波浪作用下truss？spar平台水动力特性模拟
摘 要摘 要由于世界上陆地资源的越来越匮乏，很多国家都开始关注海洋这片藏着丰富资源的地方。由于想开发海洋资源的迫切，现在关于海洋平台的研究越来越热，也越来越快速。Spar平台被广泛应用于海洋工程的各个方面。国外在Spar平台上已取得很多进展，然而我国还落后于他国。本文研究了在线性波浪作用下Truss Spar平台的水动力特性，其中包括Spar平台模型的建立，模型网格的划分，以及各种不同工况下Spar平台水动力荷载以及波浪爬高模拟，并对不同工况下的数据结果进行了分析整理。本设计需要完成以下的研究工作：1、先使用Gambit软件建立Truss Spar平台的模型，对平台的模型划分物面网格和自由水面网格。2、使用WVTDUT软件计算在不同波数和不同波浪入射角的工况下的Truss Spar平台的水动力荷载和波浪爬高的数据。3、对数据结果进行整理分析，得出最合理的结构形式和最危险的工况。该论文主要研究了Spar平台的波浪爬高，水动力荷载等特性，为实际的平台建造提供一定的参考。关键词：TRUSS SPAR平台，线性波浪，时域模拟，水动力特性 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外spar平台研究现状 2
1.2.1 世界spar平台发展格局 2
1.2.2 海上Spar平台发展过程 4
1.2.3 海上Spar平台发展趋势 6
1.2.4 我国海上Spar平台研究面临的难题 7
1.3 TRUSS Spar平台结构水动力分析研究现状 8
1.3.1 TRUSS Spar平台支撑结构形式概述 8
1.3.2 海上Spar平台动力特性研究现状 10
1.4 本文主要内容 11
第二章 Spar平台在线性波浪作用下数值模型 12
2.1 波浪载荷计算 12
2.1.1 控制方程及边界条件 12
2.1.2 边界条件的摄动展开 15
2.1.3 积分方程 16
2.1.4 Truss spar平台水动力特性计算 17
2.2 小结 20
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 21
台在线性波浪作用下数值模型 12
2.1 波浪载荷计算 12
2.1.1 控制方程及边界条件 12
2.1.2 边界条件的摄动展开 15
2.1.3 积分方程 16
2.1.4 Truss spar平台水动力特性计算 17
2.2 小结 20
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 21
3.1 Gambit软件的介绍 21
3.2 TRUSS SPAR 平台基础结构建模 23
3.3 网格划分 27
3.4 小结 34
第四章 WVTDUT软件在Truss Spar平台模型模拟中的应用 35
4.1 WVTDUT软件介绍 35
4.2 波浪的工况设定 42
4.3 水动力参数设定 45
4.4 小结 45
第五章 TRUSS SPAR 平台水动力特性分析 47
5.1 spar平不同波数的线性波浪作用下水动力的数据比较 47
5.1.1 一阶力的时间历程数据结果比较分析 47
5.1.2 波浪爬高的时间历程数据结果比较分析 53
5.2 平台在不同的波浪入射角工况下水动力数据的比较 60
5.2.1 一阶力的时间历程数据结果比较分析 60
5.2.2 波浪爬高历程模拟结果分析 64
5.3 小结 72
结 论 74
致 谢 75
参考文献 76
附录一 外文翻译 第一章 绪论
1.1 研究背景
由于世界上陆地资源的越来越匮乏，浅海已经不能满足人类的需求。为了开发深海海域，科学家们研究了许多新型的海洋结构物用作海洋资源开发，Spar平台就是其中十分高新科技的一种。Spar平台的功能十分全面，所有关于海洋油气开采的任务它都能完成。
图1.1 三代spar平台
Edward E. Horton在1987年制造了一种新型的Spar平台，这个平台可以在很深的海域完成其它平台无法完成的任务，所以这种平台十分适合深海的环境。Horton设计的这种Spar平台现在已被认为是现代Spar生产平台的最早的模型。
Spar平台由于其经济性和稳定性优于其他浮式平台，在经过短暂的二十几年来的发展中，已经开发出三代类型，分别为经典式(Classic Spar)、桁架式(Truss Spar)和分简集束式(Cell Spar)。
图1.2 spar平台结构图
新型的SPAR平台具有钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等多种功能。它是所有海洋平台中的明星产品，也是未来海洋平台的主要研究方向。
1.2 国内外spar平台研究现状
1.2.1 世界spar平台发展格局
