浮式海洋平台结构运动耦合分析

江苏科技大学

硕士学位论文

浮式海洋平台结构运动耦合分析

姓名：元志明

申请学位级别：硕士

专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：嵇春艳

2011-03-07

江苏科技大学工学硕士学位论文

摘要

系泊系统是浮式海洋平台结构的重要组成部分，正确分析浮式系泊系统的动态响应是浮式系泊系统设计的关键技术，因此，浮式结构运动耦合分析具有重要的理论研究以及工程应用价值。

本文采用完全时域耦合方法，针对典型半潜式海洋平台结构及系泊系统的运动进行全耦合分析，获得平台及系泊系统的动力响应特性，比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。在此基础上，提出了一种集悬链线系泊系统和张紧式系泊系统优势的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，通过一半潜式平台数值算例，分析了在相同条件下，采用新型系泊系统时的平台结构主体、系泊系统的水动力学性能，同时讨论了不同工作水深对新型系泊系统的影响。本论文主要研究内容包括：

1.浮式平台主体结构水动力性能研究。在一阶线性波理论和二阶非线性波浪理论的基

础上，基于三维频域GREEN函数法计算了浮体的辐射势及其绕射势，得到了作用在浮体上的波浪载荷。同时，采用SESAM软件，对平台浮体进行了数值仿真，得到了平台的附加质量系数、附加阻尼系数以及频响函数。

2.浮式平台主体结构及系泊系统运动性能时域全耦合分析方法研究。采用完全时域耦

合方法，对半潜式平台浮体及系泊系统的运动性能进行了分析，比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。

3.浮式平台新型锚泊系统概念设计及性能分析。在分析当前浮式海洋结构物中普遍采

用的悬链式和张紧式系泊系统的优缺点基础上，提出了一种介于这两种系泊系统之间的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，并对这一新型系泊系统进行了数值模拟，将其仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较，结果表明，该系统可以减小浮体的偏移量，改善平台的工作条件，降低系泊缆索的张力峰值，同时还兼具了悬链线系泊系统的特点，大大降低了对锚的抗拔性能的要求。

4.新型锚泊系统适用水深范围研究。通过对系泊系统在500m-3000m范围内的不同工

作水深进行数值模拟，得到了浮体运动响应、缆索张力变化及质量块的质量分布随水深的变化情况，探讨了不同的工作水深对新型系泊系统和传统张紧式系泊系统的影响，给出了新型系泊系统的最佳适用的工作水深范围。

关键词浮式结构；系泊系统；半潜式平台；耦合分析；时域方法

Abstract

A bstract

Mooring system is an essential part of floating structures,and dynamic analysis plays an integral role in the design of floating production systems.As thus,coupled analysis of floating productions systems is of great significance in theoretical research and engineering application.

In this paper,full time domain coupled method is employed to analyze a typical semi-submersible in order to acquire the dynamic responses of vessel and lines.And then, the comparative analysis is carried out between full coupled,semi-coupled and non-coupled method before the validation of the superiority of the full time domain coupled method. On this basis,a new mooring system integrating catenary with taut mooring is proposed and after that,a semi-submersible platform is simulated to illustrate the improvement of the new mooring system in hydrodynamic performance of the floating system.Meanwhile,the effect of water depth on mooring systems is discussed.The paper’s main research concludes:

1.Research is carried on the dynamic performance of the vessel.Based on linear wave

theory and second order wave theory,3D Green’s function is adopted to solve the diffraction and radiation potential in order to obtain the wave loads on vessel.Moreover, the vessel is simulated by SESAM software to obtain the added mass,radiation damping and RAO of the vessel.

2.Research is carried on the full time domain coupled analysis on the hydrodynamic

performance of the floating system.Motion performance of floating structure coupled with mooring lines is simulated by employing full coupled analysis method, semi-coupled analysis method and non-coupled analysis method.And then the difference can be figured out between these three methods before the validation of the superiority of the full time domain coupled method.

3.Research is carried on the conceptual design and performance analysis of the new

mooring system.The merits and demerits of catenary mooring system and taut mooring system,which are commonly used nowadays,are analyzed.Falling somewhere between these two systems,a new mooring system integrating catenary with taut mooring is

proposed.In order to expound and prove the advantages of this new system,the motion performance of the new mooring system is https://www.360docs.net/doc/648867867.html,paring the result of new mooring system with that of taut mooring system,it can be concluded that the movement of the platform using the new type mooring system is smaller than that using the taut mooring system,which ensures a better working conditions.Furthermore,the new mooring system is also compatible with the characteristic of catenary mooring system,which eliminates the requirement of anti-uplift capacity of the anchors.

4.Research is carried on the adaptive water depth range of the new mooring system.

Several typical water depths ranging from500m to3000m are simulated in order to acquire the displacement of the vessel,the tension of the lines and the arrangement of the lumped masses varying with the water depth.And then the optimal water depth can be found.

