半潜式海洋平台水动力学特性分析analysisofhydrodynamicalcharacteristicsof(附件)
摘 要摘 要伴随着中国经济的发展，航运行业变得越来越繁荣，半潜式海洋平台已经成为开发石油、天然气的重要工具。尽管国内对981海洋平台的研究取得了可喜的成果，但是严峻复杂的海上环境要求我们对半潜式海洋平台进行进一步研究，来对我国成为世界海上强国做贡献。本文设计出一种柔性立柱式半潜海洋平台基本结构进行频域和时域分析。首先建立海洋平台的三维水动力模型；然后利用AQWE-LINE对其进行频域下的水动力分析，得到平台的运动响应等数据最后根据锚泊系统的设计要求，设计简单的锚泊，建立平台的锚泊系统模型，并对海洋平台进行耦合时域分析。本文的结论对预报环境载荷对海洋平台的运动有很大的参考价值和现实意义。关键词半潜式海洋平台；AQWA；水动力分析；锚泊系统；时域分析。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.1.1 课题研究的背景 1
1.1.2 课题研究的意义 2
1.2 课题研究的现状与发展趋势 2
1.3 本文的研究的主要内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 水动力分析理论研究 5
2.1 海洋环境理论 5
2.1.1 风载荷 5
2.1.2 波浪载荷 7
2.1.3 流载荷 11
2.2 AQWA模块 11
2.3 本章小结 12
第三章 半潜式海洋平台水动力响应分析 13
3.1 平台建模和网格划分 13
3.2 环境设置 15
3.3 一阶波浪力 15
3.4 二阶平均波浪漂移力 16
3.5 附加质量和辐射阻尼 16
3.6目标平台的运动响应（RAO） 17
3.7 ANSYS/WorkBench后处理 18
3.7.1平台的运动响应（RAO） 18
3.7.2 波浪的应力云图 19
3.7.3 气隙云图 20
3.8 本章小结 20
第四章 锚泊系统设计及耦合时域分析 21
4.1 系泊缆 21
4.2 锚泊系统设计 22 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3 最大极限状态的张力限制和平台的位移限制 24
4.4 海洋环境载荷 24
4.5 新型半潜式平台重心六个方向运动分析 24
4.5.1 平台各方向重心位置分析 25
4.5.2 平台各方向重心速度分析 25
4.5.3 平台各方向重心加速度分析 26
4.6 海洋平台耦合时域运动分析 27
4.7 系泊缆的张力相应 28
4.8 本章小结 28
第五章 总结与展望 30
5.1 本文总结 30
5.2 创新点 30
5.3 展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 35
附录A 频域分析图 35
附录B 时域分析图 43
第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景与意义
1.1.1 课题研究的背景
由于海洋里的石油资源占世界石油资源的比例很大，并且随着人类对石油、天然气等资源的开发和使用，使海洋逐步成为开采石油的主战场。随着时间的推移，海洋石油的开发已经从浅水到深水，并且海洋钻井平台981的建造完成，使开发深度和能力进一步提高，如图11所示。因为半潜式海洋平台的优良性能，使其最近几年发展迅速，逐步在石油、天然气的开发中占据重要地位，海洋平台正在向着钻井深度超过12000米，工作水深超过3000米发展。
/
图11 海洋石油981半潜式钻井平台
因为海洋平台六个自由度需要限制以防止运动剧烈，影响稳定性，所以要设计合适的定位系统，这是设计海洋平台时需要重点考虑的问题。浮体在定位方面包括锚泊系统（被动定位）和动力定位系统（主动定位）。锚泊系统是依靠锚和锚泊线的作用去限制平台的运动，锚泊重量大，成本高。动力定位是依靠平台自己的推进器去抵御环境载荷去限制平台的运动，其定位精度高，成本低。针对工作水深超过3000米的平台，锚泊系统面临这一些问题，首先，深水环境下，海洋环境比较复杂，分析在环境载荷下锚泊线的响应，其难度是很高的。其次，海洋环境载荷的计算方法也因为计算技术的发展而不断更新。所以，优良的锚泊系统不仅对钻井工作的安全性有影响，而且对海洋工程设备也有重要的作用。
1.1.2 课题研究的意义
随着全球能源供应的紧缺，石油、天然气的开采越来越受到重视，我国海洋面积广阔，深海的石油、天然气资源丰富。然而我国由于技术能力较弱，对石油的开采主要停留在浅海区域，而深海的开采对于设备和技术人员的开发能力有一定的要求，所以开采的能力较弱。在世界各国对深海资源激烈竞争的国际形势和我国在海洋事业的投入力度的大背景下，对海洋平台技术的研究显得尤为重要。另外，由于平台在恶劣的环境载荷作用下会产生波频摇荡运动和低频漂移运动，所以对平台准确预报运动响应及对环境载荷作出应对是很关键的，再加上人们对海洋平台的设计不太合理，所以平台的问题接连发生，因此在设计海洋平台时对其进行水动力特性分析是很有意义的。除此之外，锚泊系统在平台的稳定性方面有着重要的意义，为了使平台在最优的范围内运动，对锚泊系统的设计和系泊缆的材料属性进行选择也很重要，还要对其组成的耦合系统的运动响应进行研究，以满足国际和国内的设计要求。
1.2 课题研究的现状与发展趋势
近些年来，许多的研究人员对海洋平台的所处的恶劣环境及平台的运动响应进行了研究，并且对影响工作人员舒适度的最关键技术锚泊系统，也进行了认真的设计。
