某深水半潜平台典型工况水动力及张紧式系泊的研究

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硕士学位论文某深水半潜平台典型工况水动力及张紧式系泊的研究作者姓名刘灶学科专业船舶与海洋工程指导教师陈超核教授所在学院土木与交通学院论文提交日期2018年4月 StudyonHydrodynamicandTensioningMooringofTypicalWorkingConditionofaDeepwaterSemi-submersiblePlateformADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuZaoSupervisor：Prof.ChenChaoheSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China 摘要实现由海洋经济大国向海洋经济强国的跨越已是当代新中国新时代下应运而生的新战略，海洋工程装备的发展在未来十年的重点之一就是对于海洋油气资源开发装备的研究。作为支持长时间海洋油气开发的离岸作业主体的海洋钻井平台，自问世以来，有关如何增强其结构，简化其形式、优化其性能等方面的研究都在如火如荼的进行着，而半潜平台作为海工装备皇冠上的明日之星，更是各大学者以及国际海工制造商关注的焦点。因此，开展典型工况下半潜平台的水动力以及其系泊性能的研究对于优化海洋钻井平台、加快深水海洋资源开发进程具有重要意义。数值模拟和模型试验分析是当今对半潜平台研究的主流研究方式，而模型试验方法由于成本昂贵、环境条件限制等往往难以深入切实地开展，所以各国学者在进行半潜平台的研究时对数值模拟方法进行了深入的探索与发展，有的采用简单模型试验对数值模拟进行认证分析，从而产生了一系列进行半潜钻井平台数值模拟的方法。本文在前人对水动力及系泊系统分析研究的基础上，针对某作业在南海海域的半潜钻井平台建立该平台的水动力模型进行该平台在工作环境下的频域、时域分析。首先利用建立的水动力模型在频域内进行数值模拟，求解半潜平台的运动响应，得到水动力参数数据库，对该半平台的水动力性能进行初步评估；并在频域计算中采用随机性设计波法，得到在极限海况中对半潜平台威胁最大的几种典型工况的波浪载荷参数，可以进一步考察半潜平台的受力性能并可为工作与之相类似海域的半潜平台波浪载荷计算提供参考；然后利用频域计算结果，采用理论分析与数值模拟结合的方法进行该半潜平台的张紧式系泊系统设计，进行张紧式系泊系统的工作适用性验证；此外还与悬链线系泊系统进行对比，校核不同系泊系统的工作能力；最后考虑单根系泊缆断裂的极限海况下张紧式系泊的工作性能。经过系列对比验证，该半潜平台拥有良好的水动力性能，且本文设计的张紧式系泊无论是对比悬链线系泊还是在极限的工作情况下都拥有良好的定位能力和安全性。关键词：半潜平台；典型工况；水动力；张紧式系泊I AbstractRealizingtheleapfrommarineeconomicpowertomaritimeeconomicpowerhasbecomeanewstrategythathasemergedundertheneweraofcontemporaryChina.Oneofthefocusesofthedevelopmentofmarineengineeringequipmentoverthenextdecadeistostudytheoffshoreoilandgasresourcesdevelopmentandequipment.Sinceitsinception,theoffshoredrillingplatform,whichisthemainstayofoffshoreoperationsthatsupportlong-termdevelopmentofoffshoreoilandgas,isinfullswing.Studiesonhowtoenhanceitsstructure,simplifyitsformandoptimizeitsperformanceareinfullswing.Semi-submersible,thepearlofthecrownjewelofmarineequipment,butalsothefocusofattentionofallmajorscholarsandinternationalmarinemanufacturers.Therefore,theresearchonhydrodynamicsanditsmooringperformanceofsemi-submersibleplatformundertypicalconditionsisofgreatsignificanceforoptimizingtheoffshoredrillingplatformandacceleratingthedevelopmentofdeep-watermarineresources.Numericalsimulationandmodeltestanalysisarethecurrentmainstreamresearchmethodsforsemi-submersibleplatformresearch.However,duetothehighcostandlimitedenvironmentalconditions,modeltestmethodsareoftendifficulttocarryout.Therefore,scholarsfromallcountrieshaveconductedin-depthexplorationanddevelopmentofnumericalsimulationmethodsinsemi-submersibleplatformresearch,andsomehaveusedsimplemodelteststocertificatetheanalysisofnumericalsimulation,andthenresultinginaseriesofmethodsfornumericalsimulationofsemi-submersibledrillingplatforms.Basedonthepreviousresearchonhydrodynamicsandmooringsystem,andahydrodynamicmodelofasemi-submersibledrillingplatformforacertainoperationintheSouthChinaSeaisestablished.First,thehydrodynamicmodelestablishedisusedtoconductnumericalsimulationinthefrequencydomaintosolvethemotionresponseofsemi-submersibleplatform.Thehydrodynamicparameterdatabaseisobtainedandthehydrodynamicperformanceofthesemi-platformispreliminarilyevaluated;Inthecalculationoffrequencydomain,therandomdesignwavemethodisusedtoobtainthewaveloadingparametersofseveraltypicalworkingconditionswhichhavethegreatestthreattothesemi-submersibleplatforminthelimitseastate,sothebehaviorofsemi-submersibleplatformcanbefurtherinvestigatedanditcanprovideareferenceforthecalculationofthewaveloadofsemi-submarineplatforminworkandsimilarseaareas.Andthenusingtheresultoffrequencydomaincalculation,thedesignofthetensionedmooringsystemoftheII semi-submersibleplatformiscarriedoutbycombiningthetheoreticalanalysisandnumericalsimulation,inadditionthesuitabilityofthetensionedmooringsystemisverified.Italsocompareswithcatenarymooringsystemstochecktheworkingabilityofdifferentmooringsystems.Finally,considertheworkingperformanceoftensionedmooringwhenasinglemooringlinebroken.Afteraseriesofcomparisonandverification,thesemi-submersibleplatformhasgoodhydrodynamicperformance,andthetensionedmooringdesignedinthispaperhasbetterpositioningabilityandmoresafetythancatenarymooring,andhasagoodperformanceunderabrokensystem.Keywords:Semi-submersible,Typicalworkingcondition,Hydrodynamic,TensionmooringIII 目录摘要.........................................................................................................................................................IABSTRACT........................................................................................................................................II目录......................................................................................................................................................IV第一章绪论.........................................................................................................................................11.1引言...........................................................................................................................................................11.2半潜平台的发展........................................................................................................................................31.3系泊定位系统的发展.................................................................................................................................61.3.1重力式系泊...............................................................................................................................................61.3.2半张紧式系泊...........................................................................................................................................71.3.3张紧式系泊...............................................................................................................................................71.4国内外研究现状........................................................................................................................................81.5本文研究背景及主要工作.......................................................................................................................10第二章海洋环境载荷及响应分析理论......................................................................................122.1三维势流理论..........................................................................................................................................122.1.1坐标系.....................................................................................................................................................122.1.2速度势求解.............................................................................................................................................132.1.3三维源分布法（边界元法）求解波浪力..............................................................................................162.2频域分析理论..........................................................................................................................................182.2.1水动力参数.............................................................................................................................................182.2.2波浪力.....................................................................................................................................................192.2.3海洋平台的频域运动方程......................................................................................................................212.3典型工况波浪载荷计算理论...................................................................................................................212.4时域耦合理论..........................................................................................................................................262.4.1时域与