业时，波浪、海流以及风等外部载荷 诱发浮体运动。系缆通过导缆孔与浮体连接，浮体的运动受到系缆提供的回复 力影响；同时，浮体的运动也会影响系缆的受力及运动；研究二者之间动态时 变的耦合作用具有重要的意义。 本文以海上浮式结构物及其系泊定位系统作为研究对象，采用频时域法计 算浮式结构物的运动，同时以细长弹性杆单元模拟系泊缆微段并进行数值计算， 最后对系泊状态下的浮式结构物进行时域耦合分析。 大型浮体的耐波性预报通常采用势流理论。本文通过间接时域方法计算浮 体的运动。利用商业水动力分析软件计算浮体的频域水动力系数以及波激力； 依据 Cummins 脉冲原理，推导得到波浪中浮体时域运动方程。基于编程语言 Fortran 自主开发自由状态下浮体运动求解模块，完成了自由状态下 FPSO 在规 则波和不规则中运动的时域计算，并验证了自主开发程序的正确性。 采用细长弹性杆单元模拟系缆微段，推导系缆静力和动力运动方程，采用 有限元法进行离散。基于编程语言 Fortran 自主开发系缆静力和动力求解模块。 利用静力计算程序对常见系缆和海洋立管进行计算分析，并考虑作用在系缆上 的静态流载荷及几何非线性；通过与悬链线法和参考文献进行对比论证，证明 了程序的可靠性。采用动力计算程序对浮标系泊系统进行计算，分析了非线性 流载荷对系缆的作用。此外，还利用动力程序研究了系缆与海底之间的非线性 作用。最后，推导非线性材料系缆的静力和动力方程，利用程序计算非线性材 料系缆在已知激励作用下的张力特性。 在前两部分的基础上，将自由浮体间接时域运动方程和系缆运动方程结合， 构造系泊浮体在波浪中运动的时域耦合运动方程，基于编程语言 Fortran 自主开 发耦合求解模块。利用耦合求解模块对一艘系泊 FPSO 进行计算分析，将计算 结果与软件结果对比，验证了耦合计算程序的准确性。最后，利用耦合计算程 序对系泊半潜平台在不规则波中的运动进行计算分析。 关键词：浮式结构物；时域模拟；系泊系统；有限元法；耦合分析 I - Abstract The ocean platforms used to drill for oil and natural gas in the deep ocean have become central issues that academics and engineers in many countries are focused on. Ocean floating platforms are moored at a certain operation sea area and motion in waves excited by external loads, such as waves, currents and winds. Mooring lines are connected with a floating structure at fairleads, and the floating structure ’s motion is effected by mooring force acted on it, while, the structure’s motion also effects the motion of mooring lin