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浅水软钢臂系泊FPSO水动力性能和运动响应数值研究

作　者: 李淑一
导　师: 李华军；王树青
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 多体 FPSO 软钢臂运动响应垂直面内运动响应波浪差频力横摆角速度拖曳力
分类号: U661.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,我国浅水FPSO的广泛应用和国际LNG市场的兴盛使浅水浮体水动力学获得了学术界、工程界的广泛兴趣和关注。通过实际观测或者是物模试验发现,浅水FPSO或者LNG船具有较为剧烈的纵荡响应,较大的垂直面内运动,触底或者和软钢臂发生碰撞,直接导致船体的不稳定和系泊系统的危险,这些非常值得引起重视。然而现今数值模拟的结果和物模试验结果并不十分吻合,因此浅水环境的FPSO运动响应特征及其与软钢臂系泊结构的相互耦合需要深入研究。本文以浅水软钢臂系泊的FPSO作为研究对象,在频域内对其进行水动力参数和一阶波浪传递函数的计算和分析,揭示了随着水深的变浅浮体的附加阻尼和质量呈增大趋势,并导致了自然周期的相应增大。耦合动力分析时,不采用非线性弹簧模拟系泊系统的方法,而采用多体方法模拟软钢臂系泊实际结构和FPSO,展开FPSO纵荡运动响应特征、船体垂直面内运动响应特征以及大首摇位移等问题的研究工作。另外,本文还重点对浅水FPSO的二阶差频力及计算方法进行了深入分析和讨论。采用Pinkster近似法求解了整体二阶波浪力传递函数矩阵,发现水深的变浅带来了纵荡差频力的显著增大。谱分析表明差频力随着谱峰周期的增大而增大。Newman近似法和Pinkster近似法在浅水下计算结果有较大差异。Newman近似法对二阶差频力的计算有效性与水深、波谱及FPSO纵荡固有周期相关,其准确性随着水深变浅和谱峰周期大增大不断下降。基于多体动力分析方法的耦合分析结果表明,和深水不同,浅水条件下垂荡、纵摇运动响应波浪低频的贡献不可忽视。而波浪低频力亦或波频力对垂直面内的运动响应起主导作用,依赖于波谱峰值周期、有义波高和FPSO的固有周期。因此垂直面内响应幅值随着水深的变化并不能形成普遍规律,而是得进行个案分析。FPSO静回复力特性分析和静水/有流/有风的自由衰减数值模拟分析结果揭示了FPSO纵荡运动具有低频和低阻尼特性。水深越浅,对纵荡响应起主导作用的差频力增幅越明显,进而导致了FPSO纵荡响应越来越剧烈这一现象。横摆角速度拖曳力的敏感性分析表明,在首摇响应达到27°时其才起重要贡献,它的存在给系统提供了一定的阻尼,使系统运动缓和,系泊力减小。不考虑首摇拖曳力可能导致保守的计算结果。本文对FPSO二阶波浪力的研究有助于数值分析计算的准确性,对浅水下船体运动响应特征的研究对FPSO和LNG接受终端的设计和发展有一定的参考价值。而本文采用多体分析方法模拟系泊系统,希望此方法得到进一步的理论、实验的验证和改善,成为更加准确预报软钢臂系泊FPSO的运动响应和系泊力的有效方式。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-26
  1.1 研究背景及意义  11-16
    1.1.1 FPSO 发展历史和现状  11-13
    1.1.2 我国FPSO 的开发应用  13-14
    1.1.3 软钢臂式系泊系统介绍  14-16
  1.2 FPSO 国内外研究进展  16-20
    1.2.1 单点系泊FPSO 运动特点  16-17
    1.2.2 FPSO 水动力理论发展  17-20
  1.3 浅水FPSO/LNG 水动力学研究进展  20-23
    1.3.1 有限水深浮体耐波性研究  20-21
    1.3.2 有限水深船体纵荡运动响应研究进展  21-23
  1.4 本文研究内容和创新点  23-26
    1.4.1 本文研究内容  23-25
    1.4.2 本文创新性  25-26
2 浅水 FPSO 线性波浪载荷研究  26-41
  2.1 坐标系  26-27
  2.2 线性波理论  27-33
    2.2.1 势流理论及规则波理论  27-28
    2.2.2 线性波浪问题描述  28-30
    2.2.3 一阶波浪力和力矩  30-32
    2.2.4 结构一阶运动控制方程  32-33
  2.3 FPSO 计算模型  33-34
  2.4 计算结果及讨论  34-39
    2.4.1 浅水下FPSO 附加质量、阻尼系数变化规律  35-38
    2.4.2 FPSO 垂直面内运动一阶波激力RAO 变化规律  38
    2.4.3 FPSO 垂直面内运动自然周期变化规律  38-39
  2.5 本章小结  39-41
3 浅水 FPSO 二阶波浪载荷研究  41-58
  3.1 波浪二阶问题基本理论  41-46
    3.1.1 波浪二阶问题描述  41-43
    3.1.2 波浪平均漂移力  43-45
    3.1.3 二阶差频波浪力  45-46
  3.2 浅水下波浪平均漂移力变化规律  46-48
  3.3 二阶低频波浪力  48-56
    3.3.1 浅水下二阶差频波浪力传递函数变化规律  48-50
    3.3.2 浅水条件下二阶波浪力计算方法的选择  50-56
  3.4 本章小结  56-58
4 基于多体动力分析方法的 FPSO 时域运动特性研究  58-76
  4.1 基本计算理论  58-61
    4.1.1 静力分析计算理论  58
    4.1.2 风、流力计算理论  58-59
    4.1.3 时域分析计算理论  59-61
  4.2 FPSO 及其软钢臂系泊系统多体分析模型  61-63
    4.2.1 计算模型介绍  61-63
    4.2.2 坐标系和海洋环境条件  63
  4.3 FPSO 静回复力和自由衰减数值模拟  63-68
  4.4 FPSO 系统仅在波浪作用下运动特性研究  68-72
    4.4.1 FPSO 纵荡运动响应特性  68-70
    4.4.2 FPSO 垂荡和纵摇浅水运动特性  70-72
  4.5 横摆角速度拖曳力对系统响应的影响  72-75
  4.6 本章小结  75-76
5 结论与展望  76-79
  5.1 结论  76-78
  5.2 未来工作展望  78-79
参考文献  79-85
致谢  85-87
个人简历  87
发表的学术论文  87

浅水软钢臂系泊FPSO水动力性能和运动响应数值研究

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