频域的联系..................................................................................................................................262.4.2风载荷.....................................................................................................................................................262.4.3流载荷.....................................................................................................................................................282.4.4时域耦合响应理论..................................................................................................................................292.5本章小结..................................................................................................................................................31第三章张紧式系泊系统分析理论...............................................................................................333.1张紧式系泊静力分析...............................................................................................................................333.2张紧式系泊动力分析...............................................................................................................................363.2.1静态-动态模型.......................................................................................................................................363.2.2集中质量法.............................................................................................................................................383.3本章小结..................................................................................................................................................38第四章数值模型及水动力分析...................................................................................................39IV 4.1半潜平台主要参数...................................................................................................................................394.2水动力分析..............................................................................................................................................414.2.1附加质量和辐射阻尼..............................................................................................................................414.2.2一阶波浪激励力.....................................................................................................................................424.2.3运动响应幅值算子RAO........................................................................................................................454.3本章小结..................................................................................................................................................47第五章典型工况分析....................................................................................................................485.1浮体间分离力.........................................................................................................................................485.2浮体间纵向剪切力...................................................................................................................................505.3平台关于横轴扭矩...................................................................................................................................535.4平台下浮体垂向波浪弯矩.......................................................................................................................555.5本章小结..................................................................................................................................................57第六章系泊方案设计及时域耦合性能分析.............................................................................586.1系泊系统设计原则..................................................................................................................................586.2海洋环境参数..........................................................................................................................................596.3系泊系统基本参数确定及模型建立........................................................................................................606.4半潜平台时域耦合分析...........................................................................................................................626.4.1悬链线式系泊分析..................................................................................................................................636.4.2张紧式系泊分析.....................................................................................................................................686.4.3张紧式单根系泊缆断裂响应分析..........................................................................................................856.5本章小结.................................................................................................................................................95总结与展望........................................................................................................................................96参考文献............................................................................................................................................99攻读硕士学位期间取得的研究成果..........................................................................................102致谢...................................................................................................................................................103V 第一章绪论第一章绪论1.1引言近年来，世界各国从藏有大量能源、矿产、生物、空间以及旅游等各种丰富资源的海洋身上发觉到，如若将海洋资源优势充分利用，必将会带来令人惊艳的新一轮经济优势。如今全世界范围内的海洋资源开发尤其是深海资源的开发，在《联合国海洋法公约》实时生效地推动下进入了前所未有的新时代。21世纪以来，大环境条件下科技创新拉动海洋产业升级是一个势在必行的战略，成为世界各国政治、经济、军事、科技等综合国力竞争的新主场，成为各国国际贸易与交流合作所不可或缺的强纽带，成为提供资源保障和拓展发展空间方面新的战略方向，海洋正向世界展现着它不容小觑的强大实力。石油、天然气对现代社会发展可以说是血液和空气，所以对于油气的勘探开发更是不容停滞。油气在海洋领域的开采发展过程是从浅水逐渐向着不断深水的方向进行的。目前，全球石油行业开发成长的大趋势是朝着深水方向进行。一般“深水”的定义是水深超过五百米水文环境。这几年全球大约有接近50%的可观资源的发现是来自于深水环境。但是海洋油气的勘探开发技术难度和投入成本因为极其复杂的深水环境地质条件是与水深的增加呈好几倍的正比关系。我国大约拥有的1.8万千米大陆岸线，地处太平洋西岸，海洋中拥有6900多个面积大于500平方米的岛屿以及38万平方千米的内水以及领海面积。《联合国海洋法公约》中明确约定了我国拥有面积约达300多万平方千米的海洋领域管辖权。中国是能源消费大国，如若想要实现可持续发展，其中面临的重要问题之一便是油气供应的安全问题，那么在受到增长过于缓慢的陆地石油生产和海外石油引进政策等的诸多限制的情况下，海洋便成为了唯一有前景的出路。早在2004年IEA（国际能源署）就对我国进口石油依赖度做了预测，当时推测我国进口石油依赖度将在2030达到74%，石油进口量会达到100万桶/天，然而才至2012年，我国进口石油依赖度就达到了75%，将IEA的预测整整提前了18年。中国南海的油气资源的含量在全球范围内可谓数一数二，正是因其拥有极为可观的油气资源，成为石油勘探的又一重点对象，而其中深水区所蕴藏的油气资源达到70%。发展至今，中国拥有了全球领先水平的浅海区域油气开采的技术，但是国外在深水区方面的先进技术装备仍然一定程度上领先我国。十八大报告里直接点明“海洋强国”就1 华南理工大学硕士学位论文是我国现阶段建设的重要目标，而接下来的十九大报告相比十八大进而要求了“加快建设海洋强国”这一行动力。海洋产业能够得以强力发展，这对于将中国从海洋经济大国转变到海洋经济强国具有重要意义，它是保持国家经济不断蓬勃发展的强有动力，是实现全球化经济的重要布局。《中国制造2025》是在中国在现阶段充分意识到必须要大力发展海工装备和高技术类船舶的重要意义下应运而生的，战略规划中明确提出，“经略海洋，必须装备先行”，未来十年海洋工程装备的发展方向与重点之一在于有关海洋油气资源的勘探开发装备。海工技术提升的脚步不容迟缓，将自升式平台、半潜式平台、钻井船以及浮式生产储卸装置（FPSO）等把握着油气资源开发能力的海工装备的技术水平作为提升的关键；努力增强与海洋工程密切相关的有关定位、钻井、水下管道等专用设备的研究制造能力，将液化天然气浮式生产储卸装置（LNG-FPSO）、深吃水立柱式平台（SPAR）、张力腿平台（TLP）以及浮式钻井生产储卸装置（FDPSO）等新兴装备[1]的研究开发能力作为大力发展的目标，使之具备产业化能力。2017年5月，由国家发改委和海洋局联合下发的《全国海洋经济发展“十三五”规划》中明确指出，要主动适应并引领海洋经济发展的新常态，树立海洋经济的全球布局观，稳步推进油气资源开发，将高端船舶以及相应各种装备制造业快速成长壮大起来。种种可见，目前中国已经将繁荣海洋及相关产业经济作为推动国民经济发展的重要引擎，不断推动海洋产业的发展并加大海工装备领域的投入正如火如荼的进行着。全球正逐渐将海洋放在国家未来战略发展上越来越重要的位置，海洋工程装备技术的大力发展也是世界各国不断努力的方向。如今已经进入了海洋工程技术的新纪元，降低海上油气开采的单位成本、不断提高海上油气的开发效能是当今各国研究者研发、应用创新技术的最大追求，所以对于海洋工程装备的研究是大势所趋。大多数海洋工程装备需要长时间的离岸开展勘探、钻井等作业，海洋钻井平台便是典型的海洋工程装备之一。如今海洋工程装备早就已经重点列入了高端制造业，响应国家“十二五”规划的推动，使之成为了国家战略性新兴产业的一个重要部分。半潜平台无论是在科技含量、成本投入还是风险方面都有非常高的比例，作为海洋工程装备那颗皇冠上明珠，半潜平台长久以来都是世界各国海工制造商的重点关注对象。瞬息万变不确定的海洋环境使得海洋平台将有可能遭受诸如风、海浪、海流以及海啸等海洋环境载荷的作用，海洋平台将会在这样的环境载荷与自身重力的作用下发生一种在其平衡位置周围做周期性振荡的摇荡运动。如果环境载荷过于恶劣，摇荡运动剧烈的情况下，将会使得海洋平台在其适[2]用性甚至于安全性方面产生一系列糟糕的影响。2 第一章绪论除此之外，为了能够精准的对平台工作进行定位，在平台遭遇一定的环境载荷时能够在安全的范围内工作，就必须要设计合适而完善的系泊系统来最大限度的保证海洋平台在工作中的适用性与安全性。随着勘探技术向深海领域的持续创新和进步，对海上结构物的设计制造的核心技术、其在海洋环境中的响应预报以及定位系统设计的掌握更是[3]十分必要。1.2半潜平台的发展海上油气装备体系中海洋平台具有十分重要的地位，其关键技术是否先进是主要体现在其工作的深度上，海洋平台基本分类及几种常见的海洋平台分别如图1-1，图1-2所示。