Spar平臺(tái)垂蕩-縱搖耦合非線性運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬.pdf

1、Spar平臺(tái)用于深海采油、鉆井及作業(yè)。由于平臺(tái)吃水較深，平臺(tái)主體所受垂向波浪載荷和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值均較小，一般海況下，表現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)性能。然而當(dāng)波浪周期較長(zhǎng)或者遭遇涌浪環(huán)境時(shí)，可能激發(fā)起垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。本文研究的主要目標(biāo)是找出這些臨界波浪周期，揭示平臺(tái)失穩(wěn)的規(guī)律，為Spar平臺(tái)的設(shè)計(jì)和海上安全作業(yè)提供指導(dǎo)。 本文建立了經(jīng)典式Spar平臺(tái)在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖非線性方程，考慮二自由度耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)回復(fù)力矩的非線性，采用一階

2、繞射理論和一階輻射理論求解作用于平臺(tái)主體上的水動(dòng)力載荷，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，阻尼的選取來(lái)自于算例系列模型試驗(yàn)，參考了工程經(jīng)驗(yàn)值。在Matlab7.1平臺(tái)上，編制了四階龍格庫(kù)塔數(shù)值算法，用于計(jì)算垂蕩，縱搖耦合非線性運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)定性分析。整個(gè)程序代碼分為兩個(gè)模塊即水動(dòng)力載荷程序模塊和垂蕩，縱搖二自由度耦合運(yùn)動(dòng)模塊。 在較大范圍的波浪參數(shù)條件下，數(shù)值模擬了Spar平臺(tái)垂蕩一縱搖耦合非線性運(yùn)動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)平臺(tái)發(fā)生失穩(wěn)集中在下面兩種情況：當(dāng)Spar平

3、臺(tái)的垂蕩固有周期是縱搖固有周期的一半時(shí)，波浪激勵(lì)周期與垂蕩固有周期相等或者接近，大垂蕩運(yùn)動(dòng)引起耦合的縱搖不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。潛在的機(jī)理是大幅值的垂蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)的瞬時(shí)初穩(wěn)性高為負(fù)，垂蕩能量向縱搖滲透導(dǎo)致縱搖發(fā)生馬休不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。Spar平臺(tái)發(fā)生失穩(wěn)另一個(gè)臨界波浪周期在20s左右，對(duì)任何Spar平臺(tái)都會(huì)發(fā)生垂蕩-縱搖耦合非線性運(yùn)動(dòng)的相互放大效應(yīng)。引入垂蕩包絡(luò)線概念，當(dāng)垂蕩運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線周期與縱搖的固有周期接近時(shí)，會(huì)誘發(fā)縱搖不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的發(fā)生?？v搖運(yùn)動(dòng)對(duì)

4、垂蕩運(yùn)動(dòng)的耦合影響會(huì)引起垂蕩共振運(yùn)動(dòng)，這種相互放大效應(yīng)表現(xiàn)在模型試驗(yàn)上是一種“舞動(dòng)”現(xiàn)象，垂蕩-縱搖運(yùn)動(dòng)幅值同步增加，顯著影響了平臺(tái)的不穩(wěn)定性，在以往的研究中，忽略了對(duì)這種現(xiàn)象的重視，更值得引起我們的注意。 論文的研究結(jié)果顯示：平臺(tái)的初穩(wěn)性高、垂蕩阻尼和縱搖阻尼對(duì)Spar平臺(tái)的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)及控制起著十分重要的作用。 利用MOSES軟件編程模擬Spar平臺(tái)在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，考慮了系纜對(duì)平臺(tái)的影響，與數(shù)