本文關(guān)鍵詞：浮托安裝系統(tǒng)耦合動力響應(yīng)研究

  更多相關(guān)文章： 浮托安裝 動力響應(yīng) 多體耦合 模型試驗 實船監(jiān)測 數(shù)值計算

【摘要】：近年來,隨著陸地石油儲量的不斷枯竭和人們對能源需求的持續(xù)增長,海洋油氣開發(fā)得到了迅猛的發(fā)展。海洋平臺作為海洋油氣開發(fā)的必要裝備,其需求量正在快速增長。與此同時,海洋平臺的安裝技術(shù)和配套裝備也是油氣開發(fā)系統(tǒng)中不可缺少的一部分,它的滯后也會大大制約海洋油氣開發(fā)的進度。如今各類型的海上平臺都在向大型化、綜合化方向發(fā)展,平臺結(jié)構(gòu)物的整體重量不斷增加,使得平臺上部模塊的安裝難度不斷增大。大型平臺上部模塊的安裝作為一類高風險、高附加值產(chǎn)業(yè),已被各大石油公司和工程公司所重視,成為了海洋工程研究的一大熱點。浮托法是一種新型的大型組塊安裝方法,它通過駁船運輸上部組塊到安裝位置,在拖輪和定位裝置的輔助下與平臺下部結(jié)構(gòu)對準后,再利用落潮和增加駁船吃水的方式將上部模塊的重量緩慢轉(zhuǎn)移到下部結(jié)構(gòu)上。與其他安裝方法相比,浮托法具有作業(yè)成本低、時間短、起重能力大等優(yōu)點。目前,該方法已被應(yīng)用在各個海域和各種類型的平臺上,隨著它的日益成熟和完善,已經(jīng)成為組塊海上安裝的首選方法。在浮托安裝中,駁船和組塊在風、浪、流等各種環(huán)境載荷下受迫運動,同時通過LMU和DSU等對接裝置相互耦合,另外還通過錨鏈、水平系泊纜、靠墊等定位裝置與導管架及海底相互作用,構(gòu)成了一個復雜的多體耦合系統(tǒng)。此外,在安裝過程中組塊的重量不斷從駁船向?qū)Ч芗苻D(zhuǎn)移,駁船的壓載和平均吃水均在不斷變化,整個系統(tǒng)的動力特性也隨之改變,使得問題更加復雜。本論文采用理論分析、數(shù)值計算、模型試驗以及實船監(jiān)測多種方法相結(jié)合,對浮托安裝中的多體耦合動力響應(yīng)、載荷動態(tài)轉(zhuǎn)移、駁船水動力性能以及多駁船間的水動力干擾特性等問題進行了全面、深入地探索和研究。第二章中,針對單船浮托安裝中的最核心問題——多體對接和載荷轉(zhuǎn)移,進行了受力分析和數(shù)值模擬。剖析了對接耦合裝置lmu與dsu的作用機理,推導出了駁船與組塊的相對位移與耦合作用力之間的關(guān)系式;研究了駁船隨時間變化的壓載分布對整體重力和質(zhì)量模型的改變;另外對駁船任意姿態(tài)的實時浮力進行了計算。從牛頓第二定律出發(fā)建立了靜水中載荷動態(tài)轉(zhuǎn)移的多體耦合運動方程,成功地對靜水中以及正弦外力激勵時的浮托載荷轉(zhuǎn)移過程進行了模擬。第三章中,選擇適合的計算方法對浮托駁船受到的水動力載荷進行了計算�？紤]到駁船下沉的速度緩慢,提出了一個緩變濕表面問題的假設(shè),對變平均濕表面問題進行了簡化。先在三維頻域勢流理論的基礎(chǔ)上計算隨時間變化的多個濕表面邊值問題,得到相應(yīng)的水動力系數(shù),再通過插值得到任意吃水的頻域水動力系數(shù),然后通過時頻轉(zhuǎn)換求得任意吃水時的駁船水動力載荷。第四章中,考慮駁船和組塊受到的所有外力和相互作用力,建立多體耦合時域運動方程并求解,得到駁船和組塊的運動和各構(gòu)件上的受力等。并將計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果進行比較,從而驗證了數(shù)值計算方法和程序的可靠性和準確性。另外,對載荷轉(zhuǎn)移動態(tài)過程開展了全時域模擬研究,基于緩變平均濕表面假設(shè),考慮吃水變化時的波浪力和水動力系數(shù),另外通過分布質(zhì)量點的方法模擬壓載水的變化,直接對濕表面靜水壓力積分計算恢復力,最終模擬出了載荷轉(zhuǎn)移的全過程。