图1-1海洋平台分类3 华南理工大学硕士学位论文图1-2常见的海洋平台深海油气资源的开发利用进程一直在稳步前进着，20世纪60年代在全球各国学者专家的努力下，坐底式平台经过不断发展出现了一种新型的油气开采海工产品——半潜式海洋钻井平台。常见的半潜式海洋平台主要有甲板、立柱和水下浮体三大结构，在立柱间通常会设置横撑作为浮体间的连接支撑。通常为了减小波浪对半潜平台的作用力以及气隙效应等，要保证平台工作时其甲板离水面有适宜距离。而半潜式海洋平台的主要浮力通过由水面以下的两个浮体提供，这样的在水线面处只有立柱的结构能够有效地减小平台水线面面积并能有效降低其在工作时遭受的阻力，对于作业于深海环境时将具备[4]优越的适应性。自1970年代发展至今，半潜式海洋钻井平台已经经历了6代，如今，[5]早已经成为深海平台的主要形式。从技术特点方面来看，半潜平台的钻井深度早已从从前的不到6000米发展到了今天的10000米以上；其可变载荷已经从从前不到2000吨达到了今天的7000吨以上（而当代钻井船可变载荷已经可以达到23000吨）；钻机绞车的功率已从3000hp迅速发展到4000hp、4500hp、5000hp、6000hp甚至7200hp。新技术的运用，各类技术指数、标准的持续升级，这预示现代超深水钻井平台将工作于以前从未抵达的深度，将会带来更大的成效，甚至可以克服部分像从前必须要靠庞大辅助船队才能拥有的功能或巨大的储油能力这样的缺陷，此类种种对降低深水油气开采的单位成本是极为有利的，半潜平台的历史发展过程见表1-1。4 第一章绪论表1-1六代半潜式平台的发展半潜式平台建造年份作业水深定位方式主要特点代表平台结构形式不20世纪60年蓝水一号、第一代70-300m锚泊定位合理，自动化代OceanDriller程度低结构形式趋20世纪70年勘探三号、南第二代200-1000m锚泊定位于合理，自动代海二号化程度低20世纪80年与二代无明勘探四号、南第三代370-2000m锚泊定位代显差异海五号结构形式较锚泊定位为南海九号、20世纪90年合理，设备自第四代450-2800主，推进器辅Ocean代动化程度有助定位Valiant提高动力定位为二十一世纪结构区域大Deepwater第五代1200-3050m主，锚泊定位至今型化、简单化Nautilus为辅结构形式更优化，自动海洋石油先进的动力第六代2010年至今610-3700m化、效率和安981、定位系统全性能显著Scarabco提高不同的海域环境中需要的钻井平台类型各不一样，此外海上油气开采的大发展方向是走向深海，因而代表着“浅海平台”固定式钻井平台在社会发展过程中市场前景愈下，正在逐渐从历史舞台中退场。当代移动式平台发展的主流是自升式（jackup）、半潜式（semi-subs）以及钻井船（drillship），这中的自升式平台工作于浅水，因而在将来海上油气市场直击深海的大趋势下，半潜式平台及钻井船必将成为海上油气市场闪耀的明日之星。具有“第二个波斯湾”之称的南海丰富资源的发现，极大促进了我国对于深水、超深水海洋资源开发的迫切需求。半潜式海洋平台因其抗风浪能力强、甲板可变载荷大、5 华南理工大学硕士学位论文具备长时间的自持力、水线面面积小等诸多优点，所以在有关深水海洋资源的勘探开发中具有广阔的应用市场。海洋平台在遇到不利的风浪等海洋环境情况时无法主动规避，并且海洋平台在海洋环境中进行勘探、钻井等作业时为了保证其基本的安全性、适居性等，也就是需要控制其具备低幅运动的特性，应用合适的定位系统为海洋平台创造一个良好的工作环境显得尤为重要，常见的定位形式包括单点、多点系泊以及动力定位等，而动力定位的成本极高，系泊定位方式因为其容易维护和修理并具有良好的经济性能，甚至依然会应用于各种动力定位系统中进行辅助定位。因此，开展有关半潜式海洋平台的水动力性能以及系泊系统的计算研究在整个海洋平台设计应用中具有重要意义。1.3系泊定位系统的发展半潜平台在随机的海洋环境中进行长期工作时，需要配套合适的定位系统才能适应工作需要进行精准定位以及保证半潜平台在风浪流等外界环境力的联合作用下依然能处于正常安全的工作状态，所以设计一款具有良好的工作性能的定位系统至关重要。[6]现如今主流的定位系统大多划分为系泊定位和动力定位两类方式。传统的定位系统比起动力定位系统来说施工更为方便，并且成本低、可靠度也高，因而广泛应用于实际海上工程。1.3.1重力式系泊重力式系泊一般也就是我们一般意义上所说的悬链线式系泊，通常是利用钢链、索两端将海洋结构物与海底相连接，钢链是自由悬挂在海水中的。通常多点悬链线系泊包括多条系泊缆索以及相应固结于海底的锚设备，对于海洋结构物在水中的定位是通过悬链线本身的重力所产生的回复力来实现，在这样的结构下平台也能在一定的控制范围内移动工作。当平台在环境力的作用下产生位移，系泊系统悬链线的形状必然会发生变化，有的系泊缆绷紧而有的系泊缆更为松弛，系泊力的值在平台水平运动幅值加大时也就相应增加。浅水环境中重力式系泊结构的应用非常普遍，一般都用于小于1000m水深的海洋环境。在水深不断加深时，系泊系统的系泊半径会加速变大，海洋结构物与悬链线间的夹角也会增大，将会减小缆索在水平方向产生的拉力，对于海洋结构物回复力方面的要求将难以满足，其遭受的载荷也会迅速变大，这样就会降低在安全范围内海洋结构物所最大能承受的可变载荷。因此在进行深水作业的时候一般不采用这种系泊方式。6 第一章绪论1.3.2半张紧式系泊发展至今半张紧式系泊形式大多时候运用于深水平台的定位上，不同于传统悬链线式，系泊缆索的结构设计为三段式，中间段为钢缆或者聚酯纤维缆，既有效减小了缆索自重，又能让系泊缆索在本身自重条件下呈现自然悬垂的状态。半张紧式这样的系泊形式除了能够依靠系泊缆的拉伸提供一部分的系泊力以外，比起重力式系泊来说还极大程度的减轻了系泊缆的重量，半张紧式系泊系统占地面积小、安装方便而系泊刚度又好，[7]综合考虑来说半张紧系泊的经济性良好。1.3.3张紧式系泊最早是上世纪八十年代的时候，张紧式系泊就已首次应用于TLP平台和Spar平台上，和重力式的悬链线系泊有很大的不同，首先从系泊缆材料上来看，与悬链线系泊不同，一般采用的是钢制锚链或者是钢丝绳作为张紧式系泊缆索两端的材料，采用轻质量、耐腐蚀、高破断力（强度）的聚酯缆等类似合成纤维作为中间段材料，这样的材料主要[8]是由本身的轴向变形来提供平台需要的回复力。从系泊缆形状上来看，呈现着近乎直线的张紧式系泊系统，是由于密度与海水密度相当的聚酯纤维等合成材料，水中的湿重较小，这样系泊缆在海水中就可以接近完全张紧状态，其通过自身系泊缆绷紧所产生的巨大张力，将水面的海洋结构物同固结于海底的锚设备相连，比起悬链线系统来说其定位能力也有了相当大的提高。张紧式系泊系统[9]系泊缆与海底的接触角通常在30°~45°之间，也就是深水环境中半潜式平台在导缆孔处与系泊缆索夹角最好选择在45°~50°之间。1997年巴西某石油集团第一次于工作水深可至1420m的FPSO上运用锚链与聚酯合成纤维缆相组合的悬链线式系泊方式，聚酯缆材料的悬链线系泊大大减小了系泊缆对[10]结构物向下的拉力。到1999年，初次在一作业水深1500m的半潜式钻井平台的其中一根系泊缆索上采用了长1067m的聚酯合成纤维，历经一个多月的工作后检测，该合成纤维缆仍然能够保持着初始刚度和模量，也就是说，这种聚酯材料的系泊缆具有良好的[11]系泊特性。多点系泊系统是大多水深超过1000m的深海平台都会应用的系泊方式，这种情况下，若是重力式悬链线系泊就会由于水深的增大而使得其水中系泊缆的重量大幅度增大，系泊缆与海底的夹角减小，结构物导缆孔处的系泊缆索张力倾角必然加大，使得系7 华南理工大学硕士学位论文泊半径大幅增加，这样就会大大提高海洋结构物与周遭的海底输油管或其他结构物甚至是来往的船只发生碰撞的几率。而系泊缆在水中悬垂的长度过长，海洋结构物水平方向的回复力减小，遭受的垂向载荷过大而使得结构物的甲板装载量大幅度减小。诸多弊端使得悬链线系泊在深水环境中的应用受到很大的限制。而对于张紧式系泊系统来说，其系泊缆的质量大大降低，减小的结构物的吃水体积，就可以使结构物拥有更多的甲板装载量，这样对降低结构物的建造成本以及海洋环境中的浪、流等载荷对其作用力极为有利；减小系泊缆的张力倾角可以使平台拥有更强大的水平回复力，给减小海洋结构物在外部环境载荷作用时产生的动力响应的水平偏移量以及系泊缆的长度和弯曲方面的应力带来很大优势；而能够大幅度减小系泊系统的半径，就能使系泊缆索与周遭其他结构[12][13]物发生干预、碰撞的风险得到大幅缓解。总而言之，无论是在可行性方面还是在经济性方面，张紧式系泊在深水系泊领域得到了普遍的实际应用与发展。1.4国内外研究现状南海因其丰富资源素有“小波斯湾”的美誉，恰因如此我国海上油气将来发展的焦点必定会集中于南海。恶劣的海况、复杂的海底环境造就了一个与从前渤海湾大相径庭的海洋作业环境，那么海上油气装备应当怎样发展才能在新环境中安全作业，这便需要对海上油气的开发装备进行新一轮的、深刻的研究，怎样达到新标准也是中国将来海上油气装备发展的重点。有关海洋平台的水动力性能研究及其系泊方案的设计分析，发展至今已经出现了许多成熟的相关研究。[14]杨玥，蒋安基于三维势流理论研究了有关半潜式平台的主尺度不同对平台遭受的[15]波浪载荷的变化特点，为平台主尺度选型提供参考。Lemez和Atlar用实验的方式进行了有关Morison方程以及势流理论的对比分析，得出这两种分析方式的结果在主要的[16]波频范围内能很好的符合，但是在低频范围内则出现较大差别。Clauss等人采用势流理论对半潜式海洋平台进行频域分析，考虑到细长杆在流体中的粘性作用，用Morison方程对其开展粘性修正，比较分析了频域、时域的响应结果、考虑非线性波后的时域结[17]果与试验结果之间的差异，充分证实了其分析方法的可靠性。徐刚等人在时域环境中分析半潜式海洋平台的波浪绕射问题利用的是Rankine源的边界元法。李红涛，邓贤锋[26]对设计波的一系列理论方法进行了深入的研究，并根据DNV船级社规范建议的六个8 第一章绪论典型载荷工况来分析在考虑半潜式平台的整体结构设计时应该计及的波浪载荷。[18]陈新权等人对比分析了张紧式以及悬链线式两种系泊方式的系泊缆受力规律，结[19]果显示两种方式系泊缆的受力对水深的响应完全不同。Voogt等人在时域环境内建立了海洋结构物的全耦合数值模型对系泊缆索在深水环境中作业时拥有的阻力系数进行[20]研究。Arcandra等人在时域环境中建立了FPSO及其立管系统和系泊系统的耦合模型，采用动力分析的方法模拟实际海洋中环境力作用下整个系统产生的响应情况，并开展相[21]应的模型试验。LeCunff等人在频域环境内利用有限元的方法对系泊缆索进行研究，把系泊缆索和结构物的连接看成是节点，然后计算当遭受到一阶波浪力作用时整个系统[22]的响应结果。Roveri等人研究了有关平台、系泊以及立管这三部分互相耦合的整体分[23]析数值模型。牛淑贞等人研究了对系泊缆索的动力响应产生作用的系泊缆索的长度、[24]系泊缆索的直径以及其预张力的倾角等参数。由际昆等人先是详细阐述了常规进行系泊方案设计时的方式方法，然后基于弹性杆理论，就所设计的系泊系统采用非线性的有[25]限元法对张紧式系泊系统展开动力分析。赵晶瑞等人建立系泊缆的静力模型是根据集中质量法，计算结果显示系泊缆索在张力作用下的变形与结构物和海流的速度有很大关系，并得出系泊缆索在海底段的钢链材料要留有200m左右以上的长度。[27]T.H.J.Bunnik等人将数值模拟的结果与进行的模型试验结果相结合来进行平台以及系泊系统的耦合研究。将试验得到的系泊缆张力曲线的试验结果作为数值模拟的输入条件，线性求解平台的运动方程，计算系泊系统与平台间相互的非线性耦合运动，想要获得更实际的预测系泊缆索的受力变化曲线只有跳出静力的方法转为使用动力方法。此[28]外，Low等人也基于几何非线性原理在时域和频域范围内对平台及系泊系统间的耦合运动进行了计算。系泊系统方面的发展在科研和实际工程中一直在不断地深入着。[29]T.M.Smith等人对对称分布的系泊系统进行了研究，研究了各个浪向下系泊缆的不同布置角度将如何影响平台的回复力性能，结论展示了在40~60°的浪向下，系泊缆的[30]布置角度在35~60°的区间内能够产生最优的回复力性能。童波，杨建民研究了影响系泊缆动力响应的有关平台悬链线系泊系统系泊缆的长度、横截面积以及预张力倾角[31]等。Connell忽略系泊缆在海水中收到的流体水动力作用，假定预张力的作用下系泊缆索展现出完全柔性，不考虑弯矩以及剪力的作用，展开了有关张紧式系泊系统分别在静[32]力作用和动力作用时的分析方法的研究。Hong在频域环境中展开张紧式系泊系统的[33]动力响应研究，说明了系泊缆索的张力可以表示为静张力加上随机动张力。陈新权9 华南理工大学硕士学位论文研究了半潜平台在初步设计时所要考虑的一系列问题，在其水动力参数的计算方面主要应用二维切片的理论方法，对于平台参数的优化利用多目标优化的遗传算法进行分析，[34]研究不同系泊系统的参数将如何影响其回复力。2011年，陈新权、谭家华针对某一深水半潜平台阐述了有关张紧式系泊设计的研究方法，并应用静力分析来对比研究张紧式系泊与悬链线式系泊的系泊缆张力，结果显示两种系泊形式的受力与水深变化之间的[35]规律全然不同。周素莲等人在时域内研究了对于半潜平台，系泊缆数量的不同造成的其系泊缆索响应结果的差异，结论发现常规的8根锚链和12根锚链都能满足安全要求，虽然12根锚链的布置方式要比8根稍好，但综合经济性等来看，选择8根锚链更加适[36]宜。王宏伟等人采用三类拥有不一样轴向刚度的合成纤维材料来设计一工作水深1500m的深水半潜钻井平台的系泊方案，通过对比分析这些系泊方案在平台响应、系泊缆索受力和成本及经济效益方面带来的影响，最终认定最为合适该平台的安全作业要求[37]的系泊缆材料是polyesterPET。罗宁，张浩等人将提升锚泊系统收放的时效性作为目标，利用锚泊系统的设计参数，在ANSYS-AQWA里建立水动力模型进行优化分析，最终得到多段式锚泊系统锚链与钢缆的最佳配比，明显提升了锚泊系统的收放速度，对平台的可变载荷方面也有所下降。1.5本文研究背景及主要工作本文根据各国学者前辈对半潜式海洋钻井平台的水动力性能分析以及不同系泊方案的响应研究的成果，针对在服务周期的研究对象开展了一系列有关水动力参数的影响研究、典型工况下所遭受的波浪载荷参数研究、适于深海的张紧式系泊方案的研究，并就相同设计规则的悬链式系泊在保持同等预张力情况下与张紧式系泊展开比较分析，此外再就单根系泊缆破断丧失效应的情形下，研究对象的响应该发生如何变化进行分析。本文主要工作为：按照我国某在服务周期内的半潜式海洋钻井平台的相关参数并结合具体海况建立了该平台有限元壳模型，进行该半潜平台的频域环境中的相关载荷、参数的计算研究，得到平台在不同浪向以及不同频率下的响应函数RAO等水动力参数数据库，并在此基础之上进行该目标平台的张紧式系泊系统的设计研究，并与同等预张力条件下的悬链线式系泊作了比较分析，主要从系泊系统系泊缆的强度及其定位性能两方面来考量所设计的系泊系统的工作能力，得出张紧式系泊系统更适合深水环境的结论。具体分列如下：1）半潜式海洋钻井平台在频域环境内的数值模拟计算主要是为了得到频域内的各10 第一章绪论水动力数值组成的数据库，在三维势流理论的基础上，计算分析各个频率下的附加质量、辐射阻尼、以及不同浪向时运动响应传递函数（RAO）等水动力参数随频率变化的规律。2）利用随机性设计波法，计算了钻井平台在几种典型工况下所遭受的波浪载荷，确定在平台最危险状态下入射波浪载荷的各个参数，得到半潜式海洋钻井平台湿表面所遭受的压力分布以及相应的波浪应力的情况。3）在频域计算的基础之上进行平台系泊系统的设计，考虑深海环境进行三段式张紧式系泊系统设计，并研究半潜平台应用该系泊系统时一系列的受力响应、运动响应以及系泊缆索的张力响应等。4）进行南海百年一遇生存海况的实际海洋环境的模拟，通过就该半潜钻井平台进行在该海况下的运动响应时域耦合模拟计算，获得不同海况下半潜式海洋平台的运动特征响应情况和所设计的张紧式系泊方式中系泊缆的响应情况。并与相同设计规则的悬链线式系泊在同等预张力的情况下进行运动响应等的比较，考虑校验所设计的系泊方案的工作性能主要在于系泊缆索的强度以及定位性能两点，此外还进行了深海海况下张紧式系泊的可行性分析。5）考虑极限海况下，单根系泊缆断裂时，平台的运动幅值以及系泊缆的响应情况，并与完整系泊对比分析。11 华南理工大学硕士学位论文第二章海洋环境载荷及响应分析理论2.1三维势流理论2.1.1坐标系在开展半潜平台的数值模拟以及理论分析之前，为刚体的运动规律以及水动力速度势等问题的求解方便，需要明确半潜平台进行坐标系的建立。本文开始分析平台水动力时首先将建立两个坐标系也即是全局坐标系和随体坐标系。1）全局坐标系：也即固定坐标系（FixedReferenceAxes，FRA），建立在水平面，将坐标原点设置于海水自由面，沿平台浮体长度方向并指向平台艏部的是x轴，沿着平台浮体宽度方向并指向平台左舷的是y轴，与海水自由面垂直并指向上的是z轴。2）随体坐标系：也即局部坐标系（LocalSystemAxes，LSA），建立在需要求解的半潜平台上，将坐标原点定义于平台的重心，其坐标轴同FRA坐标系的坐标轴同向并且平行。Zz自由面Y重心yGXx图2.1水动力分析坐标系在波浪作用下半潜式海洋平台将产生6个自由度的运动，局部坐标系下用(i1,2,,6)来表示其在不同方向上的运动：i=平台纵荡（surge）：平台x轴（平台长度）方向的运动；1=平台横荡（sway）：平台y轴（平台宽度）方向的运动；2=平台垂荡（heave）：平台z轴（垂直静水面）方向的运动；312 第二章海洋环境载荷及响应分析理论=平台横摇（roll）：平台绕x轴方向的运动；4=平台纵摇（pitch）：平台绕y轴方向的运动；5=平台艏摇（yaw）：平台绕z轴方向的运动。