深水铰接塔平台动力响应分析.pdf

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1、第29卷第1期海洋技术V01．29．No．12010年3月OCEANTECHNOLOGYMar．2010深水铰接塔平台动力响应分析周占学1，宗金辉2，张海3，谢文会4(1．天津大学建筑工程学院，天津300072；2．河北工业大学土木工程系，天津300132；3．天津城市建设学院土木工程系，天津300384；4．中海石油研究中心，北京100027)摘要：将深水铰接塔平台顶部工作单元简化为集中质量，塔柱和浮力仓简化为均匀直杆，建立了铰接塔平台运动分析模型。考虑海流和波浪对平台的作用。应用Morison公式计算铰接塔平台瞬时位置所受水动力．依据拉格朗日原理建立了铰接塔平台的强非线性

2、时变系数两自由度运动控制方程。文中工作为深水铰接塔平台动力响应分析奠定了基础。关键词：铰接塔平台；波流联合；动力学模型；非线性方程；时变系数中图分类号：TU311．3文献标识码：A文章编号：1003—2029(2010)01---0065—051引言铰接塔平台(ArtieulatedTowerPlatform，ATP)是处于固定平台与浮式平台之间的新型平台，其适合于水深100．500m，用于单点系泊、装载终端、控制塔、海底安装和早期生产设备等油气各生产环节。其对波浪等外载荷有较大的顺应性，可以避免高水平流体动力荷载的作用。铰接塔平台的工作单元支撑在塔柱的顶端，塔柱用铰接头连接

3、在海底基础上，并且由水面附近的浮力仓提供浮力，保持平台的稳定，如图1所示。它可以依靠自身的巨大浮力力矩使平台适应海浪而不影响钻井和采油的操作。如不需要使用时，只要将压载舱中压载水排出，即可浮起调遣It-．61。S．Fjeld和S．Flogeland(1980)讨论了不同类型平台在海洋工程中应用的可行性，表明铰接塔平台可用于预钻、钻井及生产和海底安装m。圈1铰接塔平台示意图收稿日期：2009—11-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(50s09047)作者简介：周占学(1973一)，男，河北张家口人，尉教授，博士。Z圈2铰接塔平台模型示意图2模型与坐标系，r，本文将ATP简

4、化为顶部具有集中质量的倒立摆模型建立其运动控制方程，如图2所示嘲，M为末端集中质量，m为单位长度塔柱质量，z为塔长，，，(易t)表示波高，图2中0和妒分别为摇摆自由度和旋转自由度。建立同定坐标系(毛弦)和随塔柱运动的相对坐标系(石：’，0，)。计算分析时假设：(1)塔柱弯曲刚度和轴向拉压刚度无限大；(2)塔柱断面长度方向质量沿轴向均匀分布；(3)塔柱为具有均匀横截面的细长光滑圆柱体结构，其直径为D；(4)端点质量集中于塔柱的末端(无体积)，塔柱长大于水深；(5)结构因浮力力矩保持静态稳定；(6)波浪为具有确定性波高的线性波(Airy)；(7)塔柱的质量中心与几何中心重合。3铰

5、接塔模型力矩计算公式利用虚功原理计算p和妒方向上合力或合力矩，从图3中可知，由于虚位移踟引起的虚功为：海洋技术第29卷B国=∑F,x'[cos(O+,r,a)-cosO]+圣o／cos舳(口+鲫一咖占】+(1)∑F／sin矿[sin(O+#0)-sin01⋯由于虚位移任意小，80<

6、tanO+∑‘工c08矿+∑只工sin伊．)dx(4)肘，=r‘血=r(一∑弓工tanOsin矿+∑只工tanOcosqp)dx(5)此处，￡为沉没于水中的塔在茁方向上的投影。当d切(y，f)>fcosO，则L=cos8，若d+叶(如t)

7、Ucco瞅，甜1和∞分别为波浪频率和波流联合时的频率。此时有水质点的速度为w----'w，和u=H一￡7cco呶，其中，1,0和u分别是毛y方向的合速度。铰接塔旋转自由度为(B妒)时。在塔高茗处，Y轴坐标为y=xtanOeoscp，将其代入微幅波的速度、加速度表达式得到铰接塔任意瞬时位置处(流体质点)的速度、加速度：'．，：三日国兰垫堕堕sin(kxtanOcos妒一硼2sinhkdH=三日∞尝COS(正xtanOcos妒一硼+以cos口(6)2sinh埘’‘、～y=玑sina’i，=一三日矿裳cos(