第五章中,針對單船浮托開展了大量、全面而精細的試驗研究。在水池中對駁船、導管架、組塊以及各連接機構(gòu)進行了精確模擬,并設(shè)置了一系列的環(huán)境條件,研究浮托安裝系統(tǒng)的動力響應(yīng)。將浮托安裝的動態(tài)過程分解成若干步驟,對每個步驟所處狀態(tài)分別進行研究,最終得出了不同階段浮托安裝系統(tǒng)的動力特性和規(guī)律。尋找到浮托安裝中的危險階段以及每個階段在不同的海洋環(huán)境下的危險部位,對今后的工程設(shè)計提供了指導。第六章中,針對浮托安裝的實際工程作業(yè),建立了一套針對性的實時監(jiān)測集成系統(tǒng),可對風浪流潮等海洋環(huán)境、駁船運動以及靠墊應(yīng)力進行實時采集和分析。使用該監(jiān)測系統(tǒng)對荔灣3-1平臺浮托安裝海上作業(yè)過程進行了全程監(jiān)測和記錄,對實際施工進行了指導,降低了作業(yè)風險,同時得到的實測數(shù)據(jù)對模型試驗和數(shù)值計算提供了參考。第七章中,在單船浮托研究的基礎(chǔ)上,對雙船浮托中的耦合動力問題進行進一步探索。首先針對多浮體在波浪作用下的水動力干擾問題進行研究:以小間距并列雙駁船系統(tǒng)為例,通過模型試驗獲得兩駁船的水動力響應(yīng)結(jié)果,探索浮體間水動力干擾的作用機理;采用頻域勢流理論計算雙駁船的水動力系數(shù),并根據(jù)試驗結(jié)果討論其修正。然后同時考慮水動力干擾與連接件耦合,使用本文開發(fā)的時域計算程序,對多浮體系統(tǒng)在波浪作用下的動力響應(yīng)進行了時域模擬,得到了各船體之間的相對運動和耦合受力,并通過與試驗結(jié)果進行對比,驗證了該程序的可行性。綜上所述,本文針對浮托安裝系統(tǒng)多體耦合響應(yīng)、駁船水動力與定位性能、對接耦合性能以及雙船浮托駁船間的水動力干擾進行了研究。通過數(shù)值計算實現(xiàn)了浮托安裝載荷轉(zhuǎn)移過程的模擬仿真,并通過試驗和實測方法進行了驗證。經(jīng)過分析不同狀態(tài)下的動力響應(yīng)特性,得出了浮托安裝中的危險階段以及每個階段在不同的海洋環(huán)境下的危險部位,對今后的工程設(shè)計提供了指導。另外,本文成果中的實測系統(tǒng)多次直接應(yīng)用到實際的海上安裝中,準確預報了施工中各重要指標數(shù)據(jù),有效地降低了海上安裝作用的風險,具有十分重要的意義。
【關(guān)鍵詞】：浮托安裝 動力響應(yīng) 多體耦合 模型試驗 實船監(jiān)測 數(shù)值計算
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U674.38
【目錄】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 緒論16-34
• 1.1 引言16-19
• 1.2 浮托安裝的簡介與發(fā)展19-26
• 1.2.1 浮托安裝一般流程19-22
• 1.2.2 浮托安裝中的核心設(shè)備22-24
• 1.2.3 浮托安裝技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀24-26
• 1.3 本論文相關(guān)研究綜述26-29
• 1.3.1 浮托安裝分析技術(shù)26-28
• 1.3.2 浮式平臺在線監(jiān)測技術(shù)28
• 1.3.3 多浮體耦合作用研究28-29
• 1.4 本論文的研究工作簡介29-34
• 1.4.1 研究背景和意義29-30
• 1.4.2 研究目標和擬解決的關(guān)鍵問題30-31
• 1.4.3 主要研究內(nèi)容31-33
• 1.4.4 主要創(chuàng)新點33-34
• 第2章 多體對接和載荷轉(zhuǎn)移的力學分析34-57
• 2.1 引言34-35
• 2.2 坐標系與坐標轉(zhuǎn)換35-37