62.1.2速度势求解重力场中重力是仅有的作用外力（回复力），如若在重力场中处于平衡状态的自由面遭受到某一种外来的扰动作用力时，在外力作用下流体自由表面的每一个质点将会偏离其本来所处的平衡稳定位置，然而重力作用会使得流体存在一个回到起始平衡位置状态的势头，而惯性力又会将其继续偏离，于是我们就会看到流体质点出现一种可以称之为振荡的运动，这样的振荡运动经过循环往复的发展，并沿着整个自由表面通过波的形式传播开来，因而便形成了波浪的运动。开展在波浪中海洋浮体所遭受的波浪载荷研究发展至今，主流的方法是在三维势流理论的基础上进行计算分析。在波浪传播时，液体粘滞性所产生的阻尼作用的影响很小，所以在采用三维势流理论来对大多数的波浪问题进行分析研究时，都会有几个假设：1）理想流体，即为无粘性、不可压缩的均匀流体；2）在重力场中处于静止状态，无旋；3）不考虑流体的表面张力。按照以上假设，若重力场中的理想流体在起始时刻的状态静止，那么流场内任一密闭的曲线上的速度环量也必是零，由环量守恒定理可以推断，若流体一开始就作无旋运动的话，此后的任一的时间点也都将做无旋运动。故发展于流体表面的这种波浪运动就是一种无旋有势运动，其存在的速度势xyzt,,,可以按照式2-1来表达。速度势xyzt,,,符合Laplace方程：xyt(,)x022220Ry:(2-1)222xyzdxy(,)z(,,)xytLaplace除了要方程式本身外，其求解区域还与时间t有关，引入以下几个边界条件来唯一确定速度势xyzt,,,：1）海底边界条件13 华南理工大学硕士学位论文海底的流体质点穿不过固面边界，需要继续运动时只可顺着固面边界的切向，也就是说海底运动的流体质点在固面边界的垂直方向上拥有零速度。那么如若海底为水平面，法向方向就是z轴的方向，即：u0,zd(2-2)zz2）自由表面边界条件：2gz0,0(2-3)2tz3）物面边界条件：U(2-4)nn4）无穷远处边界条件limrik0(2-5)Rr22其中，r是径向距离，rxy；k是波浪波数。按照小振幅波（线性波）理论假设，将海底看作水平固界，水中流体质点的运动速[38]度迟缓，并且对比于波浪波长来说，波浪的波幅是无穷小的。Haskind提出，对于大尺度结构物，波动场内任意一点在遭到结构物运动而产生的扰动后，其总速度势[39]xyzt,,,可以假设通过三个部分的速度势进行线性加和而得，即分别是波浪未受扰动时入射波浪导致的入射势，水中结构物静止时入射波发生绕射效应的绕射势ID以及由于结构物的运动而使得流体运动发生辐射势。Rxyzt,,,Ixyzt,,,Dxyzt,,,Rxyzt,,,(2-6)在线性理论的分析中，假设波浪的运动是规则的简谐运动，按照简谐运动的机理便可提出时间变量，将表示为时间因子与空间速度势的乘积见式2-7：itxyzt,,,xyze,,(2-7)itIxyz,,Dxyz,,Rxyz,,e其中，是波浪运动的角频率，xyz,,是复速度势，也即是空间速度势，其与时间无关。14 第二章海洋环境载荷及响应分析理论2.1.2.1入射波速度势入射波浪的速度势可以按照下式2-8来求得：gHchkz()dikx(cosysin)Ixyz,,e(2-8)2chkd其中，g为重力加速度；H为波浪波高；为波浪角频率；k为波浪波数；d为水深；为波浪的浪向角。2.1.2.2辐射速度势海洋结构物在流体自由面做简谐摇荡运动时，结构物的运动会对流体产生辐射势的作用，此时辐射势可以表示为：ix(2-9)RjRj其中，x是海洋浮体在j方向的运动位移；是由于单位振幅的影响，海洋浮体jRj于j方向上产生辐射势。求解(,,)xyz需要满足的边界条件：RjLaplace方程：20(2-10)Rj自由表面边界条件：2Rj0,z0(2-11)Rzgj2kthkd(2-12)g物面边界条件：RjU(2-13)nnj海底边界条件：Rj0,zd(2-14)z无穷远处Sommerfeld辐射条件：15 华南理工大学硕士学位论文limrRjik0R(2-15)Rrj其中，U表示海洋结构物j方向运动时，其湿表面的法线方向的速度。nj2.1.2.3绕射势入射波浪产生的绕射速度势是由于海洋浮体的存在而对海洋中的波浪场产生扰D动，其定解条件和入射势相同。利用Haskind关系式，可以利用入射势及辐射势IIR来表示波浪的绕射势，如式2-20：DRDIndSdSdSdS(2-16)DDRRnnnBBBB2.1.3三维源分布法（边界元法）求解波浪力在势流运动这样的假设条件下，非定常流动的流体满足Bernoulli定理，即：1p()()gz0(2-17)t2那么，将上述速度势线性叠加起来，即可唯一确定的势函数xyzt,,,，将xyzt,,,带入Bernoulli方程来获得分布于海洋浮体湿表面的波浪压强，最后再沿海洋结构物湿表面进行积分进而得到海洋结构物的受力情况。倘若不考虑静水压力gz，可以将海洋结构物表面各点波浪作用产生的压强表示为：ititPReieRe(iIDR)e(2-18)t以此就能够积分求得海洋浮体湿表面所受到的总的波浪载荷以及总的波浪力矩：itFRe(iIDR)endS(2-19)BitMRe(iIDR)e(rndS)(2-20)B其中，海洋结构物的湿表面上一点的单位外法向量是n；而海洋结构物的湿表面上一点到确定力矩那一点的径向向量是r。16 第二章海洋环境载荷及响应分析理论对于像半潜平台这样的并不规则大尺度结构物，其波浪力的求解难点在于如何解决其绕射势和辐射势问题（这里将绕射势和辐射势统称为散射势），用上一节的方DRS法难以解决，实际海洋工程领域通常用汇源分布法来求解。三维源分布法的原理是将海洋中浮体的湿表面Sxyz(,,)0上的任意一点都当作是波源，若其湿表面上的具有单位强度的点波源N(,,)存在，则这个N点将对波动场中的一点qxyz(,,)引起一个扰动势Gxyz(,,;,,)。假设N(,,)的源强度分布函数为f(,,)，并且其分布在海洋浮体的湿表面上不间断，那么可以海洋浮体湿表面上全部的N(,,)所导致qxyz(,,)产生的势源的叠加就是流体中某一点的散射势(,,)xyz。S1S(,,)xyzf(,,)(,,;,,)GxyzdS(2-21)4先求出分布函数f(,,)以及格林函数Gxyz(,,;,,)是获得波浪的散射势(,,)xyz的必要基础。S2.1.3.1格林函数由格林函数定理可有：11Gxyz(,,;,,)rr12d()ecosh[(d)]cosh[(zd)]2..PVJ(rd)(2-22)0sinh(dd)cosh()022(k)cosh[(kd)]cosh[(kzd)]2iJkr()220()kd2P.V.为Cauchy积分主值；gktanhkd；J为零阶第一类贝塞尔函数；022122212是方程tan(d)0的正根，r[(x)(y)]；r1[r(z)]；2212r[r(z2)]d2。2.1.3.2源强分布函数进行源强分布函数f(,,)的求解可以采用第二类Fredholm积分方程，也就是说17 华南理工大学硕士学位论文只要计算出入射势以及格林函数Gxyz(,,;,,)即可：I11Gxyz(,,;,,)Ifxyz(,,)f(,,)dS(2-23)nn24BIIIInnn(2-24)xyznxyz2.2频域分析理论2.2.1水动力参数2.2.1.1附加质量和辐射阻尼利用Green格林函数求解海洋结构物摇荡产生的速度势以后，便可求得该海洋结构物的附加质量及辐射阻尼。通常船舶海洋工程结构物的附加质量与物体自身质量的量阶是相同的，特别在建立结构物的摇摆和回转这种非定常运动的运动方程的时候，附加质量的影响不容忽略。半潜平台在静止的流体中作加速运动的时候，会受到流体对其作用，也就是附加惯性力（addedinteriaforce），其等于附加质量（addedmass）乘以平台的运动加速度。附加质量与浮体的形状（n）、运动方向（）以及流体密度（）有关，是一个6阶对称矩ji阵：jmdS(ndS)(ndS)jiiijijnBBB2()dV()dV(2-25)ijijijVV()dVmijijV同理有辐射阻尼f也是一个6636矩阵，辐射阻尼与浮体摇荡的速度成正比ij关系。但是对于这两种6阶矩阵，只有它们的主对角线上的6个值才对半潜式海洋平台起到关键作用，分别用m和f分别来表示这关键的6个值，jj11,22,33分别表示jjjj的是半潜平台纵荡、横荡以及垂荡这三个方向上的系数，jj44,55,66分别表示的是半潜平台的横摇、纵摇以及艏摇这三个角运动方向的惯性矩系数。根据线性化的伯努利方程，忽略速度平方项，海洋结构物的辐射力可以表示为：18 第二章海洋环境载荷及响应分析理论FjiPndSijiiixndSj(2-26)SS这里的i，j代表海洋结构物在i方向做加速运动的时候，于j方向上产生的辐射力。ReIm将jjij带入上式，可得：ImReFxndSixndSjiiijiij(2-27)SS(2)(1)FAxCx(2-28)jijiijiiImRe其中，AjiindSj为附加质量；CjiindSj为辐射阻尼。SS2.2.1.2幅值响应算子RAO运用线性理论的方法在频域环境中分析时假设存在了一个线性的响应系统，也就是说令一阶线性的波浪力作用于海洋平台所产生的响应是一系列变化不大的稳值，在这样的系统下得到的输出结果是海洋平台的运动结果。而海洋工程中常常用运动响应传递函数RAO来表示这种运动响应的结果，RAO的意义可以用式2-37来表示：RAO/(2-29)i其中，是i方向上海洋结构物的运动响应；为入射波的波幅。水深超过10Di时，水深对半潜平台水动力特性的影响可以忽略，水深的变化对半潜平台水动力的影响[40]更多的体现在平台的垂直方向的运动响应上以及低频范围内。2.2.2波浪力一阶波浪力作用在海洋结构物上会引起海洋结构物产生一个与波浪频率相等的的波频振荡，但是对于有定位系统的海洋结构物，除了一阶波浪力的作用外，其也会遭受长时间的二阶非线性波浪力的影响，虽然一阶波浪力在数量值上要比二阶的大得多，但是在二阶力的长时间作用下就会使海洋平台产生长周期大幅度的缓慢漂移，相对不规则波浪的特征频率来说，海洋平台在规则波浪的作用下产生这种漂移运动的频率要小得多，这种长期偏移平衡位置的漂移使得系泊系统容易遭遇破坏，亦或产生一个定常的横倾力矩使得平台产生固定倾斜，对平台的稳性不利，因此在进行海洋平台的系泊系统计算时，二阶波浪力是不容忽视的。19 华南理工大学硕士学位论文海洋结构物的二阶波浪力的分析计算主要来自于Bernoulli方程中的平方项，二阶速度势以及海洋结构物瞬时湿表面的变化。其主要成分包括：1）平均波浪漂移力：跟随着波浪的传播，有航速的海洋结构物将会遭受阻力，无航速的海洋结构物将会产生漂移。2）波浪慢漂力：半潜式海洋平台表面的波浪在时间周期内产生的是周期性变化且稳定的二阶力，即使这个力的数量级很小，但是由于拥有系泊系统的海洋平台在海平面运动时的固有频率也很低，而当这部分二阶波浪力的频率接近于拥有系泊定位的海洋平台的频率时就会及其容易发生共振现象，将不利于平台的作业。3）高频波浪力：波浪长时间作用在半潜式海洋平台呈现的是高频率的周期性变化，这样就会使得海洋平台结构容易产生高频率的振动的现象，随着时间的推移，海洋平台就极易出现疲劳损坏的现象，严重时将无法正常作业。主流上常用远场法或近场法来开展有关二阶平均波浪力的研究。其中远场法计算过程简单，通过动量和能量守恒定律只能求解二阶波浪来中的定常部分（二阶平均波浪力）的三个水平分量即纵荡、横荡、垂荡三个方向，但结果的收敛性较好。近场法的计算过程复杂，能综合考虑多个浮体间的相互作用力，通过对作用在海洋平台湿表面的瞬时水动压力进行压力积分后却能明确获得波浪载荷中各个组成成分的含义以及二阶波浪载荷在六个方向的分量，对二阶波浪载荷的解有一个全面的阐述，也即是在规则波浪中半潜平台遭受的平均二阶波浪力和在不规则波浪中半潜平台遭受的低频波浪慢漂力。由于半潜平台不是普通圆柱体那样的单个结构物，而是复杂的大尺度结构物，故数值计算时采用近场法进行计算。以下对近场法进行简单介绍：令海洋结构物的位置矢量为X:XxxHx(2-30)22()0023122其中H2()0；x为随体坐标系内的位置矢121322222()133221量；为海洋结构物的平动矢量；为海洋结构物的转动矢量。令N为海洋结构物湿表面的瞬时法向量，n为随体坐标系内结构物湿表面的法向量：20 第二章海洋环境载荷及响应分析理论NnnHn(2-31)故其遭受的瞬时压力在湿表面的分布可用下式表示：12P[(gzZ)(g(yx))()(x)0II3122(2-32)gHxz]二阶平均波浪力为：1(2)1222Fgn[(yx)](1n)dl31221(2-33)n((x))ds12122gA[xy()]Zk13ff231202其中，为一阶波浪波幅，A为水线面面积。2.2.3海洋平台的频域运动方程海洋平台在规则波浪的作用下的运动方程可用式2-42来表达：(2)(1)(1)[m()]x[D()]xKxq()(2-34)其中，m是海洋平台的质量矩阵；()是附加质量矩阵；D是线性阻尼矩阵；()(1)是辐射阻尼矩阵；K是回复力矩阵；x是平台的运动响应RAO；q()是海洋平台所遭受的单位波幅的波浪作用下的一阶波浪力。2.3典型工况波浪载荷计算理论海洋平台在进行其所遭受的波浪载荷分析时，需要先确定待考察的目标平台的波浪工况，从而可以得到结构物所处的危险工况是在哪一种波浪入射的状态下出现。对于典型的双浮体以及浮体间拥有水平横撑的半潜平台来说，DNV船级社的规范中给出了几[41]个可以初步描述有关半潜式海洋平台总体结构强度的典型工况来表达危险波浪载荷。因为需要以此来控制半潜平台的总体强度，所以选择的原则是将发生受力响应最大的波浪条件作为选择该半潜平台进行设计和校核时进行波浪力计算的极限波浪工况。半潜式海洋平台通常需要考虑以下几种典型工况：21 华南理工大学硕士学位论文图2-2DNV规定的几种典型波浪工况1）两浮体间的分离力半潜平台两个下浮体间的最大分离力通常是发生在横浪的时候，此时浪向角=90，波浪的波长通常是半潜平台两个下浮体舷侧外壁之间距离的2倍，波峰处在半潜平台的中部，而波谷对称分布在该平台双浮体两侧。如图，显然在这种波浪工况的情况下，遭遇的波浪载荷会使平台两浮体间的水平撑杆、主甲板以及立柱与平台上部分连接处等产生很大的浮体间轴向的分离力，这是值得引起重视的。图2-3平台浮体间分离力22 第二章海洋环境载荷及响应分析理论图2-4平台浮体间分离力2）两浮体间的纵向剪切力半潜式海洋平台两浮体间的纵向剪切力的最大值通常发生于波浪斜浪入射的时候，也即此时的浪向角在=30~60之间，入射波波浪的波长通常约为该半潜式海洋平台对角线的1.5倍，与浮体间分离力情况相反，此时入射波波浪的波峰位于半潜平台两侧，而波谷出现在半潜平台对角线中部，此时水平横撑承受的弯矩也最大。斜浪入射时除了引起纵向剪切力外还将引起两浮体间的横向分离力。图2-5平台浮体间纵向剪切力23 华南理工大学硕士学位论文图2-6平台浮体间纵向剪切力3）绕横轴扭矩半潜式海洋平台绕其水平横轴发生最大扭矩的时候通常出现于斜浪入射，也即浪向角为=45~60，入射波波长一般为半潜平台两浮体间的对角线距离，此时，入射波的波峰处在半潜平台对角线两端，而入射波的波谷处于半潜平台对角线的交点附近。在半潜平台的整体水动力响应中需要综合考虑多个浪向，因为斜浪的入射引起的扭矩使半潜平台横撑的轴向力出现最大，也会引起浮体间的分离力，而此时半潜平台的受力是这两种载荷综合作用的结果。图2-7平台绕横轴扭矩24 第二章海洋环境载荷及响应分析理论图2-8平台绕横轴扭矩4）下浮体垂向波浪弯矩一般来说半潜平台的两个下浮体与普通船舶相类似，其所受到的垂向波浪弯矩的最大值将发生于波浪顺浪或者迎浪的情况下，也即是浪向角为=0或=180的时候，波长约为或者略大于半潜平台下浮体长度。此时入射波的波浪状态可能出现两种，一种是入射波波峰位于平台浮体长度方向中间，而波谷对称位于浮体长度方向的两端；另一种情况是正相反，入射波的波峰对称分布于平台下浮体两端，波谷出现在浮体中央。图2-9平台浮体垂向波浪弯矩25 华南理工大学硕士学位论文2.4时域耦合理论2.4.1时域与频域的联系随机过程的谱分析就是指运动的随机过程从时域内经过某些规则而变换到频域内进行简化分析。非规则波的函数采用一个非周期函数ft()表示，则要求ft()满足ftdt()，ft()为时域内函数，F()为频率函数，时域过程ft()经过傅里叶变换可以得到频域过程F()。Cummins脉冲响应法的理念是将一系列瞬时的脉冲运动进行叠加[42]来表示结构物在任何时刻的运动，那么同样地，可以把结构物在任何时刻遭受的波浪载荷看作是一系列叠加过后的脉冲响应，这样就可以将频域计算的结果直接应用到时域计算中去，在保证结果的准确性的同时，将时域计算的问题简单化，大大减短时域环境中进行模拟计算所需的时间。那么分析ft()时可将其当做多个简谐波在频域范围内的叠加。傅里叶变换：itF()=fte()dt(2-35)-傅里叶逆变换：1itf()=Fte()d(2-36)2-2.4.2风载荷拥有丰富上层建筑的半潜钻井平台，水上的受风面积大，风载荷对于钻井平台的影响不容忽略，风载荷的大小应是时间与空间的函数，实际研究时可以采用风洞试验的方法来进行风载荷的精准测量计算，但成本很高，计算软件中为了模拟方便，表示风载荷的速度一般采用风载荷的速度在某一段时间中的平均值，在进行整个浮体系统运动响应时，将风载荷于半潜式海洋平台上作用的力以及其力矩视为恒定不变值。DNV规范规定，进行海洋结构物的风阻力计算时，采用海平面以上10m处的风载荷速度进行计算。