船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文 精品论文精品论文 深海平台深海平台系泊系统模型截断及试验研究系泊系统模型截断及试验研究关键词：系泊系统关键词：系泊系统 深水海洋平台深水海洋平台 水深截断系泊缆水深截断系泊缆摘要：随着海洋油气开发向着深水的推进，出现了立柱式平台(Spar)等具有自 身特点的浮式海洋平台型式。为了对新型平台的水动力性能和深水系泊系统的 动载荷进行验证，波浪水池模型试验仍然是深水海洋平台设计中的重要环节之 一。 深水海洋平台的系泊系统具有大的空间尺寸，采用常规缩尺比和 Froude 相似准则在现有试验水池难于完整的模拟。虽然极小缩尺比模型试验是 解决方法之一，但其试验精度受制于多种因素。因此研究人员提出了混合模型 试验方法，即对深水系泊系统进行截断，采用等效的水深截断系泊系统在截断 水深进行模型试验，并采用时域耦合计算软件对试验结果进行数值重构和外推， 用于平台系统的运动和载荷预报。本文以大型深海平台的深水模型试验研究为 背景，对基于静力和动力相似的水深截断系泊系统设计、截断水深模型试验、 数值重构和外推进行了研究。 阐述了水深截断系泊缆设计原理，提出了水平 截断因子的概念，指出了不对称布置水深截断系泊系统设计的难点，概括了水 深截断系泊系统总体设计需要考虑的因素。根据水深截断系泊系统等效设计准 则给出了基于静力相似的优化设计目标函数。为提高计算速度，开发了高效的 系泊系统静力计算模块，结合 NSGA-算法，实现了大范围寻优和多目标优化， 提高了水深截断系泊系统优化设计的效率和精度。 自主编写了频域的系泊缆 动力计算程序，研究了系泊缆参数对水深截断系泊缆动力和阻尼的影响规律， 提出了基于动力相似的水深截断系泊缆优化设计目标函数。结合静力计算程序、 频域动力计算程序和多目标优化算法，实现了基于动力相似的水深截断系泊系 统优化设计。 自主开发了基于池岸的系泊缆动力试验平台，借助系泊缆的时 域动力计算程序，建立了频域、时域和模型试验相结合的系泊缆动力特性研究 方法，形成了“基于频域方法的动力相似优化设计时域计算校核单根系泊 缆模型试验验证”的基于动力相似的水深截断系泊缆设计流程。对 2 个工作在 1500m 水深的 Cell-TrussSpar 平台在现有工作深水为 4m 的水池进行了模型试 验，虽然采用了 1:100 的模型缩尺比，但是垂向截断因子仍然高达 4.33。由于 系泊缆的布置具有沿 y 轴的不对称性，因此很难同时保证水深截断系泊系统在 180#176;和 0#176;方向上的水平回复力同时与全水深系泊系统保持 一致。在 Cell-TrussSpar-平台的模型试验中，采用了特殊的跨距延长装置 来消除水平截断的影响。在 Cell-TrussSpar-II-B 平台的模型试验中，考虑到 试验的复杂程度和数值重构的难度，在 2 个方向上分别设计了不同的水深截断 系泊系统，而没有采用复杂的跨距延长装置。为了考察重物的使用及其对水深 截断系泊缆动力及阻尼特性的影响，分别设计了均匀材质和非均匀材质的水深 截断系泊缆。 以均匀材质的水深截断系泊缆为例，研究了直径和单位长度空 气中质量、轴向刚度等对单根水深截断系泊缆动力特性的影响。采用模型试验 和数值计算结合的方法研究了单根系泊缆的阻尼特性。结果表明，合理的控制 系泊缆的轴向刚度，可以使得水深截断系泊缆的动力响应在目标水平位移范围 内与全水深系泊缆获得一致的趋势。在保持静力特性不变的情况下，增加直径 和单位长度空气中质量可以增大水深截断系泊缆的波频动力响应，但要注意可能诱导的高频动力响应。同时发现增加水深截断系泊缆的直径和单位长度空气 中质量可以增加系泊缆阻尼，甚至可以实现波频阻尼与全水深系泊缆一致。由 于截断因子较大，系泊缆的低频阻尼增加十分有限，仍然小于全水深系泊缆。 