朱航，马哲[1]等以981平台进行研究，采用风洞实验研究了0度到90度风载荷与平台表面风压力分布规律，进行了测压实验和测力实验，得到了表面风压系数，从而计算了平台所受的整体风载荷，实验结果与数值模拟结果基本相同。St.Denis[2]提出了船舶在不规则波中的运动计算方法，把船舶的摇荡运动看成一个随机的过程。KoevinKroukovsky[3]首次提出了切片理论，并计算了船舶的纵荡和垂荡运动。张金平[4]等对海洋平台相关的波浪理论和计算波浪力的方法进行了综述，总结了不同波浪理论的优缺点和适用范围。宋安科[5]对第五代半潜式平台进行了水动力分析，得到了水动力时间历程响应曲线。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.1.1 课题研究的背景 1
1.1.2 课题研究的意义 2
1.2 课题研究的现状与发展趋势 2
1.3 本文的研究的主要内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 水动力分析理论研究 5
2.1 海洋环境理论 5
2.1.1 风载荷 5
2.1.2 波浪载荷 7
2.1.3 流载荷 11
2.2 AQWA模块 11
2.3 本章小结 12
第三章 半潜式海洋平台水动力响应分析 13
3.1 平台建模和网格划分 13
3.2 环境设置 15
3.3 一阶波浪力 15
3.4 二阶平均波浪漂移力 16
3.5 附加质量和辐射阻尼 16
3.6目标平台的运动响应（RAO） 17
3.7 ANSYS/WorkBench后处理 18
3.7.1平台的运动响应（RAO） 18
3.7.2 波浪的应力云图 19
3.7.3 气隙云图 20
3.8 本章小结 20
第四章 锚泊系统设计及耦合时域分析 21
4.1 系泊缆 21
4.2 锚泊系统设计 22 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3 最大极限状态的张力限制和平台的位移限制 24
4.4 海洋环境载荷 24
4.5 新型半潜式平台重心六个方向运动分析 24
4.5.1 平台各方向重心位置分析 25
4.5.2 平台各方向重心速度分析 25
4.5.3 平台各方向重心加速度分析 26
4.6 海洋平台耦合时域运动分析 27
4.7 系泊缆的张力相应 28
4.8 本章小结 28
第五章 总结与展望 30
5.1 本文总结 30
5.2 创新点 30
5.3 展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 35
附录A 频域分析图 35
附录B 时域分析图 43
第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景与意义
1.1.1 课题研究的背景
由于海洋里的石油资源占世界石油资源的比例很大，并且随着人类对石油、天然气等资源的开发和使用，使海洋逐步成为开采石油的主战场。随着时间的推移，海洋石油的开发已经从浅水到深水，并且海洋钻井平台981的建造完成，使开发深度和能力进一步提高，如图11所示。因为半潜式海洋平台的优良性能，使其最近几年发展迅速，逐步在石油、天然气的开发中占据重要地位，海洋平台正在向着钻井深度超过12000米，工作水深超过3000米发展。
/
图11 海洋石油981半潜式钻井平台
因为海洋平台六个自由度需要限制以防止运动剧烈，影响稳定性，所以要设计合适的定位系统，这是设计海洋平台时需要重点考虑的问题。浮体在定位方面包括锚泊系统（被动定位）和动力定位系统（主动定位）。锚泊系统是依靠锚和锚泊线的作用去限制平台的运动，锚泊重量大，成本高。动力定位是依靠平台自己的推进器去抵御环境载荷去限制平台的运动，其定位精度高，成本低。针对工作水深超过3000米的平台，锚泊系统面临这一些问题，首先，深水环境下，海洋环境比较复杂，分析在环境载荷下锚泊线的响应，其难度是很高的。其次，海洋环境载荷的计算方法也因为计算技术的发展而不断更新。所以，优良的锚泊系统不仅对钻井工作的安全性有影响，而且对海洋工程设备也有重要的作用。
1.1.2 课题研究的意义
随着全球能源供应的紧缺，石油、天然气的开采越来越受到重视，我国海洋面积广阔，深海的石油、天然气资源丰富。然而我国由于技术能力较弱，对石油的开采主要停留在浅海区域，而深海的开采对于设备和技术人员的开发能力有一定的要求，所以开采的能力较弱。在世界各国对深海资源激烈竞争的国际形势和我国在海洋事业的投入力度的大背景下，对海洋平台技术的研究显得尤为重要。另外，由于平台在恶劣的环境载荷作用下会产生波频摇荡运动和低频漂移运动，所以对平台准确预报运动响应及对环境载荷作出应对是很关键的，再加上人们对海洋平台的设计不太合理，所以平台的问题接连发生，因此在设计海洋平台时对其进行水动力特性分析是很有意义的。除此之外，锚泊系统在平台的稳定性方面有着重要的意义，为了使平台在最优的范围内运动，对锚泊系统的设计和系泊缆的材料属性进行选择也很重要，还要对其组成的耦合系统的运动响应进行研究，以满足国际和国内的设计要求。
1.2 课题研究的现状与发展趋势
近些年来，许多的研究人员对海洋平台的所处的恶劣环境及平台的运动响应进行了研究，并且对影响工作人员舒适度的最关键技术锚泊系统，也进行了认真的设计。
朱航，马哲[1]等以981平台进行研究，采用风洞实验研究了0度到90度风载荷与平台表面风压力分布规律，进行了测压实验和测力实验，得到了表面风压系数，从而计算了平台所受的整体风载荷，实验结果与数值模拟结果基本相同。St.Denis[2]提出了船舶在不规则波中的运动计算方法，把船舶的摇荡运动看成一个随机的过程。KoevinKroukovsky[3]首次提出了切片理论，并计算了船舶的纵荡和垂荡运动。张金平[4]等对海洋平台相关的波浪理论和计算波浪力的方法进行了综述，总结了不同波浪理论的优缺点和适用范围。宋安科[5]对第五代半潜式平台进行了水动力分析，得到了水动力时间历程响应曲线。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/634.html