2.4.2.1风速地面以上高度在100m以下位置的风载荷速度在垂直方向上的速度分布的变化的规26 第二章海洋环境载荷及响应分析理论律满足以下的对数规则：zlgVzZ0(2-37)V1010lgz0其中，V是水平面上z处的风载荷速度；V是标准高度10m处的风载荷速度；z表Z100示地表粗糙度，地表粗糙度越大其值越大，不同规范规定的z的参考值不同，我国海上0一般取z0.003m。0表2-1地表粗糙度参考地表类型海面空旷平坦地面城市大城市中心z/m0.001-0.010.01-0.10.1-0.50.5-2.00一般情况关于风载荷的计算，国内相关规范中有规定通常取时距10min作为标准。若在其他需要计算平均风速的情况下，需要将其他的时距转换成10min时距，按照下表进行转换：表2-2风速换算比值表时距1h10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时换算0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50比值平均风速的计算按照DNV规范，公式如式2-46：zth1V()zGFV(10)()(2-38)wtwt10t其中，Vz()为水面以上z处t时距时的平均风速；GF是阵风系数，表示在t时间段wt内的大观测风速比上小时风速的值，这里可以当t1min时，取GF1.18以及当1ht10min时，取GF1.06；V(10)是海平面10m处，时距为1h时的平均风速；wt0.10.5，这里取0.125。2.4.2.2风载荷作用力水上建筑物的存在使得风载遭遇水上建筑物的时候建筑物周围的气流速度和方向27 华南理工大学硕士学位论文都发生了改变，建筑物的不同位置上风载荷产生的动压力是不一样的，建筑物的迎风面上承受正面风压，建筑物的背风面上遭受负面风压。风载荷除了对浮体暴露在水面以上的上层建筑产生作用力外，还会扰动到水平面从而产生波和流，这需要查询较大海域的风场资料才能做出计算评估，本文将不考虑风载荷对海洋波和流的耦合关系。风载荷于半潜式海洋平台上的作用力和力矩可以按照式2-47和式2-48进行计算：12FCAV(2-39)winddwaw212MCAVL(2-40)winddwaw2其中，C是风载荷的阻力系数，考虑了上层建筑中比较大的平面结构，在这里取dw324C1；是空气的密度，温度20C时，1.22410KNsm，A是半潜平dwaa台暴露在水平面上部分的迎风面的投影面积；V是风载荷对半潜平台的相对速度；L是风载荷作用于半潜平台的作用位置距离其重心位置间的长度。2.4.3流载荷CCS在2005年出版的《海上移动平台入级建造规范》中建议，有关海流的设计流速可以用下式2-41来进行估算。hz0VVVV(),zh(2-41)CTSW0h0VVVz,h(2-42)CTS0在研究半潜式海洋平台在水中的运动时，相对于半潜平台来说，水中流体的运动是缓慢而又稳定的，一般在模拟计算时被当做只有定常水平速度的矢量，作用力为静拖曳力，将海流的运动流速视作沿着水深方向呈现线性递减，某一水深处的速度矢量的求解可以采用线性插值的方法。可用式2-43、式2-44来计算海流对半潜平台的拖曳力和力矩：12FCAV(2-43)currentdcwc228 第二章海洋环境载荷及响应分析理论12MCAVL(2-44)currentdcwc2其中，C是海流阻力系数，与雷诺数的变化大致成反比，因为半潜式海洋平台平dc台水下浮体是对称的结构，故取C1；是流体密度；A是半潜式海洋平台迎流面dcw的投影面积；V是海底以上某一个高度的海流速度值；L是流载荷在半潜平台上作用的位置距离平台重心的长度。2.4.4时域耦合响应理论2.4.4.1一阶波浪力一阶波浪力与结构物所遭受的波浪具有相同的频率，同波浪波高呈线性关系。按照2.4.1节中时域和频域之间的变换关系，通过Cummins脉冲响应，就可联系在频域环境内计算得到的不同浪向下所有频率的波浪力，并将其运用到时域的计算中来。设ht()为i脉冲响应，f()为频域计算中得到的一阶波浪力，脉冲响应ht()与频率响应f()互为iii[42]傅里叶变换，则：itf()=hte()dt(2-45)ii-1ith()=f()ed(2-46)ii2-即频域计算中得到整个频率范围内的频率响应一阶波浪力f()，傅里叶变换得到i(1)脉冲响应ht()，即可求解时域中的一阶波浪力Ft()：iit(1)F()=tht()()d(2-47)ii-其中，()为时刻的波形坐标。2.4.4.2二阶波浪慢漂力按照2.2节中所述，可以运用近场积分法得到半潜平台的平均波浪慢漂力二次的传递函数QTF，接着通过傅里叶Fourier变换就可求得二次脉冲响应函数g(,)：1229 华南理工大学硕士学位论文12(2)()iig(,)()G(,)e1122dd(2-48)ii1212122(2)G(,)P(,)iQ(,)(2-49)i121212,是时间间隔，P(,)，Q(,)是通过频域得到的二阶传递函数。121212二阶波浪漂移力随时间的变化过程在给定波浪时历()t的情况下可以由以下公式[43]计算得到：(2)F()tg(,)(t)(t)ddii12121200(2-50)2.4.4.2Jonswap波谱在时域分析中，多用半经验的关系式来进行时域设计波浪的形成模拟。按照DNV[41]规范中对于柱稳式平台的研究推荐，在进行工作区域是全球的半潜式平台的整体特征水动力响应的响应谱分析时，波浪谱的计算输入为JONSWAP波谱。JONSWAP波谱适用处于发展中的波浪，因其计及了在强风的作用下，处于发展状态的海域中的波浪能量流的不平衡性，其本质是属于增强了峰值的P-M波谱。JONSWAP波谱常用式见式2-51：pexp(0.5())S()AS()pJPM(2-51)552454其中，SH()=exp(())也就是P-M波谱；A=1-0.287ln()为PMSp164p正则化因子；为波浪的角频率；=2/T为谱峰角频率，T为谱峰周期；为无量ppp纲的谱峰形状系数；为谱峰宽度系数；H为有效波高。S2.4.4.3时域耦合运动方程浮式海洋结构物工作时，海洋结构物主体与其系泊系统在各种环境力作用下各自运动却又相互影响，那么展开相关研究时如果把他们独立看待难免过于狭隘，耦合分析就是要把他们整体看待，既要将海洋结构物本身对系泊系统的影响算在内，又要将系泊系统对结构物的影响考虑在内，然后求解一个全系统的运动方程。我国的海洋实力愈加让世界瞩目，这推动了深海平台的不断发展，在整个结构中系泊系统的地位不言而喻。发展至今，世界各国的学者工程师对于海洋结构物的时域耦合30 第二章海洋环境载荷及响应分析理论分析一直在深入研究，如今已经一步一步成形了一套综合考虑浮式结构物及其系泊系统[44][45][46]的耦合分析方法。将整个系统作为分析对象，在每一个时间步中采用动态时域[47]积分方法对其同时进行求解，迭代求解出此运动状态下的力学特征。这里假设半潜平台做正弦运动，综合考虑半潜平台所受各类外界载荷的情况，其时域运动方程如式2-52到式2-55：2dxdxdxdxdxMCDDf()K()x212dtdtdtdtdt(2-52)(1)(2)FFFFFwdwwcmMmA()(2-53)AA()()(2-54)AA(2-55)其中，M为频域内的质量矩阵；m为半潜平台的质量；A()为附加质量矩阵；C为dx辐射阻尼矩阵；D为线性阻尼矩阵；D为平方阻尼矩阵；f()为矢量函数，即可以有12dtdxdxdxdxf()ii；()i(1)iK为半潜平台的回复力刚度；x为位移矢量；Fw为一阶波浪dtdtdtdt(2)力；F为风载荷；F为二阶波浪力；F为流载荷；F为半潜式海洋平台系泊系统产wdwcm生的外力。摄动分析基本原理是将在波浪中运动作业的半潜式平台的运动看作是相互独(1)立的一阶高频微幅振荡运动和二阶低频大幅慢漂运动这两者的叠加，F为高频部分，w(2)F、F、F、F为低频部分。wdwcm在频域分析中建立了半潜平台的水动力数据库即可求得所需的水动力系数，并确定风、浪、流等外力，将频域分析中得出的波浪力加之Cummins脉冲理论，进而对半潜式海洋平台进行时域环境内的各项响应研究。2.5本章小结本章简要阐述了半潜平台在风、浪、流作用下，基于三维势流理论求解波浪载荷、典型工况下求解波浪载荷的原则以及频域环境中和时域环境内的各自研究理论。在三维势流理论分析中，定义了其所依据的坐标系，并阐述了速度势的求解方法进而求得波浪31 华南理工大学硕士学位论文力。接着频域环境中水动力的研究理论全面阐述了半潜式海洋平台的水动力各系数的计算原理以及频域内有关海洋平台运动方程，利用频域计算结果分析半潜平台进行设计和校核时进行波浪力计算的极限波浪工况。最后时域耦合分析解释了频域、时域变换的基本原则，详细阐述了时域运动方程以及方程中各个外载荷的意义，为接下来的数值分析打下了理论基础。32 第三章张紧式系泊系统分析理论第三章张紧式系泊系统分析理论一般传统进行系泊系统的研究方法有两种，分别是静力、动力分析。静力分析是将外界的环境力作用看作是定常的静力，综合考虑风浪流等外载荷的影响来估算系泊缆的几何形状、载荷分布情况以及平台位移和载荷之间的关系。通常静力分析的过程可以由悬链线法推导而得，将半潜式海洋平台与其系泊系统各自独立分开来再进行研究，并不计系泊缆索遭受环境载荷所产生的动力效应和系泊缆索本身的弹性变形等，因此利用静力分析并不能将平台以及系泊缆之间的运动张力进行准确分析，而耦合动力分析就恰恰弥补这一不足。研究中大多运用数值模拟的方法来开展平台与其系泊系统的耦合动力的相关研究，主要应用的有有限元法和有限差分法（集中质量法）。3.1张紧式系泊静力分析本文在系泊系统初期采用较为简单的静力分析是为了能够粗略得到一个初始预张力的值，以便控制系泊缆的松弛度，为张紧式系泊系统接下来的方案研究以及整体时域内的耦合分析做准备。静力分析的运用是在于假设海洋结构物在水中的运动幅值很小，不考虑动力效应。进行系泊系统模拟时，需要选定适当的预张力来进行系泊缆索的长度控制。以一个无量纲参数松弛度(ls)/h来描述，即0(ls)/h1。若(ls)/h0，即ls，此时是假设系泊缆索无限绷紧，系泊缆索遭受的张力以及回复力都趋于无限大；(ls)/h1，即lh，s0，此时系泊缆索处于最松弛状态，其回复力为0。半潜平台在没有遭受到外界环境力的作用时是处于平衡状态的，此时每根系泊缆索的松弛度(ls)/h是相等，当平台遭受外力发生位移时各个系泊缆索的松弛度将因外力作用方向不同而各不相同，将各根系泊缆索中受力响应最大也就是松弛度最小的那根系泊缆作为缆绳的张力响应的研究对象，由此计算出系泊缆许用强度的最大值，从而就能够确定出系泊缆索的预张力。海洋平台工作发生位移的时候系泊缆索会遭受结构物的拉伸作用以及海流等的作用力，但是在进行静力分析时，忽略系泊缆索本身的弹性伸长以及海流等作用力的影响，将系泊缆索当成是一条均匀、无延伸、柔性的非线性缆索，不遭受外界作用力而自由地悬挂连接着平台立柱以及海底锚固点。33 华南理工大学硕士学位论文图3-1系泊缆索水中悬挂图图3-2系泊缆索在水中微段受力解析图提取系泊缆的某一微段单元来进行分析。假设流载荷作用在单位长度的系泊缆微段上的水动力沿着系泊缆索切线方向分量的力是F，而D为流载荷作用在微段上相应的法线方向的分量，系泊缆索在水中工作时单位长度的湿重是，系泊缆索的横截面积是A，缆索材料的弹性模量为E，沿系泊缆索方向的张力为T。考虑到水中系泊缆绳的湿重量的原因，在所取的微段两端引入修正力gAz和gAzgAdz，z为水深。那么，对所截取的微段展开非线性的静力分析有：dTgAdz[sinF(1T/(AE))]ds(3-1)TdgAzd[sinD(1T/(AE))]ds(3-2)34 第三章张紧式系泊系统分析理论'为简化计算分析，不计系泊缆绳的弹性作用，引入TTgAz有：'dTsinds(3-3)'Tdcosds(3-4)则，'dTsind(3-5)'Tcos'对Tdcosds积分得：''1TTcoscos0000(3-6)ssd[tantan]000cos且dxcosds与dzsinds，故有：'1Tcos00xxd00cos(3-7)'Tcos1100[log(tan)log(tan)]0coscos011zz0'Tcossin00d20cos(3-8)'Tcos1100[]coscos0其中为系泊缆与海底的接触点，此时0，则有：00'TTcos(3-9)0在水平面处，系泊缆的水平分量可以表示为：TTcos(3-10)H故有，'TT(3-11)0H选取一个特殊位置，即在x0和zh处有：00x1sinlog()(3-12)TcosH35 华南理工大学硕士学位论文x11sincossinh()()tan(3-13)T2cos1sinHx11sincos1cosh()()(3-14)T2cos1sincosH求解得，THsxsinh()(3-15)THTHzh[cosh(x)1](3-16)TH系泊缆张力为：THTgAzT()zh(3-17)HcosTTh()gAz(3-18)H3.2张紧式系泊动力分析张紧式系泊绝大多数是以复合纤维材料，以30°~45°的系泊缆张角到达海底为主，在水中系泊缆呈张紧状态。而复合纤维缆缆绳材料常见的主要包括聚酯纤维PET、高强度聚乙烯HMPE和芳香尼龙ARAMID等，比起传统悬链线系泊缆锚链材料，其质量更轻，并且在破断应力相同的情况下，锚链单位长度的质量以及钢缆单位长度的质量分别是这种复合材料的10倍及3倍，当它们处于水中工作时，合成纤维的湿重将更低，不仅如此，合成纤维缆的防腐蚀与抗疲劳的能力良好，可降低防腐蚀处理的成本。3.2.1静态-动态模型聚酯材料的张紧式系泊的刚度模型：静动态模型，上下界模型（将上界的风暴刚度，下界的安装后刚度为模型的初次近似）。这里平台的最大位移和系泊缆张力通过上下界的值来得到，设计中系泊缆张力采用风暴刚度进行的模拟，平台的最大运动幅值通过安装后刚度得到，就能够使该系泊缆设计能有较好安全性。[48]Fernandes和Vecchio采用回归分析的方法来研究直径较小的合成材料的系泊缆，得到系泊缆索遭受的平均载荷、载荷幅值和周期将会影响到合成材料系泊缆的轴向刚36 第三章张紧式系泊系统分析理论度。聚酯材料系泊缆的刚度可以表示为：FEA(3-19)其中，E为弹性模量；A为横截面积；F为轴向力；为应变。相应的无量纲刚度可以表示为：EAKKK(3-20)rrdrsMBS其中，MBS是最小破断强度；K是动态刚度；K是静态刚度。rdrs广泛使用的动态刚度计算的表达式是DelVechio在1992年模型试验的研究中提出有关纤维缆弹性模量计算的经验公式：KLTlog()t(3-21)rdm其中，，，，为与系泊纤维缆的材料以及结构相关的系数；L为系泊纤维缆m的平均张力，KN；T为系泊纤维缆的张力幅值，KN；t为载荷周期，s。[49]1999年Bosman、Hooker两人认为，与动态刚度相关的只有平均载荷，而载荷幅值和载荷周期都与之无关，那么就可获得简化后的经验公式，将在实际的工程更加适用：KL(3-22)rdm聚酯缆绳的组成包括晶体以及非晶体两种结构，其所受到的张力在慢慢加大时，材料结构内部的晶体以及非晶体结构能够在同一个时间达到平均载荷值时候的刚度为静态刚度。而在缆绳受到周期性载荷的作用时，其内部的晶体结构由于刚度变大能及时对[50]周期性载荷进行响应的为动态刚度。一般聚酯缆绳的静态刚度是动态刚度的1/31/2，通常系泊缆索在工作时会有平稳的平均载荷和平均载荷周围浮动的动态载荷两种外载荷作用。通常时域计算中系泊缆索低频响应是通过静态刚度来表示的，而系泊缆索的波频响应则通过动态刚度得到。可以采用准静态模型来描述静态刚度：K(FF)/(EEClog())t(3-23)rs2121其中，F为系泊链的初始张力；F为系泊链在水中遭受平均载荷，也即平稳时最终12张力；E为系泊链的初始应变；E为平稳时的终应变；C为蠕变系数；t为蠕变时间。1237 华南理工大学硕士学位论文最开始要利用“准静态”模型的静态刚度来计算获得系泊缆索在遭受低频载荷时候的平均响应，然后利用动态刚度来进行系泊缆索遭受波频载荷时候的一系列动态响应值计算。在利用动态刚度计算波频载荷的动态响应值的时候需要保持与静态刚度有相同的预张力，可以调整系泊缆的长度或者锚固的位置。3.2.2集中质量法大多数情况，为了简化问题的处理过程，应用集中质量法来进行分析，既可以在保证精度的情况下使解决问题的方法更加适用实际工程。应用在系泊缆上的集中质量法，通常是将系泊缆离散成很多小段，再将每一个小段都简化为一个质量点，假设每个质量点之间用弹簧进行连接，然后将系泊缆索受到的所有外力都作用在离散的质量点上，也就是简单想成用拥有多个自由度的弹簧-质量系统代替海洋结构物的系泊缆索来进行分析，那么每一个质量点的运动可用式3-27至式3-29来描述：()MxyzF(3-27)111213xx()MyzF(3-28)212223yxy()MzF(3-29)313233z其中，M为离散的质量点；为研究对象的附加质量；F(,,)FFF为划分系ijxyz泊缆的小微段所遭受的外力，一般有自重、水中浮力、波浪拖曳力以及其自身的弹性变形力。运用有限差分的方法于时域环境内对方程进行联立求解，即可以求出全部微段质量的速度以及加速度。3.3本章小结本章主要介绍了进行张紧式系泊系统分析所涉及到的理论，包括用静力分析的悬链线方法如何初步确定系泊缆索预张力，以及动力分析理论来阐述系泊系统的频域分析、时域环境内耦合分析的计算方法。为本文接下来的有关张紧式系泊方案的考量和计算提供理论基础。38 第四章数值模型及水动力分析第四章数值模型及水动力分析进行规则波中的半潜平台水动力分析是为了给半潜式海洋平台在不规则波中的响应分析提供基础。将平台在海洋环境中工作时所遭遇的波浪看作是经历了各种状态已达平稳的随机波浪，那么在分析时可以将这些随机的波浪当做是无穷多个来自各个方向、各个频率、各个相位的规则波叠加后形成的。海洋结构物在遭受波浪时的响应是非线性的，可以应用波浪谱密度来对这样的随机性进行描述。