考慮下沉運動的張力腿平臺非線性隨機耦合動力響應(yīng)分析

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1、考慮下沉運動的張力腿平臺非線性隨機耦合動力響應(yīng)分析NonlinearStochasticCoupledDynamicResponseAnalysisofTensionLegPlatformConsideringSet-downMotion一級學(xué)科：船舶與海洋工程學(xué)科專業(yè)：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造作者姓名：王賓指導(dǎo)教師：唐友剛教授天津大學(xué)建筑工程學(xué)院二零一七年五月萬方數(shù)據(jù)獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機構(gòu)

2、的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日萬方數(shù)據(jù)中文摘要TLP（Tension-LegPlatform，張力腿

3、平臺）是一種適合于深海油氣開采的重要裝備，也是我國南海油氣田開采所要考慮的平臺形式之一。我國南海深水海洋環(huán)境十分復(fù)雜，TLP遭遇臺風(fēng)及海浪的作用，極易發(fā)生不同形式的損傷破壞。因此，本文研究TLP的強非線性時域耦合分析方法，建立極端海洋環(huán)境載荷及沖擊載荷作用下的海洋工程結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)模型，揭示TLP在隨機波浪作用下的非線性動力響應(yīng)特性和損傷機理，具有重要的理論及工程意義。本文以工作水深450m的傳統(tǒng)型TLP為研究對象，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法對整個平臺系統(tǒng)進行研究，即浮體運動響應(yīng)采用動態(tài)分析方法，將張力腿系泊系統(tǒng)視為非線性彈簧，考慮由平臺本體的水平運動即縱蕩、橫蕩和首搖運動所

4、引起的下沉運動，建立耦合剛度矩陣。將系泊系統(tǒng)的靜位移產(chǎn)生的力通過平臺與系泊系統(tǒng)的耦合邊界條件加載到平臺本體，實現(xiàn)平臺本體與系泊系統(tǒng)之間的動力耦合。運用本文開發(fā)的數(shù)值計算工具，分析平臺本體水平運動與下沉運動的關(guān)系?；贏iry波波浪理論，計算TLP的運動響應(yīng)，得到平臺運動的時間歷程和頻譜特性。計算結(jié)果表明，平臺的下沉運動導(dǎo)致平臺垂蕩運動響應(yīng)明顯增大，并且在垂蕩運動中包含了波頻和倍頻超諧運動成分，縱蕩、橫蕩和首搖對于下沉具有重要影響?？紤]極端海洋環(huán)境，基于JONSWAP波浪譜計算平臺所受波浪載荷，計算平臺的六自由度運動響應(yīng)。計算結(jié)果表明，在隨機波浪的作用下，縱蕩、橫蕩及

5、下沉運動的低頻成分顯著，由于下沉運動具有二次非線性的特征，導(dǎo)致其出現(xiàn)顯著的倍頻成分。在高海況下垂蕩運動主要受下沉運動控制，且隨著海況的增大，下沉運動愈加顯著。提出了一種計算平臺上部組塊風(fēng)載荷的方法，用于研究平臺在隨機波浪和隨機風(fēng)的聯(lián)合作用下的非線性動力響應(yīng)。基于JONSWAP波浪譜計算平臺浮箱和立柱承受的波浪載荷，基于NPD風(fēng)譜計算作用于平臺上部組塊和立柱的風(fēng)載荷。應(yīng)用四階龍格-庫塔方法求解運動方程，得到平臺運動的時間歷程、運動幅度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。計算結(jié)果表明，平臺上部組塊的風(fēng)載荷將導(dǎo)致平臺縱蕩、橫蕩和垂蕩運動平衡位置發(fā)生顯著變化，且垂蕩運動幅度明顯增大，而風(fēng)載荷對

6、于平臺搖擺運動的影響則較小。研究平臺在一階和二階波浪力作用下的運動響應(yīng)。其中，二階波浪力包括平均漂移力、差頻波浪力及和頻波浪力。采用DNVGL軟件WADAM，基于勢流理論計算頻域下的波浪載荷傳遞函數(shù)，然后根據(jù)水動力參數(shù)和波浪譜生成時域下I萬方數(shù)據(jù)的隨機波浪載荷。采用本文分析模型，計算平臺的運動響應(yīng)。計算結(jié)果表明，二階波浪力對平臺的影響十分顯著。其中，二階差頻波浪力對平臺的縱蕩和橫蕩具有明顯的作用，同時會引起大幅的下沉運動，因此對于垂蕩自由度具有重要影響。二階和頻波浪力將引起橫搖和縱搖的高頻響應(yīng)。但是，二階波浪力對首搖自由度影響很小。研究了畸形波作用下TLP的動力響應(yīng)

7、特性，采用隨機頻率相位角調(diào)制法生成的畸形波波面時歷，計算在畸形波條件下平臺所受的一階及二階和、差頻波浪載荷，并采用數(shù)值方法求解平臺六自由度的運動。結(jié)果表明，在畸形波作用下，一階、二階波浪載荷均受到畸形波的影響，但各波浪載荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以縱蕩為代表的低頻運動主要受二階差頻波浪載荷影響，以垂蕩、縱搖為代表的高頻運動受二階和頻波浪載荷的影響。由平臺水平運動引發(fā)的下沉運動在二階差頻波浪載荷的作用下顯著增大，從而誘發(fā)垂蕩運動產(chǎn)生了顯著增加，因此在畸形波作用下垂蕩運動同時受到二階和頻及差頻波浪載荷的影響。由于畸形波具有沖擊載荷的特性，不同自由度運動幅值