采用 5 种水深截断系泊缆方案进行了波浪水池的模型试验，研究了不同水深截 断系泊缆的动力特性、低频阻尼及其与平台之间的耦合作用。通过对比试验结 果发现，平台运动的波频方差吻合较好，说明水深截断系泊缆并不会显著改变 大型浮式海洋平台的波频运动。180#176;和 0#176;方向上不同的水 深截断系泊缆作用下平台的纵荡慢漂分别具有高度的相似性，说明在低频运动 激励相同，并且系泊系统的低频阻尼相当的情况下，水平回复力特性是决定平 台慢漂运动的重要因素之一。结果表明，增加直径和单位长度空气中质量而保 持单位长度水中重量不变，可以在不改变系泊系统静力特性的基础上，增大水 深截断系泊缆的波频动力响应和低频阻尼。添加重物的水深截断系泊缆虽然具 有形式上的“张紧”特点，但其波频动力响应并无明显改善，而且会诱发高频 动力响应。 采用时域耦合计算软件 DeepC 进行了数值重构和数值外推，发现 数值重构结果与截断水深模型试验结果吻合较好，证明了数值软件和模型的可 靠性，并获得了平台关键的水动力参数。在此基础上，仍然采用 DeepC 建立了 全水深系统的数值模型，并进行了时域耦合计算。通过对比截断水深模型试验 结果与全水深的数值计算结果发现，0#176;浪向上“代表性”的水深截断 系泊缆的动力特性与对应的全水深系泊缆吻合较好，但是 180#176;浪向 上“代表性”的水深截断系泊缆的动力特性与对应的全水深系泊缆仍然具有一 定差异。由于存在较大的截断，使得水深截断系泊系统的低频阻尼明显小于全 水深系泊系统，并且“代表性”的单根系泊缆顶端张力时历的平均值明显小于 全水深系泊缆。 为了进一步研究垂向截断对水深截断系泊系统设计及截断水 深模型试验的影响，以 Cell-TrussSpar-II-B 平台为研究对象，以海洋深水试 验池为背景，分别设计了 1000m 和 750m 的水深截断系泊系统，采用数值计算的 方法进行了研究。结果表明，随着垂向截断因子的增加，平台的慢漂运动和 “代表性”水深截断系泊缆顶端张力时历平均值与对应的全水深结果的偏差逐 渐增大。当垂向截断因子较小时，通过“平衡”可以设计出在所有方向上的静 力和动力特性均与全水深系泊系统吻合较好的水深截断系泊系统。 为解决大 型深海平台及其系泊系统在现有试验水池的模型试验问题，提出了水平截断因 子的概念，详细阐述了水深截断系泊缆设计的难点，编写了系泊系统的静力计 算程序和系泊缆的频域动力计算程序，结合相应的优化设计算法，实现了大范 围寻优和多目标优化。采用频域计算、时域计算和模型试验相结合的方法，对 水深截断系泊缆的动力特性和阻尼进行了深入研究，得出了实现动力相似的可 行方法，揭示了规律，可以为我国南海深水油气开发的模型试验研究提供理论 支撑，具有重要的理论意义和实际应用价值。正文内容正文内容随着海洋油气开发向着深水的推进，出现了立柱式平台(Spar)等具有自身 特点的浮式海洋平台型式。为了对新型平台的水动力性能和深水系泊系统的动 载荷进行验证，波浪水池模型试验仍然是深水海洋平台设计中的重要环节之一。深水海洋平台的系泊系统具有大的空间尺寸，采用常规缩尺比和 Froude 相 似准则在现有试验水池难于完整的模拟。虽然极小缩尺比模型试验是解决方法 之一，但其试验精度受制于多种因素。因此研究人员提出了混合模型试验方法， 即对深水系泊系统进行截断，采用等效的水深截断系泊系统在截断水深进行模 型试验，并采用时域耦合计算软件对试验结果进行数值重构和外推，用于平台 系统的运动和载荷预报。本文以大型深海平台的深水模型试验研究为背景，对 基于静力和动力相似的水深截断系泊系统设计、截断水深模型试验、数值重构 和外推进行了研究。 阐述了水深截断系泊缆设计原理，提出了水平截断因子 的概念，指出了不对称布置水深截断系泊系统设计的难点，概括了水深截断系 泊系统总体设计需要考虑的因素。根据水深截断系泊系统等效设计准则给出了 基于静力相似的优化设计目标函数。