也就是说，想要呈现半潜式海洋平台在随机不规则波浪中的运动结果和受力分析，可以将该半潜式海洋平台在规则波中获得的传递函数同波浪谱密度相结合进行分析。本章按照前述章节各个理论思路，并依据某一已建成钻井半潜平台的基本尺度和相关资料，在AQWA中建立其水动力模型。频域环境中开展在自由状态下规则波中半潜平台的响应计算，并获得一系列诸如附加质量、辐射阻尼、不同浪向下不同频率的RAO等的水动力系数，频域中的这些计算结果可以反映半潜平台在工作中的总体运动性能，并为接下来时域环境中半潜平台及其系泊系统的耦合分析提供数据输入。4.1半潜平台主要参数自古以来南海就是海难的多发地带，其多变的恶劣海况对海洋工程装备性能的要求十分严格，如今可以工作于南海的海洋平台寥寥可数，故这里针对工作于南海海域的某一深水半潜钻井平台，以期能够深入研究此类平台的设计特点，吸取建造经验，能够在将来的半潜式平台优化设计中提供有用资料。该深水半潜钻井平台可至1500m的水深进行作业，钻井可达8000m深度，配备8点系泊系统。该半潜平台的设计时依照南海海况的要求，可抵御南海百年一遇的风暴。双浮体、四立柱、浮体间横撑和主甲板是该半潜式海洋钻井平台的关键主体结构，其主体结构的主尺度如表4-1。表4-1平台主要参数项目数值Mainpontoon（）mColumn（）m39 华南理工大学硕士学位论文表4-1平台主要参数（续）DeckBox（）mPointMass（）（）m35876tDraftmmmmm分析水动力性能时，计算的是平台在海洋环境中外界载荷作用下的耐波性能以及系泊系统特性的分析，所以建模时对模型内部的结构以及材料属性的要求并不高，只用建立半潜平台的湿表面壳体的模型。想要在频域分析时能够精准模拟半潜平台在实际海洋中的运动情况以获得相应的响应预报，就需要在软件中进行模型输入时确定同实际建造的半潜平台准确的重量重心以及惯性矩等参数，还需要设定例如工作水深、海水密度等工作的环境参数。根据半潜海洋平台的真实主尺度建立的简化有限元壳模型见下图4-1。图4-1半潜平台水动力模型40 第四章数值模型及水动力分析4.2水动力分析半潜式海洋钻井平台的水动力性能分析主要依据：在规则波浪作用时的频率响应传递函数RAO的规律分析、频域内附加质量以及辐射阻尼的特征分析、半潜平台遭受波浪力的运动响应分析等水动力力学参数的研究。这里频域环境中设定的分析搜索浪向为15°，半潜平台的吃水为19m。4.2.1附加质量和辐射阻尼[51]附加质量与辐射阻尼主要是由作用于摇荡海洋结构物上的流体动力或力矩导致，也就是说，波浪载荷作用在海洋结构物上而使其产生多自由度的运动响应时，海洋结构物会产生一个散射速度势使其周围流体的速度场发生改变，相应地结构物本身会遭受一个附加的水动力。这样的力及力矩可以从两个方面来进行分析，之中同海洋结构物摇荡运动加速度成正比，相位差为180°的那部分为附加质量；而只有存在自由面时所特有，与摇荡运动的速度成正比，方向相反的那部分力的比例系数为辐射阻尼。它们通常来说是结构物的形状、运动速度以及振动频率的函数。附加质量以及辐射阻尼均可用一66的矩阵来描述，仅考虑这个矩阵的主对角线上6个对海洋结构物水动力性能起关键作用的值。那么可以得到频域下的计算结果：图4-2目标平台的附加质量由以上频域环境内有关附加质量的结果可以得到以下分析：1）六个自由度上平台的附加质量对频率变化都有很强的敏感性，总的来说以频率为0.5rad/s到1.2rad/s范围内附加质量的响应变化最为显著，出现明显的波峰波谷，并且附加质量的变化随着时间的推移会趋于某个定值，这叫附加质量的低频近似。41 华南理工大学硕士学位论文2）从平台产生的附加质量来看，其在摇动方向（横摇、纵摇和首摇）上的数量级要比平动方向上大得多。通过平台平动运动响应可以看到，平台纵荡运动拥有最小的附加质量，而垂荡运动拥有最大的附加质量，这也是符合常理的，半潜平台的垂向结构尺寸>横向结构尺寸>纵向结构尺寸。3）平台在不同的运动状态下其附加质量的峰值、谷值对应的波频各有差异，这也可以看出半潜平台的附加质量不只是与波频有关，与平台各方向的结构形状也有关。图4-3目标平台的辐射阻尼由以上频域环境内有关辐射阻尼的结果可以得到以下分析：1）平台强迫运动产生的辐射阻尼在纵荡、横荡和首摇这三个方向上随频率的变化几乎一致，都是在频率为0.95rad/s附近出现极大值；而垂荡、横摇及纵摇随频率的变化就有所不同，是随着频率从零而渐渐增加，辐射阻尼在摇晃运动的情形下显然要比平动运动时要大得多，整个计算图形波动可见辐射阻尼对波频具备强烈的依赖性。2）辐射阻尼的响应曲线在频率为0.45rad/s到1.4rad/s附近出现大致的双波峰现象，也就是在这个波频区间的某两个位置半潜平台运动受到的阻尼力将是最大，此时振幅所引起的辐射波也会变大；不仅如此随着时间的推移辐射阻尼的值逐渐不断接近于零，表明了该半潜平台在低频响应的情况下并不会出现明显的辐射波。3）与附加质量响应规律同理，平台在不同的运动状态下其辐射阻尼的峰值、谷值对应的波频也各有不同，同样可以得到半潜平台的辐射阻尼不单单同波频有关，其与平台各方向结构形式也相关。4.2.2一阶波浪激励力42 第四章数值模型及水动力分析频域环境中的一阶波浪激励力计算是在线性理论的基础上，指入射波和绕射波作用于无摇荡运动海洋结构物产生的力，主要由F-K力以及波浪绕射力组成。本节只贴上了浪向为0°到90°时的一阶波浪激励力的响应幅值是考虑到半潜平台的对称结构，如图4-4至图4-8：图4-4目标平台的纵荡一阶波浪力图4-5目标平台的横荡一阶波浪力43 华南理工大学硕士学位论文图4-6目标平台的纵摇一阶波浪力图4-7目标平台的横摇一阶波浪力图4-8目标平台的垂荡一阶波浪力由以上一阶波浪激励力响应图可以看到，从六个自由度的响应结果总体来看平台一阶波浪激励力在波频0.42rad/s至0.95rad/s的范围附近发生明显波动，并随着波频值不断增加到1.66rad/s再往后，一阶波浪激励力的响应逐渐趋于0。对称结构的半潜平台，44 第四章数值模型及水动力分析其一阶波浪激励力的响应在纵荡和横荡、纵摇和横摇两组的变化规律大致相同，大概0.95rad/s处可以看到纵荡和横荡出现最高点，而纵摇和横摇的最大值大概发生于0.5rad/s处，且摇晃运动的一阶波浪力大于平动运动。4.2.3运动响应幅值算子RAO对于RAO的研究计算，在一节将只贴出除艏摇方向外的其他五个方向的响应结果，这是由于艏摇的RAO响应值的数量级比起其他方向来说可以忽略不计。图4-9到图4-13给出了平台在不同浪向下，除艏摇方向外的RAO的响应曲线，这里只贴上0°到90°浪向下的结果是考虑到半潜平台的对称结构。图4-9目标平台纵荡RAO图4-10目标平台横荡RAO45 华南理工大学硕士学位论文图4-11目标平台纵摇RAO图4-12目标平台横摇RAO图4-13目标平台垂荡RAO从频域计算结果可得到以下频率响应函数分析：1)对称结构的平台导致了其平动（纵荡和横荡）、摇动（纵摇和横摇）的响应趋势相似，平台做平动运动时在低频部分的响应较大，而平台的摇动运动在考察的频域范围46 第四章数值模型及水动力分析内出现两个波峰，而且从总体上来看，一阶波浪力曲线的极值响应与RAO的响应频率近乎相同，都发生在0.4rad/s以及0.95rad/s附近，这也说明他们具有明显的波频特性，也就是说该平台的摇动状态对波浪频率的依赖性较强，故在进行平台设计时应认真考虑避免这两个频率。在波浪顺浪（0°）或者迎浪（180°）入射时，平台的主要运动状态为纵荡、纵摇以及垂荡；在90°横浪入射时，平台的主要运动状态为横荡、横摇和垂荡。2)平台纵摇和横摇在0.53rad/s附近出现响应极值，平台出现较大的波频运动，这需要在实际设计中引起重视；垂荡运动在0.27rad/s附近出现RAO极值，由于平台垂荡固有周期为23s左右，而常规波浪的周期一般为6s到14s，故其垂荡响应的固有周期在常规波浪周期范围外，可以说该平台具备了较好的垂荡性能，能避免发生共振现象。3)由横荡和纵荡响应曲线可以看出平台的震荡运动在二阶低频波浪慢漂力和风力的作用下的低频运动响应出现显著波动，远远大于波频响应，此时其固有周期与常规波浪周期相接近，就会发生共振，并且在频域计算时未顾及平台运动的回复力所受到的系泊系统影响，这会一定程度地影响到平台的横荡及纵荡的最终结果。4.3本章小结本章根据实际半潜平台参数建立了水动力分析的数值模型，在频域环境中进行水动力分析建立水动力数据库，进行该平台在不同浪向下的水动力参数随频率变化的规律研究，并进行总结分析，为后续时域分析奠定基础。47 华南理工大学硕士学位论文第五章典型工况分析本文计算半潜平台的四种典型工况，即在频域分析中计算了平台所受到的浮体间的分离力、浮体间的纵向剪切力、绕横向扭矩以及下浮体的波浪垂向弯矩。采用计及了波浪不规则性的随机性设计波法设计一系列波浪参数，然后使其作用在平台上，平台的主要参数及工况参数见4.1节。频域环境中输入平台参数、工况参数以及环境参数计算各个危险剖面的剖面力从而确定危险工况的波浪参数。考虑到常规性我们将波浪搜索范围缩小到0.07Hz到0.293Hz，计及平台的对称结构我们只搜索0°到90°浪向。5.1浮体间分离力一般来说，浮体间的最大分离力是出现波浪90°入射，波峰位于两浮体中间，波长为两倍的浮体总宽度的情况。本文计算了半潜式海洋平台在不同浪向下浮体间的分离力在频率下的响应曲线、相位角频率响应曲线，以此来获得典型工况下的波浪载荷数据，并将这一系列波浪输入作用于平台进而看到该半潜平台湿表面的压力分布。图5-1平台浮体间分离力在波浪频率下的响应48 第五章典型工况分析图5-2浮体分离力的相频响应图5-3浮体分离力最大时平台表面的压力分布49 华南理工大学硕士学位论文图5-4浮体分离力最大时的波浪模型分析有关平台浮体间分离力的响应趋势曲线发现，其与平台的横摇RAO响应相似，可以看到当波浪以横浪90°入射频率在0.171rad/s时其浮体间分离力出现极值；从浮体分离力的相频响应曲线可以看出在频率为0.171rad/s时刻，入射波浪相位为76°。综上所述可以得到致使平台遭受浮体间最大分离力的波浪参数为：浪向为90度，频率为0.171rad/s，波浪相位角76°。把推得的波浪参数输入传递给平台即可得到其在海洋中工2作时的湿表面的压力分布，此时该半潜平台的浮体产生的最大分离力的值为54799N/m。从最大分离力时平台表面的压力分布和波浪模型可以看到，此时波浪波峰出现在两浮体中间，四个立柱内外两侧在平台横向上受到的水压力相反，从而使得横撑结构遭受了最大载荷。5.2浮体间纵向剪切力通常波浪以斜浪入射时，平台浮体间将发生最大纵向剪切力，这时候作用在浮体上的纵向剪切力是最大而且方向相反的，水平横撑也承受最大弯矩。斜浪入射时除了会使半潜平台产生纵向剪切力还会使其出现浮体间分离力，综合考查多个波浪方向来得到受力最大的危险波浪，然后得到该浪向下相位对频率的响应曲线。50 第五章典型工况分析图5-5浮体间纵向剪切力图5-6浮体间纵向剪切力的相频响应51 华南理工大学硕士学位论文图5-7浮体纵向剪切力最大时平台表面的压力分布图5-8浮体纵向剪切力最大时的波浪模型分析有关平台浮体之间纵向剪切力的响应趋势曲线可以看到当波浪以斜浪45°入射频率在0.206rad/s时其纵向剪切力出现极值；从平台纵向剪切力的相频响应曲线可以看出在频率为0.206rad/s时刻，入射波浪相位为77.78°。综上所述可以得到致使平台遭受最大纵向剪切力时的波浪参数为：浪向45°，频率0.206rad/s，波浪相位角77.78°。把推得的波浪参数输入传递给该半潜平台即可得到其在海洋中工作时的湿表面的压力分布，2此时该半潜平台的浮体产生的最大纵向剪切力为85874N/m。从浮体间最大纵向剪切力时平台表面的压力分布和波浪模型可以看到，此时斜浪波峰贴靠立柱，浮体两边立柱遭受的力沿纵向分量的较大，产生较大剪切力。52 第五章典型工况分析5.3平台关于横轴扭矩与纵向剪切力类似，平台在波浪力作用下所受到的横向扭矩一般也是在波浪斜浪入射时达到最大，斜浪入射时不仅使平台产生横向扭矩还使平台产生横向分离力，因此在整体分析时要考虑多个浪向来得到组合最危险工况。图5-9平台横向扭矩图5-10平台横向扭矩的相频响应曲线53 华南理工大学硕士学位论文图5-11平台所受横轴扭矩最大时平台表面的压力分布图5-12平台所受横轴扭矩最大时波浪模型分析有关平台横向扭矩的响应趋势曲线可以看到当波浪以斜浪60°入射频率在0.916rad/s时其横向扭矩出现极值；从平台横轴扭矩的相频响应曲线可以看出在频率为0.916rad/s时刻，入射波浪相位为13.53°。综上所述可以得到致使平台遭受最大横轴扭矩的波浪参数为：浪向60°，频率0.916rad/s，波浪相位角13.53°。把推得的波浪参数输入传递给该半潜平台即可得到其在海洋中工作时的湿表面的压力分布，此时该半潜平台2的浮体产生的最大横轴扭矩值是76755N/m。从最大横轴扭矩时平台表面的压力分布和波浪模型可以看到，一侧浮体上的两个立柱受力是相反的，从而此时产生最大横轴扭矩。54 第五章典型工况分析5.4平台下浮体垂向波浪弯矩一般来说，与一般船舶类似的平台浮体，其垂向波浪弯矩所受到的垂向弯矩最大将会出现在波浪顺浪或者迎浪的情况，波峰或者波谷出现在中间。图5-13平台下浮体垂向波浪弯矩图5-14下浮体垂向波浪弯矩的相频响应55 华南理工大学硕士学位论文图5-15平台垂向波浪弯矩最大时平台表面的压力分布图5-16下浮体波浪弯矩最大时波浪模型分析有关平台总纵弯矩曲线可以看到在波浪顺浪0°入射频率在0.668rad/s时其总纵弯矩出现极值；从总纵弯矩的相频响应曲线可以看出在频率为0.668rad/s时刻，入射波浪相位为37.95°。综上所述可以得到致使平台所遭受最大总纵弯矩时的波浪参数为：浪向0°，频率0.668rad/s，波浪相位角37.95°。把推得的波浪参数输入传递给该半潜平台上即可得到其在海洋中工作时的湿表面的压力分布，此时该半潜平台的浮体产生的最大2波浪弯矩是32496N/m。从下浮体波浪弯矩最大时平台表面的压力分布和波浪模型可以看到，此时波浪波峰出现在每侧浮体纵向中间，浮体中部受力最大。56 第五章典型工况分析以上有关典型工况时平台的受力响应分析可以为半潜平台进行结构设计及校核强度时给出一些参考。5.5本章小结本章根据上一章平台主要结构的具体主尺度建立起的其湿表面有限元模型，研究了半潜平台在几个典型工况时波浪应力的分布以及遭受波浪载荷时平台的受力响应情况，确定了其在几种典型工况下相应的设计波浪的参数，为研究波浪载荷的作用规律奠定基础。57 华南理工大学硕士学位论文第六章系泊方案设计及时域耦合性能分析6.1系泊系统设计原则目前海洋工程中采用张紧式系泊的半潜式海洋平台85%以上都工作于超深水领域，而服务于300m以内的浅海海域的半潜式海洋平台只有不到20%的应用张紧式系泊。通常进行相关实体工程的系泊方案决策时，需要考量包括平台运动响应的幅值，缆索的受力，缆索和锚固设备的疲劳寿命，缆索遭受的腐蚀和磨损，以及系泊缆索是否会与其他[52]海中结构物碰撞等这几个方面。首先钻井设备的操作要求和与其他海洋结构物间的间隙限制了平台工作时运动响应的最大位移。钻井操作的可靠性，是使平台在适宜的范围的活动半径内运动，保证钻管能顺利通过隔水管工作来实现。在进行正常钻井作业时，为了使钻管尽量小地出现磨损，要将挠性接头的转角控制在比1°~2°还要小；为了使设备不遭受破坏，一旦转角出[53]现超过3°~4°应立刻停止钻井的操作。不仅如此，系泊系统的定位能力在不同水深时的要求也是不同的，深水环境中这种要求更加严格。造成这样的原因主要是，深水环境中的立管长度显著增长，柔性加大，立管自身的净重也明显增加，海流对其的作用力也会加大，这些因素都会让作业更为不利。一般情况下半潜式钻井平台的活动的最大范围见表6-1：表6-1半潜式钻井平台最大活动半径最大位移（水深%）钻井操作柔性接头最大转角1500m水深3000m水深正常1°~2°1%~2%0.5%~1%极限2°~3°2%~3%1%~1.5%停止3°~4°3%~4%1.5%~2%脱离4°~5°~6%~4%注：最大活动半径取决于流速随水深的分布、泥浆重量以及立管顶部的张力。其次，在校核系泊缆索的安全性时，一般用最小断裂强度（Minimumbreakingstrength,MBS）的百分数来表达其张力的极值。就像锚链的最小断裂强度能够通过断裂测试载荷[52]（Breaktestload，BTL）得到，通常系泊缆的最小断裂强度可以通过试验测得。也有相关规范提供了标准化的最小断裂强度。拥有完整系泊系统的半潜式平台在进行时域环58 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析境内的响应分析时，按照API-RP-2SM规范要求，对于普通钢制锚链和合成聚酯缆在完整系泊系统和破损系泊系统的极限张力的安全准则是不同的，具体可见表6-2，表格中[52]缆绳的断裂强度与其极限张力的比值即为安全因子。表6-2系泊缆张力极限准则与安全因子系泊系统状况分析方法最大张力MBS%安全因子完整准静态502.001.67完整动态60（聚酯缆为1.82）破损准静态701.431.25破损动态80（聚酯缆为1.43）注：MBS为最小断裂强度，Minimumbreakingstrength。动态分析方法比起静态分析方法来说不确定性的因素要多得多，所以其安全因子要小一些以规避风险。张紧式系泊系统一般采用高强度的锚链和合成材料，通常采用合成材料的系泊缆的最小张力应该保持其最小破断强度的5%以上；即使系泊缆材料采用高模数的合成材料时，其最小张力也应该保持其最小破断强度的10%以上，当合成缆的分析结果不满足这[54]样的条件时，就要进行蠕变破坏分析。