由于世界上陆地资源的越来越匮乏，世界上很多国家都开始关注海洋这片藏着丰富资源的地方。由于想开发海洋资源的迫切，世界上关于海洋平台的研究越来越热，也越来越快速。Spar平台被广泛应用于海洋工程的各个方面。自从20世纪90年代初，这种SPAR平台因为具有钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等多种功能。所以它是所有海洋平台中的最高科技的一种，可以预见的是spar平台将是深海海洋平台的主要研究方向。
并不是只有spar 平台才能在深海工作，FPSO船、半潜式海洋平台、JIP SPAR平台、TLP等等。TRUSS SPAR平台相对于这些海洋结构物和平台，不仅稳定性好、运动性能更优而且工程造价也相对较低。
现在的SPAR平台一共有三种类型，分为JIP spar平台，Truss spar平台和cell spar平台。这三种spar平台的主体部分为硬舱部分、中间段部分和软舱部分。
硬舱部分的最主要的作用就是为spar平台提供巨大的浮力，还能提供可变的压载，并且能够护住平台中央井和立管；软舱部分的最主要作用就是降低了spar平台的重心而且为平台提供了相对比较固定的压载；TRUSS SPAR平台又被叫做桁架型或者蜂巢型 的SPAR平台。Truss spar平台的中间段部分是几个垂荡板，这些垂荡板最主要的作用就是链接，当然垂荡板还拥有增加spar平台的质量、延长平台的固有周期、降低垂荡响应等很多作用。软舱底部一般是固定压载舱室，还起到作降低平台重心的作用；软舱部分的上面及硬舱部分的下面都是能够变压载的舱，这些舱的最大的功能就是调节spar平台的平衡性、改变spar平台的吃水深度；spar平台的其他舱室大多都是空舱。
Truss Spar平台的吃水非常的深，水线面积也很小。由此可以看出平台垂荡运动的幅度相比于其它平台就要小很多。Truss Spar平台是用主体浮力来控制平台的，并辅以系泊系统，这样的话平台的移动也非常的方便快速。Truss Spar平台采用的是深海锚泊定位，这样一来平台对一些系泊系统，立管的要求就很低，工程成相比与其它的海洋装备就要小的多。Spar平台是目前吃水最深的浮式平台，因为吃水深而且重心也很低，所以稳定性也是所有平台中最好的。相比于其它海洋装备更能适应深海恶劣的环境条件[7]。又因为spar平台可以简单快速的移动，所以它非常适合用于深海干式的井口作业这种方式，这样的话维护费用相比与其它平台会很低，所以spar平台将是深海海洋平台的主要研究方向。
目前世界上只有Technip和J.Ray.McDermott两家公司能够进行完整的设计、建造、安装spar平台。所以SPAR平台还是属于十分高新的技术范畴。两家公司至今已投入使用了17座SPAR平台。因为spar平台的专利费用太贵，而技术又被欧美国家高度垄断，所以中海油公司的工程设计院参加了工信部开展的“立柱式生产平台（SPAR）关键设计技术研究”课题。研究了SPAR平台关于电气系统的设计研究、SPAR平台的上部组
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外spar平台研究现状 2
1.2.1 世界spar平台发展格局 2
1.2.2 海上Spar平台发展过程 4
1.2.3 海上Spar平台发展趋势 6
1.2.4 我国海上Spar平台研究面临的难题 7
1.3 TRUSS Spar平台结构水动力分析研究现状 8
1.3.1 TRUSS Spar平台支撑结构形式概述 8
1.3.2 海上Spar平台动力特性研究现状 10
1.4 本文主要内容 11
第二章 Spar平台在线性波浪作用下数值模型 12
2.1 波浪载荷计算 12
2.1.1 控制方程及边界条件 12
2.1.2 边界条件的摄动展开 15
2.1.3 积分方程 16
2.1.4 Truss spar平台水动力特性计算 17
2.2 小结 20
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 21
台在线性波浪作用下数值模型 12
2.1 波浪载荷计算 12
2.1.1 控制方程及边界条件 12
2.1.2 边界条件的摄动展开 15
2.1.3 积分方程 16
2.1.4 Truss spar平台水动力特性计算 17
2.2 小结 20
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 21
3.1 Gambit软件的介绍 21
3.2 TRUSS SPAR 平台基础结构建模 23
3.3 网格划分 27
3.4 小结 34
第四章 WVTDUT软件在Truss Spar平台模型模拟中的应用 35
4.1 WVTDUT软件介绍 35
4.2 波浪的工况设定 42
4.3 水动力参数设定 45
4.4 小结 45
第五章 TRUSS SPAR 平台水动力特性分析 47