为提高计算速度，开发了高效的系泊系统 静力计算模块，结合 NSGA-算法，实现了大范围寻优和多目标优化，提高了 水深截断系泊系统优化设计的效率和精度。 自主编写了频域的系泊缆动力计 算程序，研究了系泊缆参数对水深截断系泊缆动力和阻尼的影响规律，提出了 基于动力相似的水深截断系泊缆优化设计目标函数。结合静力计算程序、频域 动力计算程序和多目标优化算法，实现了基于动力相似的水深截断系泊系统优 化设计。 自主开发了基于池岸的系泊缆动力试验平台，借助系泊缆的时域动 力计算程序，建立了频域、时域和模型试验相结合的系泊缆动力特性研究方法， 形成了“基于频域方法的动力相似优化设计时域计算校核单根系泊缆模型 试验验证”的基于动力相似的水深截断系泊缆设计流程。对 2 个工作在 1500m 水深的 Cell-TrussSpar 平台在现有工作深水为 4m 的水池进行了模型试验，虽 然采用了 1:100 的模型缩尺比，但是垂向截断因子仍然高达 4.33。由于系泊缆 的布置具有沿 y 轴的不对称性，因此很难同时保证水深截断系泊系统在 180#176;和 0#176;方向上的水平回复力同时与全水深系泊系统保持 一致。在 Cell-TrussSpar-平台的模型试验中，采用了特殊的跨距延长装置 来消除水平截断的影响。在 Cell-TrussSpar-II-B 平台的模型试验中，考虑到 试验的复杂程度和数值重构的难度，在 2 个方向上分别设计了不同的水深截断 系泊系统，而没有采用复杂的跨距延长装置。为了考察重物的使用及其对水深 截断系泊缆动力及阻尼特性的影响，分别设计了均匀材质和非均匀材质的水深 截断系泊缆。 以均匀材质的水深截断系泊缆为例，研究了直径和单位长度空 气中质量、轴向刚度等对单根水深截断系泊缆动力特性的影响。采用模型试验 和数值计算结合的方法研究了单根系泊缆的阻尼特性。结果表明，合理的控制 系泊缆的轴向刚度，可以使得水深截断系泊缆的动力响应在目标水平位移范围 内与全水深系泊缆获得一致的趋势。在保持静力特性不变的情况下，增加直径 和单位长度空气中质量可以增大水深截断系泊缆的波频动力响应，但要注意可 能诱导的高频动力响应。同时发现增加水深截断系泊缆的直径和单位长度空气 中质量可以增加系泊缆阻尼，甚至可以实现波频阻尼与全水深系泊缆一致。由 于截断因子较大，系泊缆的低频阻尼增加十分有限，仍然小于全水深系泊缆。 采用 5 种水深截断系泊缆方案进行了波浪水池的模型试验，研究了不同水深截断系泊缆的动力特性、低频阻尼及其与平台之间的耦合作用。通过对比试验结 果发现，平台运动的波频方差吻合较好，说明水深截断系泊缆并不会显著改变 大型浮式海洋平台的波频运动。180#176;和 0#176;方向上不同的水 深截断系泊缆作用下平台的纵荡慢漂分别具有高度的相似性，说明在低频运动 激励相同，并且系泊系统的低频阻尼相当的情况下，水平回复力特性是决定平 台慢漂运动的重要因素之一。结果表明，增加直径和单位长度空气中质量而保 持单位长度水中重量不变，可以在不改变系泊系统静力特性的基础上，增大水 深截断系泊缆的波频动力响应和低频阻尼。添加重物的水深截断系泊缆虽然具 有形式上的“张紧”特点，但其波频动力响应并无明显改善，而且会诱发高频 动力响应。 采用时域耦合计算软件 DeepC 进行了数值重构和数值外推，发现 数值重构结果与截断水深模型试验结果吻合较好，证明了数值软件和模型的可 靠性，并获得了平台关键的水动力参数。在此基础上，仍然采用 DeepC 建立了 全水深系统的数值模型，并进行了时域耦合计算。通过对比截断水深模型试验 结果与全水深的数值计算结果发现，0#176;浪向上“代表性”的水深截断 系泊缆的动力特性与对应的全水深系泊缆吻合较好，但是 180#176;浪向 上“代表性”的水深截断系泊缆的动力特性与对应的全水深系泊缆仍然具有一 定差异。由于存在较大的截断，使得水深截断系泊系统的低频阻尼明显小于全 水深系泊系统，并且“代表性”的单根系泊缆