考虑到聚酯缆材料需要防止可能产生的轴向挤压或者磨损破坏等的特殊需求，张紧式系泊系统在设计过程中，要考虑系泊缆索在与海洋结构物连接端保证合成材料段距离导缆器或导缆孔够远，并且与海底接近端也需要有适宜距离。本文在进行设计分析系泊方案时关键要计及平台运动响应的活动半径以及系泊缆的受力响应。因为计及半潜式平台的系泊需要常常进行收回与放出，所以就没有必要研究其疲劳寿命相关问题。6.2海洋环境参数常规分析半潜式平台及其以及它的系泊系统时需要考虑其两种典型工作情况，一是生存工况，也就是在工作时间段内半潜平台及其系泊系统整体所能承受的极限海洋环境的情况；二是作业工况，也就是半潜平台一般正常进行各类生产作业时的海洋环境情况，最大的作业工况是要小于生存工况的。在进行海洋环境模拟时，常采用风浪流组合的形59 华南理工大学硕士学位论文式进行。对于使得平台遭受最严重载荷的风浪流方向组合应该与海洋平台实际工作的海洋环境相一致。本文的半潜平台环境载荷模拟中国南海海域百年一遇海况下的波浪载荷、风载荷以及流载荷，考虑到最危险情况这里将风浪流同向模拟。一定水深后，流速视为随水深增加而递减的剪切流。具体平台遭受的环境条件各参数的选取见表6-3：表6-3平台自存工况下的环境条件水深1500m谱名称JNSWAP波浪有义波高12.9m浪向90°谱名称API风平均风速40.9m/s表面流速1.9m/s流水下100m1.9m/s海床0.63m/s6.3系泊系统基本参数确定及模型建立系泊系统设计中每种系泊系统按照统一的建造标准来选择系泊缆的属性，具体属性可参考《TheGuidetoAnchoring-anchormanual2010》。确定系泊系统每段系泊缆材料的属性，使系泊缆平台端张力的倾角不变，按照同一个规律变化每根系泊缆相应的各段材料长度，根据平台在模拟环境下的响应规律以及各个系泊缆索的响应结果，进行分类对比研究最后确定出最为经济适宜的系泊系统方案。对于张紧式系泊来说，系泊缆索与结构物连接段的长度要顾及中间合成材料部分的缆绳发生疲劳磨损破坏，因此在进行系泊缆分段设计时应保留连接结构物段足够长以使合成材料段能远离导缆器或导缆孔，此外海洋自由面的海水在缆绳上的结晶也会影响聚酯缆的强度，所以张紧式系泊缆索海面段的长度应该要大于100m；此外合成材料的缆绳也十分容易因为海底的沙土等遭受磨损破坏，因此系泊缆在与海底接触段通常都用锚链来代替聚酯缆绳与海底锚固设备相连，并且海底锚链的长度一般都不大于400m。在进行系泊缆索预张力选择时，常常将其设置在系泊缆索破断强度的30%上下来规避系泊缆索发生较大磨损的风险，聚酯缆的最大60 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析特点也是最大困难在于其材料本身特性而产生的非线性，在时间影响下其轴向刚度将必然发生改变。按照实际工程的经验，在考虑常规悬链线式系泊系统设计流程时，首先初定系泊缆索的总长度大约是其3倍的工作水深。由前述章节初步估算得到该半潜平台的风力F、流力F以及波浪力F，就可得到平台遭受的总的稳态力约为：windcurrentwaveFFFF，那么就可以预估所需要的最小破断力FF3。swindcurrentwaveps本文研究的目标是一工作于1500m水深的半潜海洋钻井平台，先设计出适宜的系泊系统，并在AQWA中模拟出平台主体及其系泊系统的整体模型，在频域中水动力性能计算的基础上，进行时域环境下的遭遇外力的耦合运动研究，分析结果是否符合规范要求的安全性、适宜性。[35]周素莲、聂武等人针对某工作深水为2000m的半潜式海洋平台的两种系泊设计方案展开比较分析，得出在综合考虑经济性和安全性情况下采取8根系泊缆系泊系统更[36]合适的结论。王宏伟等人研究了某1500m的深水钻井平台，在进行系泊系统设计决策时选取polyesterPET，polyesterPEN和HMPE这三类常用的合成聚酯材料，并考虑不同轴向刚度来对比研究，最终得出polyesterPET在安全作业方面最适宜。按照前人研究的经验，一般的深水半潜式平台的多点系泊方式采用8点在经济性和适宜性方面已足够满足，据此本文将直接在8点系泊的基础上进行悬链线式和张紧式系[12]泊缆的设计研究。APIRP2SM规范中要求，半潜式平台的多点系泊一般设置为对称的形式，为灵活适应系泊缆索分别在与结构物、海水以及海底工作条件的差异一般都将其分为三段。具体系泊缆的布置形式见表6-4，在确定两种系泊系统系泊缆中间段材料的具体属性时需遵循一致的建造标准。以及张紧式系泊缆与悬链线式系泊缆的详细分段参数的取值见表6-5：表6-4两种系泊系统的布置分段长度/m布置角度/°缆索夹角/°系泊半径/m预张力/KN悬链线式系泊系统钢链100钢缆2330413013302400钢链82061 华南理工大学硕士学位论文表6-4两种系泊系统的布置（续）分段长度/m布置角度/°缆索夹角/°系泊半径/m预张力/KN张紧式系泊系统钢链170聚酯缆157030308252400钢链250表6-5系泊缆参数材料重量/kg/m直径/mm破断载荷/KN惯性力系数拖曳力系数悬链线式系泊系统钢链2381422106121.2钢缆41.51371540021.2钢链2381422106121.2张紧式系泊系统钢链2381422106121.2聚酯缆4.41601540021.2钢链2381422106121.2图6-1系泊系统布置情况6.4半潜平台时域耦合分析62 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析通常在风浪流一个方向来临时，半潜式平台的系泊系统在外力的作用下会出现一个极限的临界应力。本节的关键目的之一是要证明所设计的张紧式系泊系统在深水环境中更具出色的定位性能及优良的经济性，那么对我国南海百年一遇的海洋环境状况进行模拟，并假设该半潜式海洋平台遭受90°的环境力，分别针对上节在系泊缆索预张力一致的情形下的张紧式和悬链式两种系泊形式，开展了一系列有关平台和系泊整体系统的耦合运动分析。6.4.1悬链线式系泊分析6.4.1.1平台环境载荷响应半潜平台在周遭环境载荷作用下产生的速度和加速度如图6-2、图6-3所示：图6-2平台速度响应时历曲线图6-3平台加速度响应时历曲线6.4.1.2平台位移响应63 华南理工大学硕士学位论文半潜平台处于所模拟的海洋环境条件工作，其平动以及摇动六个方向的运动幅值响应见图6-4到图6-9：图6-4平台纵荡位移响应时历曲线图6-5平台横荡位移响应时历曲线图6-6平台垂荡位移响应时历曲线64 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-7平台纵摇响应时历曲线图6-8平台横摇响应时历曲线图6-9平台艏摇响应时历曲线6.4.1.3平台系泊缆张力响应半潜平台在环境力作用下其悬链线系泊系统内1到8号系泊缆的张力响应见图6-10至图6-17：65 华南理工大学硕士学位论文图6-101号系泊缆张力响应时历曲线图6-112号系泊缆张力响应时历曲线图6-123号系泊缆张力响应时历曲线66 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-134号系泊缆张力响应时历曲线图6-145号系泊缆张力响应时历曲线图6-156号系泊缆张力响应时历曲线67 华南理工大学硕士学位论文图6-167号系泊缆张力响应时历曲线图6-178号系泊缆张力响应时历曲线6.4.2张紧式系泊分析6.4.2.1平台实时环境载荷响应半潜式平台处于海洋中工作时遭受的载荷除了流载荷是定常随水深的增加而变化外，其余载荷都是随机发生。本文模拟环境载荷以横浪90°入射的海况条件为例，模拟半潜平台在随机环境载荷中运动，得到平台工作环境风力变化曲线、结构受力响应时历曲线如图6-18、图6-19：68 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-18Y方向上风载荷时历曲线图6-19Y方向上平台结构受力时历曲线平台平台在随机载荷中运动的响应速度和加速度曲线如图6-20、图6-21：69 华南理工大学硕士学位论文图6-20平台速度响应时历曲线图6-21平台加速度响应时历曲线由平台处于设计的环境载荷下响应产生速度以及加速度随时间历程的变化曲线能够看到，该平台即使是在水平载荷作用的条件下，无论其速度还是加速度的垂荡响应也都要比另外两个方向上的运动响应还要大，其垂荡运动的响应最为明显，在实际设计使用中可采取一定措施进行垂荡响应运动的抑制。6.4.2.2平台实时位移响应以横浪90°为模拟的海况条件，使半潜平台于随机环境载荷中运动，其中由于环境力横浪90°入射，纵荡响应不明显，故其余五个自由度上运动位移随时间历程变化的曲线以及进行滤波分析后分别获得的波频以及低频的时历曲线见图6-22到图6-35。首先70 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析横荡方向的位移时历曲线和滤波后的低频和波频运动的时历曲线见图6-22，图6-23和图6-24：图6-22平台横荡位移响应时历曲线图6-23平台横荡波频响应时历曲线图6-24平台横荡低频响应时历曲线71 华南理工大学硕士学位论文平台的垂荡方向位移在平台到达动态平衡后的响应曲线如图6-25，经过波的分解过滤后的低频和波频的响应曲线见图6-26以及图6-27。图6-25平台垂荡位移响应时历曲线图6-26平台垂荡波频响应时历曲线图6-27平台垂荡低频响应时历曲线72 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析由于本文模拟采取环境力同时90°入射的情况，故平台的纵荡方向位移响应非常小，这里平动方向只考虑横荡和垂荡两个状态。平台在纵摇方向的运动响应曲线、运动波频及低频的响应曲线如图6-28到图6-30所示：图6-28平台纵摇响应时历曲线图6-29平台纵摇波频响应时历曲线73 华南理工大学硕士学位论文图6-30平台纵摇低频响应时历曲线平台在横摇方向的运动响应曲线、运动波频及低频的响应曲线如图6-31到图6-33所示：图6-31平台横摇响应时历曲线图6-32平台横摇波频响应时历曲线74 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-33平台横摇低频响应时历曲线平台在艏摇方向的运动响应曲线、运动波频及低频的响应曲线如图6-34到图6-36所示：图6-34平台艏摇响应时历曲线75 华南理工大学硕士学位论文图6-35平台艏摇波频响应时历曲线图6-36平台艏摇低频响应时历曲线由图6-22到图6-24可见，半潜平台及其系泊系统在海洋环境下横荡的波频运动响应只占横荡的位移响应的相当少部分，也就是说系泊的半潜平台在其横荡方向的位移响应具有明显的低频特性，平台的对称性可知纵荡也是如此，而平台在垂荡方向的波频响应也必须注意。6.4.2.3平台系泊缆实时张力响应本文设计的张紧式系泊是由八根对称分布的系泊线组成，详细的系泊线参数见6.3节。以横浪90°入射的海况条件为例，模拟半潜平台在随机环境载荷中运动，本系泊系统导缆孔以下170m采用钢链，靠近海底与锚设备连接部分250m采用钢链，中间聚酯缆部分长1270m。本节分析了系泊系统各个系泊缆的总体张力响应以及迎着风浪流一面76 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析受力较大的四根系泊缆的分段张力情况。其中系泊缆分段张力的分析，对于顶端导缆孔下方段的张力值变化可以用来校核顶端段钢链的强度；对于中间段的张力值变化可以用来校核聚酯缆的强度以及分析是否存在聚酯缆发生轴向挤压疲劳的可能；而海底段张力值的变化则可以用来作为计算海底的锚设备遭受载荷的依据。那么八根系泊缆的总体张力响应如图6-37到图6-44，迎着风浪流一侧张力较大的四根系泊缆分段张力实时响应见图6-45至6-48。图6-371号系泊缆张力响应时历曲线图6-382号系泊缆张力响应时历曲线77 华南理工大学硕士学位论文图6-393号系泊缆张力响应时历曲线图6-404号系泊缆张力响应时历曲线图6-415号系泊缆张力响应时历曲线78 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-426号系泊缆张力响应时历曲线图6-437号系泊缆张力响应时历曲线图6-448号系泊缆张力响应时历曲线79 华南理工大学硕士学位论文图6-451号系泊缆分段张力响应时历曲线图6-462号系泊缆分段张力响应时历曲线图6-473号系泊缆分段张力响应时历曲线80 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-484号系泊缆分段张力响应时历曲线由半潜平台系泊缆的分段张力响应曲线可以看到，平台的各个系泊缆的分段张力在风浪流联合作用下的响应相似，并且保持着中间段聚酯缆受到的张力为最大，海底段其次，而顶端段张力的响应略小些。6.4.2.4悬链线式与张紧式响应结果对比本文在时域环境内开展两种系泊形式的研究计算时，对该平台与其系泊系统之间相互耦合的效应进行了充分的考虑，划分若干个时间微段，在每个微段内进行耦合迭代直到完成动态平衡，时域中求解整个半潜平台与其系泊系统的运动方程采用的是非线性方法来完成。本节在保持悬链线系泊与张紧式系泊相同预张力的前提下，对比分析两种系泊方式数值模拟的计算结果如表6-6。81 华南理工大学硕士学位论文表6-6不同系泊系统的响应结果响应项目最大值平均值标准差安全系数悬链线式系泊横荡/m71.0569.580.5674.74%横摇/m3.170.550.964垂荡/m4.011.990.657系泊缆张力/KN5370525340.642.86平台响应速度1.0400.364/m/s平台响应加速度0.61600.2032/m/s张紧式系泊横荡/m39.6737.540.8022.64%横摇/m4.271.051.177垂荡/m5.50.781.646系泊缆张力/KN77137072238.442.00平台响应速度2.220.0010.797/m/s平台响应加速度1.2300.407/m/s2两种系泊系统响应结果的直观对比图如图6-49至图6-54：82 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-49两种系泊系统横荡响应结果对比图6-50两种系泊系统横摇响应结果对比图6-51两种系泊系统垂荡响应结果对比83 华南理工大学硕士学位论文图6-52两种系泊系统系泊力响应结果对比图6-53两种系泊系统平台速度响应结果对比图6-54两种系泊系统平台加速度响应结果对比由本章前两节对悬链线系泊以及张紧式系泊及模拟计算以及以上对比结果发现，环84 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析境力90°入射，在保持两种系泊系统拥有相同预张力时，张紧式系泊比悬链线式系泊能更好地控制半潜平台的水平位移，张紧式系泊的横荡响应大幅减小，对于纵荡和纵摇方向的运动也能很好控制；而张紧式系泊系统的垂荡位移响应以及横摇响应比悬链线式稍大一些，平台的垂向速度和加速度响应也比悬链线式要大，这是由于一般张紧式系泊系统系泊缆索中间段会采用聚酯缆材料，拥有更小的质量，故其垂向方向提供的回复力较小；从系泊缆索产生的张力上来看，虽然张紧式的要大于悬链线式，但其安全系数达到了2.00，完全能够满足安全要求；值得注意的一点是，张紧式系泊系统的各个模拟计算项目计算结果的标准差都要比悬链线式系泊大，也就是说张紧式系泊系统各个响应结果离散性比较大，可以看出张紧式系泊系统由于其本身材料特性所带来的是工作响应的不稳定。总而言之，比起悬链线系泊，张紧式系泊的定位性能要优秀得多，更适宜的系泊半径，可承受更大的垂向力，而其本身的材料特性所带来的工作不稳定，在各方面的更为详细全面的受力分析值得深入研究。6.4.3张紧式单根系泊缆断裂响应分析6.4.3.1平台位移响应按照APIRP2SK的要求，采用张紧式系泊形式的半潜式平台在对其完好无破损的系泊系统进行研究计算完毕后，还应将其受力最大的系泊缆索看做是破断状态，分析使用了该张紧式系泊形式的半潜式平台单根系泊缆破断时的工作情况，即在同样一个环境工况下研究该半潜式平台在这个剩余系泊系统工作下的运动结果，并与完好无损的系泊系统相似的一套分析，得到了其在遭遇不完整系泊的极限工作状态下的运动幅值响应结果和该破损系泊的时域响应结果。这里仍然以90°横浪入射为例，对比该半潜平台完好无损系泊时工作情况的响应分析，假定产生最大张力响应结果的那根系泊缆断裂，研究这样遭遇极限情形时的该半潜式平台运动及其破损系泊系统的响应情况。本文设计的系泊系统编号1-8根，环绕平台平均对称布置。本节会把在全好无破断的系泊系统计算中半潜平台在遭遇横浪入射时的张力响应最大的那根系泊缆（编码1）看作已断裂无法工作，给出同样水深和海洋环境条件下单根系泊缆破断后，半潜平台位移响应以及剩余系泊缆张力变化结果，统计后与完整系泊的结果进行比较研究。半潜平台在一根系泊缆断裂后的运动位移相应以及系泊缆受力响应如图6-55到图6-67：85 华南理工大学硕士学位论文图6-55平台横荡位移响应时历曲线图6-56平台纵荡位移响应时历曲线图6-57平台垂荡位移响应时历曲线86 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-58平台纵摇响应时历曲线图6-59平台横摇响应时历曲线图6-60平台艏摇响应时历曲线87 华南理工大学硕士学位论文图6-612号系泊缆张力响应时历曲线图6-623号系泊缆张力响应时历曲线图6-634号系泊缆张力响应时历曲线88 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-645号系泊缆张力响应时历曲线图6-656号系泊缆张力响应时历曲线图6-667号系泊缆张力响应时历曲线89 华南理工大学硕士学位论文图6-678号系泊缆张力响应时历曲线6.4.3.2一根破断与完整系泊响应对比本节在保持悬链线系泊与张紧式系泊相同预张力的前提下，对比研究两种系泊方式的数值模拟结果。