5.1 spar平不同波数的线性波浪作用下水动力的数据比较 47
5.1.1 一阶力的时间历程数据结果比较分析 47
5.1.2 波浪爬高的时间历程数据结果比较分析 53
5.2 平台在不同的波浪入射角工况下水动力数据的比较 60
5.2.1 一阶力的时间历程数据结果比较分析 60
5.2.2 波浪爬高历程模拟结果分析 64
5.3 小结 72
结 论 74
致 谢 75
参考文献 76
附录一 外文翻译 第一章 绪论
1.1 研究背景
由于世界上陆地资源的越来越匮乏，浅海已经不能满足人类的需求。为了开发深海海域，科学家们研究了许多新型的海洋结构物用作海洋资源开发，Spar平台就是其中十分高新科技的一种。Spar平台的功能十分全面，所有关于海洋油气开采的任务它都能完成。
图1.1 三代spar平台
Edward E. Horton在1987年制造了一种新型的Spar平台，这个平台可以在很深的海域完成其它平台无法完成的任务，所以这种平台十分适合深海的环境。Horton设计的这种Spar平台现在已被认为是现代Spar生产平台的最早的模型。
Spar平台由于其经济性和稳定性优于其他浮式平台，在经过短暂的二十几年来的发展中，已经开发出三代类型，分别为经典式(Classic Spar)、桁架式(Truss Spar)和分简集束式(Cell Spar)。
图1.2 spar平台结构图
新型的SPAR平台具有钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等多种功能。它是所有海洋平台中的明星产品，也是未来海洋平台的主要研究方向。
1.2 国内外spar平台研究现状
1.2.1 世界spar平台发展格局
由于世界上陆地资源的越来越匮乏，世界上很多国家都开始关注海洋这片藏着丰富资源的地方。由于想开发海洋资源的迫切，世界上关于海洋平台的研究越来越热，也越来越快速。Spar平台被广泛应用于海洋工程的各个方面。自从20世纪90年代初，这种SPAR平台因为具有钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等多种功能。所以它是所有海洋平台中的最高科技的一种，可以预见的是spar平台将是深海海洋平台的主要研究方向。
并不是只有spar 平台才能在深海工作，FPSO船、半潜式海洋平台、JIP SPAR平台、TLP等等。TRUSS SPAR平台相对于这些海洋结构物和平台，不仅稳定性好、运动性能更优而且工程造价也相对较低。
现在的SPAR平台一共有三种类型，分为JIP spar平台，Truss spar平台和cell spar平台。这三种spar平台的主体部分为硬舱部分、中间段部分和软舱部分。
硬舱部分的最主要的作用就是为spar平台提供巨大的浮力，还能提供可变的压载，并且能够护住平台中央井和立管；软舱部分的最主要作用就是降低了spar平台的重心而且为平台提供了相对比较固定的压载；TRUSS SPAR平台又被叫做桁架型或者蜂巢型 的SPAR平台。Truss spar平台的中间段部分是几个垂荡板，这些垂荡板最主要的作用就是链接，当然垂荡板还拥有增加spar平台的质量、延长平台的固有周期、降低垂荡响应等很多作用。软舱底部一般是固定压载舱室，还起到作降低平台重心的作用；软舱部分的上面及硬舱部分的下面都是能够变压载的舱，这些舱的最大的功能就是调节spar平台的平衡性、改变spar平台的吃水深度；spar平台的其他舱室大多都是空舱。
Truss Spar平台的吃水非常的深，水线面积也很小。由此可以看出平台垂荡运动的幅度相比于其它平台就要小很多。Truss Spar平台是用主体浮力来控制平台的，并辅以系泊系统，这样的话平台的移动也非常的方便快速。Truss Spar平台采用的是深海锚泊定位，这样一来平台对一些系泊系统，立管的要求就很低，工程成相比与其它的海洋装备就要小的多。Spar平台是目前吃水最深的浮式平台，因为吃水深而且重心也很低，所以稳定性也是所有平台中最好的。相比于其它海洋装备更能适应深海恶劣的环境条件[7]。又因为spar平台可以简单快速的移动，所以它非常适合用于深海干式的井口作业这种方式，这样的话维护费用相比与其它平台会很低，所以spar平台将是深海海洋平台的主要研究方向。
目前世界上只有Technip和J.Ray.McDermott两家公司能够进行完整的设计、建造、安装spar平台。所以SPAR平台还是属于十分高新的技术范畴。两家公司至今已投入使用了17座SPAR平台。因为spar平台的专利费用太贵，而技术又被欧美国家高度垄断，所以中海油公司的工程设计院参加了工信部开展的“立柱式生产平台（SPAR）关键设计技术研究”课题。研究了SPAR平台关于电气系统的设计研究、SPAR平台的上部组
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