考虑下沉运动的张力腿平台非线性随机耦合动力响应分析

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1、考虑下沉运动的张力腿平台非线性随机耦合动力响应分析NonlinearStochasticCoupledDynamicResponseAnalysisofTensionLegPlatformConsideringSet-downMotion一级学科：船舶与海洋工程学科专业：船舶与海洋结构物设计制造作者姓名：王宾指导教师：唐友刚教授天津大学建筑工程学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构

2、的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要TLP（Tension-LegPlatform，张力腿

3、平台）是一种适合于深海油气开采的重要装备，也是我国南海油气田开采所要考虑的平台形式之一。我国南海深水海洋环境十分复杂，TLP遭遇台风及海浪的作用，极易发生不同形式的损伤破坏。因此，本文研究TLP的强非线性时域耦合分析方法，建立极端海洋环境载荷及冲击载荷作用下的海洋工程结构动态响应模型，揭示TLP在随机波浪作用下的非线性动力响应特性和损伤机理，具有重要的理论及工程意义。本文以工作水深450m的传统型TLP为研究对象，采用准静态分析方法对整个平台系统进行研究，即浮体运动响应采用动态分析方法，将张力腿系泊系统视为非线性弹簧，考虑由平台本体的水平运动即纵荡、横荡和首摇运动所

4、引起的下沉运动，建立耦合刚度矩阵。将系泊系统的静位移产生的力通过平台与系泊系统的耦合边界条件加载到平台本体，实现平台本体与系泊系统之间的动力耦合。运用本文开发的数值计算工具，分析平台本体水平运动与下沉运动的关系。基于Airy波波浪理论，计算TLP的运动响应，得到平台运动的时间历程和频谱特性。计算结果表明，平台的下沉运动导致平台垂荡运动响应明显增大，并且在垂荡运动中包含了波频和倍频超谐运动成分，纵荡、横荡和首摇对于下沉具有重要影响。考虑极端海洋环境，基于JONSWAP波浪谱计算平台所受波浪载荷，计算平台的六自由度运动响应。计算结果表明，在随机波浪的作用下，纵荡、横荡及

5、下沉运动的低频成分显著，由于下沉运动具有二次非线性的特征，导致其出现显著的倍频成分。在高海况下垂荡运动主要受下沉运动控制，且随着海况的增大，下沉运动愈加显著。提出了一种计算平台上部组块风载荷的方法，用于研究平台在随机波浪和随机风的联合作用下的非线性动力响应。基于JONSWAP波浪谱计算平台浮箱和立柱承受的波浪载荷，基于NPD风谱计算作用于平台上部组块和立柱的风载荷。应用四阶龙格-库塔方法求解运动方程，得到平台运动的时间历程、运动幅度的均值和标准差。计算结果表明，平台上部组块的风载荷将导致平台纵荡、横荡和垂荡运动平衡位置发生显著变化，且垂荡运动幅度明显增大，而风载荷对

6、于平台摇摆运动的影响则较小。研究平台在一阶和二阶波浪力作用下的运动响应。其中，二阶波浪力包括平均漂移力、差频波浪力及和频波浪力。采用DNVGL软件WADAM，基于势流理论计算频域下的波浪载荷传递函数，然后根据水动力参数和波浪谱生成时域下I万方数据的随机波浪载荷。采用本文分析模型，计算平台的运动响应。计算结果表明，二阶波浪力对平台的影响十分显著。其中，二阶差频波浪力对平台的纵荡和横荡具有明显的作用，同时会引起大幅的下沉运动，因此对于垂荡自由度具有重要影响。二阶和频波浪力将引起横摇和纵摇的高频响应。但是，二阶波浪力对首摇自由度影响很小。研究了畸形波作用下TLP的动力响应

7、特性，采用随机频率相位角调制法生成的畸形波波面时历，计算在畸形波条件下平台所受的一阶及二阶和、差频波浪载荷，并采用数值方法求解平台六自由度的运动。结果表明，在畸形波作用下，一阶、二阶波浪载荷均受到畸形波的影响，但各波浪载荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以纵荡为代表的低频运动主要受二阶差频波浪载荷影响，以垂荡、纵摇为代表的高频运动受二阶和频波浪载荷的影响。由平台水平运动引发的下沉运动在二阶差频波浪载荷的作用下显著增大，从而诱发垂荡运动产生了显著增加，因此在畸形波作用下垂荡运动同时受到二阶和频及差频波浪载荷的影响。由于畸形波具有冲击载荷的特性，不同自由度运动幅值