表6-7一根破断与完整系泊系统的响应结果响应项目最大值平均值标准差安全系数一根破断系泊横荡/m53.3951.370.8014.74%纵荡/m23.5523.580.012纵摇/m0.0780.0760.065垂荡/m5.711.011.646艏摇/m5.145.130.0022号系泊缆张力92538653234.81.66/KN平台响应速度2.1300.797/m/s平台响应加速度1.2100.4082/m/s90 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析表6-7一根破断与完整系泊系统的响应结果（续）响应项目最大值平均值标准差安全系数完整系泊横荡/m39.6737.540.8022.64%纵荡/m0.080.120.012横摇/m4.271.051.177纵摇/m0.190.030.065垂荡/m5.50.781.646艏摇/m0.040.030.0022号系泊缆张力77137072238.442.00/KN平台响应速度2.220.0010.797/m/s平台响应加速1.2300.407度/m/s2两种系泊系统响应结果的直观对比图如图6-68至图6-76所示：图6-68一根破断与完整系泊系统横荡响应结果对比91 华南理工大学硕士学位论文图6-69一根破断与完整系泊系统纵荡响应结果对比图6-70一根破断与完整系泊系统横摇响应结果对比图6-71一根破断与完整系泊系统纵摇响应结果对比92 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析图6-72一根破断与完整系泊系统垂荡响应结果对比图6-73一根破断与完整系泊系统艏摇响应结果对比图6-74一根破断与完整系泊系统系泊力响应结果对比93 华南理工大学硕士学位论文图6-75一根破断与完整系泊系统平台速度响应结果对比图6-76一根破断与完整系泊系统平台加速度响应结果对比对比发现，在横浪90°入射的环境下，完整系泊系统的半潜平台仅在横荡、横摇以及垂荡三个方向上运动明显，而在纵荡、纵摇以及艏摇几个方向运动不明显，特别是艏摇运动比起其他方向的运动响应小了一个数量级；而在相同海况一根系泊缆断裂后，平台在六个自由度上发生的运动相对都明显得多，艏摇运动甚至都可达到与横摇运动同样的数量级。所以我们在校核深海半潜式钻井平台系泊系统破断的安全极限是否合规时，艏摇方向运动产生的影响不容忽视。单根系泊缆索破断，半潜平台的横荡响应结果以及纵荡响应结果的最大幅值各自是水深的3.58%以及1.57%，都比水深的5%要小；其横摇与纵摇的运动结果的最大幅值都不超过5°，垂荡结果的最大响应幅值值也在6m以内。由单根系泊缆断裂响应结果对比完整系泊响应结果可以发现，系泊缆索破断时半潜平台的横荡运动有一定的增加，横摇94 第六章系泊系统设计及时域耦合性能分析和垂荡方向增加的幅度不明显，纵摇响应结果稍微变大，纵荡响应结果却显著增大，达到与横摇运动显著的数量级。综上所述，本文设计的张紧式系泊方案在单根系泊缆断裂后，仍能将平台各个方向上的运动合理控制，能在在极端情况下确保该半潜平台的安全作业，并使整个系统后续的使用及修复得到了不错的保障。6.5本章小结本章进行了半潜平台系泊系统设计及时域耦合性能分析，在同样水深、同样海况以及同样预张力情况下，通过时域耦合数值分析分别对悬链线式系泊和张紧式系泊以及与单根系泊缆断裂的极端情况进行对比分析平台的运动响应及系泊缆的动力响应。计算显示，张紧式系泊对平台的水平运动幅值的控制明显优于悬链线式，但张紧式的非线性程度大，响应结果离散性大，故对张紧式系泊缆更全面的受力研究仍待探索。并且由于聚酯缆本身重力小提供的垂向力小，平台的垂荡方向运动在张紧式系泊下有一定加剧。本文设计的张紧式系泊系统在单根系泊缆断裂的极端情况仍然能够保证平台工作的安全性。总而言之，张紧式系泊在深水环境中拥有更优的系泊性能，未来在深水环境中的发展前景更是不可小觑。95 华南理工大学硕士学位论文总结与展望成为海洋强国是中国未来发展的焦点之一，而勘探深水环境有效装备的深水半潜式钻井平台，必然是未来海洋装备研究的热点所在。而深水半潜平台的水动力性能研究及其在深水环境中工作时的系泊系统的发展趋势和设计分析是半潜平台能够在深水环境中安全作业生产的保障。本文针对某工作于南海海域的深水半潜式海洋钻井平台，成立模型进行有限元分析，模拟真实的南海海洋环境条件分别对该水动力模型进行频域和时域处理分析。在三维势流理论的基础上，进行频域范围内水动力性能的计算研究，比如平台在不同浪向下随频率响应的附加质量系数、辐射阻尼系数、响应幅值算子RAOs以及波浪激励载荷响应等，还获得了平台在四种典型工况时的波浪应力作用情况；时域环境中依据频域分析建立的水动力数据库以及前人对半潜平台系泊系统的研究分析，给该工作于1500m水深海域的半潜式海洋钻井平台分别设计了一套悬链线系泊方案以及一套采用合成纤维材料的张紧式系泊方案，在保持工作环境相同以及缆索预张力一致的情况下，分别比较了平台在张紧式与悬链线式系泊系统下的受力响应、运动幅值以及系泊缆的受力响应等，得出平台在不同系泊方案下响应结果的规律；最后模拟了张紧式系泊系统遭遇单根系泊缆断裂的的极端情况下，对平台运动的响应产生的影响及平台生产工作的安全性。经过以上一系列的对比研究，本文主要工作得出下列结论：1)半潜平台的附加质量和辐射阻尼不单单是与波频紧密相关，同平台各方向的结构形状也存在撇不开的关系；平台的附加质量曲线在往低频以及往高频发展都趋近于常数，高频范围的响应小于低频响应，而辐射阻尼曲线在往低频以及往高频发展都趋近于零，大概0.5~1.5rad/s的波浪频率区间会发生近似双波峰的现象；半潜平台的附加质量和辐射阻尼响应在摇动方向的响应结果都远大于平动方向。2)半潜平台的RAOs响应结果在纵荡及横荡、纵摇及横摇两组方向的趋势是相似的，平动运动时其在低频部分有较大的响应，而摇动体现了明显的波频特性，故在进行平台设计时应认真考虑避免这个频率范围；其RAOs在垂荡方向上响应的固有周期不在常规波浪周期范围内，说明该平台能有效避免产生共振现象。3)根据该半潜平台的结构特点，计算分析了半潜平台在频域环境中遭遇不同浪向时的波浪应力响应情况，并参考相关DNV规范以及前人的研究成果，研究了半潜式海洋钻井平台的几种典型的波浪工况，并获得了促使平台受力最大的设计波浪的参数以及96 总结与展望四个典型工况下的响应结果。4)在迎着风浪流方向，悬链线式系泊系统4根系泊缆索中处在船舯两根的张力结果最大，而张紧式系泊系统是处在船艏艉的两根系泊缆受力最大，张紧式系泊的安全系数虽小于悬链线式，但仍能很好的满足规范要求的安全水平。5)环境力90°入射时，平台纵向响应不明显。通过滤波分析发现，完整的张紧式系泊在横荡方向波频特性不明显却有明显的低频特性，；而垂荡方向波频响应结果明显，低频响应也有不容忽视的数量级；横摇和纵摇的波频响应结果较大，不过也必须注意其低频特性；而艏摇的低频特性明显。6)对比分析了悬链线系泊方式以及张紧式系泊方式在深水环境中的响应以及对半潜平台运动的影响。水深的不断加深，悬链线系泊系统的系泊缆索重量及其系泊半径必然增幅明显，系泊缆索与平台连接端的大张力将使平台遭受的垂向载荷加大，使平台的载重量降低，同时也大大提高了系泊系统与外部物体碰撞的风险。虽然张紧式系泊在垂荡响应和系泊缆张力方面都大于悬链线式，但依然能良好的满足平台的安全工作。张紧式系泊比悬链式拥有更强的定位性能，更小的系泊半径，可承受更大的垂向力，而其本身的材料特性所带来的工作不稳定，在各方面的更为详细周全的受力分析值得深入研究。总的来说，相比悬链线式，张紧式系泊的方案更加适宜于深水环境。7)张紧式系泊系统发生当系泊缆索断裂后，将显著加大与断裂缆同侧并相邻的系泊缆索受力，与之相反的是与断裂缆呈180°对称布置的系泊缆索的张力明显减小，其他系泊缆索张力差异很不突出。张紧式系泊系统完整系泊的纵荡响应和艏摇运动都很小，但当发生单根系泊缆断裂后，半潜平台的纵荡运动增加的幅度要比横荡运动增加得要大得多，艏摇运动甚至都可达到与横摇运动同样的数量级，而垂荡运动的响应只略微增加。所以我们在进行深海半潜式钻井平台的系泊缆索发生断裂情形下的安全极限校核时，不得不着重考虑半潜平台艏摇、纵荡、以及横荡这三个方向运动所产生的影响。南海丰富资源的发现，石油开采正逐步朝着深海领域发展，在更加恶劣的海洋环境条件下工作时半潜钻井平台的必然使命，为了提升平台各方面性能而取得更具安全性、经济性、时代性的成果，深入研究其运动响应以及工作性能，不断优化半潜式海洋钻井平台的结构形式就是我们的必然使命。此外张紧式系泊的研究远远不止本文所罗列的内容，本人的研究也仅仅是凤毛麟角，虽然获得了一些有用结论，也深知还有许多不足，现提出一些接下来需要研究探索的问题希望能够给以后研究的后辈提供一些思路：1)本文的整个研究内容是在有限元软件的基础上进行的数值模拟，缺少实际的模97 华南理工大学硕士学位论文型试验的数据支持，如若条件允许，可以进行相关模型试验认证。2)在频域内进行平台的水动力性能分析以及典型工况下遭受的波浪载荷分析时，参数分析除了本文考虑的浪向外，还可以进一步考虑诸如平台的形状等其他参数对响应结果的影响，为优化平台的结构形式提供强大助力。3)张紧式系泊缆材料一般为合成聚酯材料，这种材料在轴向刚度、疲劳响应以及蠕变等方面存在很大的非线性，这种非线性研究所依据的理论以及有限元数值模拟方面都需要进一步完善，在进行平台及其系泊系统的动力计算时也需要更全面的考虑，此外，除本文系泊缆的平均受力及分段受力的分析外，还可以对系泊缆在海水中遭受的腐蚀及其运动疲劳性进行进一步研究。4)采用张紧式系泊系统的深水半潜钻井平台除了平台本身大吃水，大排水量会产生涡激效应对平台水动力产生影响外，张紧式系泊系统由于本身具有比较大的截面面积，在深水环境中可能也会产生涡激振动。故在开展相关方面的研究时需要计及其影响。98 参考文献参考文献[1]张大刚.深海油田的开发-当前国际应用及发展趋势[J].中国造船,2005,12(1):41-45.[2]盛振邦,刘应中.船舶原理（下）[D].上海:上海交通大学,2004.[3]BernardM.HydrodynamiqueDesStructuresOffshore[J].Dimensioning,2002.[4]薄景富.半潜式平台整体水动力与结构强度分析[D].天津大学,2014.[5]刘海霞.深海半潜式钻井平台的发展[J].船舶,2007,No.10503:6-10.[6]乔东生.深水平台锚泊定位系统动力特性与相应分析[D].哈尔滨工业大学,2011.[7]Arcandra,Hull/mooring/risercoupleddynamicanalysisofdeepwaterfloatingplatformwithpolyesterlines,Ph.D.Dissertation,TexasA&MUniversity,2001.[8]稽春艳,元志明,徐胜,黄山.一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析[J].海洋技术,2012,21(2):68~72.[9]李志海,徐兴平,王慧丽.海洋平台系泊系统发展[J].石油矿场机械.2010,,39(5):75-78.[10]LCSCosta,GAVCastro,RCFGoncalvesPolyesterMooringSystems-petrobrasExperience[C]//OffshoreTechnologyConferenceProceedingsJaneiro:OffshoreTechnologyConference,2001.[11]RonaldsBF,DeepwaterFacilitySelection[C]//2002.[12]刘海笑,黄泽伟.新型深海系泊系统及数值分析技术[J].海洋技术,2007,26(2):6~10.[13]CermelliCA,BhatSS.FiberMooringforUltra-DeepwaterApplications[J].2002:132~136.[14]杨玥,蒋安.半潜式生产平台波浪载荷敏感性分析[J].中国海洋平台.2017,v.32,No.2:74-80.[15]SoYlemezM,AtlarM.A.ComparativeStudyofTwoPracticalMethodsforEstimatingtheHydrodynamicLoadsandMotionsofaSemi-Submersible[J].JournalofOffshoreMechanicsandArcticEngineering,2000,122:57-65.[16]ClaussGF,SchmittnerCE.,StutzK.Freak.WaveImpactonSemisubmersiblesTime-domainAnalysisofMotionsandForces[J].2003,JSC–371.[17]徐刚,段文洋.规则波中半潜式平台水动力的时域数值模拟[N].江苏科技大学学报（自然科学版），2012,26(1)：1~7.[18]陈新权,谭家华.深海半潜式平台系泊系统设计研究[J].中国海洋平台,2011,26(2):43-48.[19]WichersJEW,VoogtHJ,RoelofsHW,DriessenPCM.DeepStar-CTR4401BenchmarkModelTest[R].2001,TechnicalReportNo.16417-1-OB,MARIN,Netherlands.[20]ArcandraTahar,KimMH.Hull/Mooring/RiserCoupledDynamicAnalysisandSensitivityStudyofaTank-er-basedFPSO[J].AppliedOceanResearch,2003,24:367-382.[21]LeCunff,Ryu,S.Duggal,A.Ricbourg,C.Heurtier,J.M.DerivationofCALMBuoyCoupledMotionRAOsinFre-quencyDomainandExperimentalValidation[C].ISOPE2007-JSC-594.[22]RoveriFE.CoupledMotionAnalysisofaSemi-submersiblePlatformInCamposBasin[C]//ASME2004,InternationalConferenceonOffshoreMechanicsandArcticEngineering.2004:251-260.[23]牛淑贞,潘新民,杨洪平,等.《新一代天气雷达灾害性天气警报和临近预报系统》应用［J］.气象,2009,35(5)105-111.99 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致谢致谢时光在走，我们在成长，三年的研究生生活就快要结束了，细细回想在华工的这三年，无论是学习工作上和生活上真是过得特别充实和快乐。在校期间除了完成所有相关课程、巩固了应该具备专业知识并深入研究了课题方向的知识外，还时常参加校内专业性交流讲座、学术会议以及实际项目考察，还有机会在中国船级社实习了三个月，学校生活加上社会生活的经历让我各方面的知识得到了各方面的拓展，也让我对本专业的领域有了更加深刻并全面的认识。身边所有人都给了我很多关心，特别是船舶与海洋工程系的很多老师、师兄和同学帮助，如果没有你们的鼓励和指引方向，我又怎会拥有如此这般丰富有趣又极具挑战的经历，在此我要向身边所有关心、支持和帮助过我的人表达由衷的感谢！首先要感谢我的导师陈超核教授，感谢他对我课题方向的支持和指导。从最初的选题到后来的定题再到最后论文的完成，陈老师都给了我很大的启示和帮助，提供我课题相关的实际工程设计的资料和指导，请国外有丰富实际经验的专家进行指导，在我遇到困惑的时候悉心指导。在科研学术上，陈老师给我们营造了一个轻松的科研环境，充分激发大家的兴趣，同时也在生活上给了我们许多关怀，虽然工作繁忙也绝不会放松对我们科研的监督、指导和帮助，让我对自己的研究方向充满信心和兴趣。在此，我要对陈老师致以深深的敬意和由衷的感谢！感谢王冬姣老师对我研究方向的帮助，她在研究思路、方法和论文的严谨性上给了我悉心地指导，在软件的研究上更是给了我一束灵光，王老师严谨的学术作风和平易近人地对待学生的方式，都让人在困难面前充满信心。还要感谢华工船海工程系已经毕业的各位帮助过我的师兄以及几位同届的同学们的关心和帮助，帮助我解决软件使用过程中出现的问题，你们的耐心和热心在我迷茫的时候时时鼓舞着我，特别感谢梁日兴师兄、庞国良师兄在我学习和未来发展的方向上给我的建议和帮助，这对我论文和工作发展的帮助非常大。最后我要特别向我的家人和男朋友表示真挚的谢意。广州一起陪伴进步的男朋友一直以来都给了我许多正面积极的力量，让我在困惑不安的泥沼里脱身而出，陪我走向更好的路。老家的爸爸妈妈一直以来都在默默的支持着我，鼓励着我，督促着我，正式因为他们的关心和支持，正是他们给了我最为可靠的山，让我可以充满斗志地直面任何困难，让我可以充满信心地迎接每一个挑战。我爱你们！真心希望你们能永远健康。103 致谢硕士生涯就要结束了，接下来的时光将会出现新的起点，我相信我一定不会辜负大家的希望，一定能够拥有属于自己的荣耀。再次由衷地感谢帮助过我的老师、前辈、同学和家人！刘灶2018年4月104 华南理工大学硕士学位论文105