海洋结构动力学相关知识

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1、2021/8/811.2.1固定式平台和活动式平台1.2.2顺应式平台1.2.3浮式平台1.2海洋平台构造及有关动力学问题2021/8/821.2.1固定式平台和活动式平台小于400m水深的海域固定式平台混凝土重力式平台导管架平台通过自身的重量维持合适的垂直位置管状桩腿，插入土壤一定深度，以支持平台结构和作业模块的重量。固有弯曲频率或基本弯曲频率大约是0.17赫兹。振动的主要形式是弯曲振动。2021/8/831.2.1固定式平台和活动式平台用于勘探石油的自升式钻井平台也可称为活动式平台。有3到6根桩腿支承，桩腿有钢管式和桁架式两种结构。站立状态拖航状态每根桩腿固定于海底的钢质沉垫上，可

2、以使平台结构稳定并且减少桩腿插入海底的深度。平台的船体在海底以上的高度可达到100米。桩腿从海底拔出，并且收进船体的低部，减少拖航过程的阻力。2021/8/841.2.1固定式平台和活动式平台共同的结构特征上部生产结构模块达到数数千吨，远大于支撑结构的重量。结构高度方向的尺寸大于水平方向的尺寸。主要的振动形式为弯曲振动。共同的振动特点惯性力恢复刚度动力载荷重要的动力学问题在100m以上水深作业时，波流联合引起的动力响应。上部作业模块的质量取决于支撑结构风、浪、流、海冰、地震载荷2021/8/851.2.2顺应式平台牵索塔平台桁架式塔架钢缆加重链海底锚连接到海底基础上的缆索工作水深可达到

3、400米桁架结构减轻了结构重量，减小了惯性力；减小了风、浪、流等流体载荷。在水面以下25米处，塔结构四周对称地系上20根钢缆；每根钢缆向下延伸约1000米，与一根在海底锚固的加重链相连。在正常天气或小风暴情况下，钢缆作为一坚硬的弹簧，提供平台摇摆运动的恢复力。在大风暴和飓风等恶劣的气象条件下，钢缆变得相对柔软以使结构顺应风浪流载荷的作用。当平台摇摆的幅值增大时，同时增大的还有加重海底链提离海底的高度，这样就增大了平台的回复力使平台适应风暴载荷。2021/8/861.2.2顺应式平台铰接塔平台的组成铰接塔平台的动力学问题塔柱、海底基础、万向接头、浮力舱、压载舱该类型结构的固有频率远低于那

4、些具有高幅值的波浪频率，一般不会发生摇摆共振。非线性的流体动力载荷运动幅值跳跃、失稳平台生产功能丧失对于大长细比塔柱结构，需要考虑弹性变形研究塔柱的运动和塔柱动强度问题。2021/8/871.2.3浮式平台TLP平台、Spar平台、半潜式平台2021/8/88张力腿平台结构形式平台上体立柱（含横撑和斜撑）下体（浮箱）张力腿系泊系统锚固基础2021/8/89平台上体立柱（含横撑和斜撑）下体（浮箱）张力腿系泊系统锚固基础张力腿平台结构形式作业装备和生活舱室提供给平台主体必要的结构刚度提供浮力提供预张力，提高系索刚度固定张力腿下端2021/8/810张力腿平台受力和运动特点浮力远大于自身重力

5、浮力=自重+张力腿的预张力使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态，显著提高了系索的刚度平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小，近似于刚性浮筒所受水平方向波浪力较大通过张力腿在平面内呈现柔性，较大的环境载荷通过惯性力来平衡张力腿平台为半顺应半刚性结构形式。2021/8/811张力腿平台运动的固有周期垂荡运动2-4s纵、横荡运动100-200s横摇、纵摇运动低于4s首摇的运动高于40s整个结构的频率跨越波浪的一阶频率谱两端，可以避免结构和海浪能量集中的频率发生共振。2021/8/812张力腿平台的动力学问题波浪差频载荷是缓慢变化的力，与张力腿平台水平面内固有长周期运动的频率接近，诱发水平面内的

6、大幅共振运动。紊流风的激振频率也在该频率范围，加剧平台的慢漂运动。波浪的高频分量和高频水动力会引起的平台水平面外平台的弹跳振动（Spring或者Ringing）。高度约1000m的张力腿，承受波流联合作用，发生非线性涡激振动，出现亚谐振动和组合共振响应。考虑来自张力腿的预张力和动态张力，张力腿承受横向波流载荷和轴向激振力，发生参数激励振动，是导致张力腿结构的大幅振动和失稳的重要原因。2021/8/813Spar平台的组成平台本体系泊系统平台主体平台上体主体外壳浮力系统中央井立管系统Spar平台2021/8/814Spar平台的组成平台本体系泊系统平台主体平台上体主体外壳浮力系统中央井立

7、管系统Spar平台链-钢缆-链结构聚酯纤维缆2021/8/815垂荡运动纵荡／横荡纵摇／横摇首摇涡激振动Spar平台的动力学问题无自身回复力无自身回复力首摇激励力很小可以忽略不计半张紧系统，水平刚度大位置漂移比较小＜4%水深小于6%水深回复力矩由重力和浮力形成的力偶决定运动性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计＜10°2021/8/816Spar平台垂荡运动垂向刚度净水压力产生回复力，主要取决于水线面的面积。系泊系统拉力的垂向分力与之相比可忽