• 2.3 LMU與DSU的模擬37-40
• 2.4 駁船壓載變化的模擬40-41
• 2.5 駁船浮力的模擬41-43
• 2.6 時域運動方程的建立與求解43-46
• 2.6.1 靜水中的耦合運動方程43-45
• 2.6.2 方程的求解45-46
• 2.7 驗證算例46-53
• 2.7.1 靜水衰減運動結(jié)果48-50
• 2.7.2 靜水中的載荷轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果50-51
• 2.7.3 正弦激勵下的載荷轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果51-53
• 2.8 荔灣 3-1 浮托靜水中載荷轉(zhuǎn)移分析53-56
• 2.9 本章小結(jié)56-57
• 第3章 浮托駁船的水動力載荷計算57-83
• 3.1 引言57-58
• 3.2 三維頻域勢流理論58-67
• 3.2.1 坐標系定義58
• 3.2.2 控制方程與邊界條件58-62
• 3.2.3 常數(shù)邊界元離散62-63
• 3.2.4 輻射力與繞射力63-64
• 3.2.5 靜水回復力64-65
• 3.2.6 頻域運動方程65
• 3.2.7 波浪漂移力65-67
• 3.3 時域水動力載荷計算67-70
• 3.3.1 不規(guī)則波浪序列67-68
• 3.3.2 時頻轉(zhuǎn)換理論68-70
• 3.4 變平均濕表面問題70-71
• 3.5 T形駁船的水動力系數(shù)計算71-82
• 3.5.1 數(shù)值計算與模型試驗的結(jié)果比較73-76
• 3.5.2 T形駁船與傳統(tǒng)駁船水動力系數(shù)比較76-79
• 3.5.3 組塊高度對駁船水動力性能的影響79-80
• 3.5.4 不同吃水對水動力系數(shù)的影響80-82
• 3.6 本章小結(jié)82-83
• 第4章 浮托中耦合動力響應(yīng)的時域模擬83-103
• 4.1 引言83
• 4.2 風力和流力83-84
• 4.3 系泊系統(tǒng)作用力84-88
• 4.4 靠墊作用力88-90
• 4.5 時域運動方程與求解90-92
• 4.5.1 準靜態(tài)分析方法90-91
• 4.5.2 全動態(tài)分析方法91-92
• 4.6 算例 1：載荷轉(zhuǎn)移的準靜態(tài)時域分析92-99
• 4.6.1 運動結(jié)果對比95-97
• 4.6.2 受力結(jié)果對比97-99
• 4.7 算例 2：載荷轉(zhuǎn)移的全動態(tài)時域分析99-102
• 4.7.1 駁船與組塊的運動99-101
• 4.7.2 LMU和DSU的受力結(jié)果101-102
• 4.8 本章小結(jié)102-103
• 第5章 浮托安裝的模型試驗研究103-151
• 5.1 引言103
• 5.2 相似法則與坐標系103-105
• 5.2.1 相似法則103-105
• 5.2.2 試驗中的坐標系105
• 5.3 模型制作105-113
• 5.3.1 駁船與上部組塊模型105-108
• 5.3.2 導管架模型108-109
• 5.3.3 LMU與DSU模型109-110
• 5.3.4 靠墊模型110-111
• 5.3.5 系泊系統(tǒng)模型111-113
• 5.4 海洋環(huán)境條件及其模擬113-115
• 5.5 測量儀器及其布置115-116
• 5.6 研究內(nèi)容與試驗工況116-119
• 5.7 數(shù)據(jù)處理方法119-122
• 5.7.1 衰減分析119-120
• 5.7.2 統(tǒng)計分析120-122
• 5.8 結(jié)果與分析122-150
• 5.8.1 靜水試驗結(jié)果分析122-123
• 5.8.2 系泊就位試驗結(jié)果分析123-129
• 5.8.3 進船、退船試驗結(jié)果分析129-136
• 5.8.4 載荷轉(zhuǎn)移試驗結(jié)果分析136-150
• 5.9 本章小結(jié)150-151
• 第6章 浮托安裝的實船監(jiān)測研究151-186
• 6.1 引言151-152
• 6.2 測量原理152-160
• 6.2.1 船舶運動監(jiān)測152-155
• 6.2.2 海洋環(huán)境條件監(jiān)測155-158
• 6.2.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測158-160
• 6.3 集成監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建160-172
• 6.3.1 設(shè)備布置與安裝160-167
• 6.3.2 數(shù)據(jù)傳輸與集成167-168
• 6.3.3 數(shù)據(jù)處理168-170
• 6.3.4 三維仿真170-172
• 6.4 實測結(jié)果分析172-182
• 6.4.1 海洋環(huán)境條件監(jiān)測結(jié)果172-178
• 6.4.2 運動監(jiān)測結(jié)果178-181
• 6.4.3 靠墊力監(jiān)測結(jié)果181-182
• 6.5 數(shù)值模擬重現(xiàn)182-185
• 6.6 本章小結(jié)185-186
• 第7章 雙船浮托中的多浮體耦合研究186-221
• 7.1 引言186
• 7.2 浮體間水動力干擾的試驗研究186-196
• 7.2.1 試驗模型與布置187-189
• 7.2.2 試驗內(nèi)容189-190
• 7.2.3 衰減試驗結(jié)果分析190-193
• 7.2.4 駁船運動結(jié)果分析193
• 7.2.5 間隙內(nèi)波面升高結(jié)果分析193-196
• 7.3 多浮體水動力干擾的頻域計算理論196-200
• 7.3.1 定解問題196-197
• 7.3.2 高階邊界元方法197-198
• 7.3.3 波浪漂移力的中場法198-199
• 7.3.4 人工阻尼修正方法199-200
• 7.4 并列雙駁船系統(tǒng)的水動力系數(shù)計算200-213
• 7.4.1 網(wǎng)格收斂性分析200-204
• 7.4.2 中場法與近場法計算比較204-206
• 7.4.3 人工阻尼方法修正206-208
• 7.4.4 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比208-212
• 7.4.5 間距對共振頻率的影響212-213
• 7.5 浮托過駁作業(yè)的時域耦合分析213-220
• 7.5.1 多浮體耦合的時域運動方程215-216
• 7.5.2 計算建模216-217
• 7.5.3 時域結(jié)果分析217-220
• 7.6 本章小結(jié)220-221
• 第8章 結(jié)論與展望221-224
• 8.1 主要工作總結(jié)和結(jié)論221-223
• 8.2 進一步研究工作的展望223-224
• 參考文獻224-230
• 附錄I：名詞縮寫及符號說明230-232
• 附錄II：荔灣 3-1 平臺組塊浮托主要參數(shù)232-238
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文238-240
• 攻讀博士學位期間參與的科研與合作項目240-241
• 致謝241

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張春熹;魏淵;張f^;顧欣怡;;數(shù)字閉環(huán)加速度計系統(tǒng)模型分析與校正設(shè)計[J];儀器儀表學報;2012年12期

，

本文編號：1058499