Keywords floating structures;mooring systems;semi-submersible platform;coupled analysis;time domain

江苏科技大学学位论文原创性声明

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年月日

摘要

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第1章绪论

第1章绪论

1.1研究的意义和目的

石油是国民经济的血脉，拥有充足的油气资源,并且保证油气资源的稳定供给,是经济平稳发展必不可少的前提保障[1]。目前，世界石油工业却面临着极大的挑战。全球油气储量增长乏力，而全球的油气消费量仍将以较快的速度增长。根据国际能源署（IEA）发布的世界能源展望预测，从2000年到2030年世界石油需求预计年均增长1.6%，其中到2030年达到57.69亿吨；天然气的需求量年均增长2.4%，到2030年达到42.03亿吨油当量[2]。然而陆上石油储量已远远满足不了如此大的需求，再加上油气价格不断走高，因此急需寻找储量的接替区域，海洋油气的开发自然就成为各国角力的焦点。全球海洋油气资源丰富，海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，探明率30%左右，尚处于勘探早期阶段。据《油气杂志》统计，截至2006年月1日，全球石油探明储量为1757亿吨，天然气探明储量173万亿立方米。全球海洋石油资源量约1350亿吨，探明约380亿吨；海洋天然气资源约140万亿立方米，探明储量约40万亿立方米。海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60％，但大陆坡的深水、超深水域的油气资源潜力可观，约占30%。在全球海洋油气探明储量中，目前浅海仍占主导地位，但随着石油勘探技术的进步，勘探逐渐进入深海。水深小于500米为浅海，大于500米为深海，1500米以上为超深海。2000-2005年，全球新增油气探明储量164亿吨油当量，其中深海占41%，浅海占31%，陆上占28%[3]。

从以上数据不难发现，油气资源开发的重点已由陆地向海洋发展，海洋油气的开发趋势已由近海浅水向远海深水发展。我国约300万平方公里的管辖海域是环太平洋油气带主要分布区之一，渤海、黄海、东海及南海北部大陆架海域及南海海域蕴藏着丰富的石油天然气资源。我国南海是世界著名的四大海洋油气资源区之一，含油气构造200多个，油气田180个。经初步估计，整个南海的石油地质储量大致在230亿吨到300亿吨之间，约占中国总资源量的1/3，有“第二个波斯湾”之称。然而，南海水深一般在500米～2000米，属深水作业区，台风、海浪、内波、沙坡、沙脊等恶劣海况亦加大了该海区石油开采的难度。由于我国深海油气的勘探和开发技术起步较晚，造成中国至今仍没有在南海竖起一座井架、打出一口油井的不利局面。而与此同时南海周边越南、菲律宾等国家已在南海海域开始掠夺性开发。鉴于此，发展能在深水作业的浮式生产系统已迫在眉睫。

由于水深的增加及工作海况的恶劣，传统的固定式平台的重量和建造成本呈指数

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级上升，而顺应式平台和浮式生产系统能随风、浪、流等环境诱导力移动，这鞋结构相对而言要轻得多，成本也低得多，因此，目前广泛用于深海作业的浮式结构主要有张力腿平台（TLP）、立柱式平台（SPAR）和浮式生产储油系统(FPSO)。这些深海石油资源开发工具大多由三个部分组成：浮体结构、系泊缆绳和立管。浮体通过系泊缆绳长期固定于特定海域，通过立管输油进行石油的开采工作，这就决定这些浮式系泊系统的设计要经受得住恶劣的波浪、流及风等随机环境载荷的作用。因此，在浮式系泊系统的设计中，正确确定其在海洋环境载荷作用下的运动响应及系泊缆绳张力显得十分重要。传统的动力响应分析，是将浮体、缆绳和立管独立开来，分别进行计算。随着投入生产的浮式结构的数量的增多以及分析方法的不断改进，相关学者们在总结原始设计及实际测量数据发现，传统的独立计算方法在精度方面存在很大误差，这些误差主要来源于两个方面：一是没有考虑浮体、缆绳和立管之间相互的动力影响；二是忽略了浮式结构的平均位移、波频响应和由波浪的二阶力引起的低频响应之间的相互作用。鉴于此，将浮式系泊系统作为一个整体，并考虑波频响应、低频响应和浮体平均位移的耦合分析方法将成为深海浮式系泊结构设计时唯一行之有效地方法[4]。采用耦合分析方法所产生的数据，将为浮式系泊系统的设计提供较为精确的数据，并为其在海上作业提供可靠保障。

综上所述，国民经济的血脉是石油，石油的开发已从陆地转向海洋，海洋石油开发的趋势是向深海发展，深海石油开采主要依赖于浮式系泊系统，浮式系泊系统设计的关键之一是动态响应分析，而耦合分析为深海浮式结构的动态响应提供了较为精确的分析方法。因此，浮式结构耦合分析具有极大的经济意义。

1.2深水浮式系统的结构形式及特点

随着海洋开发愈来愈向深海推进，深水作业将不断增加（在被统计的2000年及以后新建移动式钻井平台24艘中,全部均为深水或超深水钻井平台[5]），各种传统的移动平台（如半潜式平台和钻井船等），其运动性能和定位难以满足深水作业的要求，而各类固定式平台（如重力式平台和导管架平台等），因自重和工程造价随水深的变化而大幅增加，也已不能适应深海环境，所以必须开发新型的深水浮式结构。从20世纪50年代以来，一些国家不断进行这方面研究和探索，并设计出顺应式平台（compliant platform）。在近20年，顺应式平台得到广泛的发展和应用，其显著的特点是具有特殊的结构形式，从而使工程造价较低，结构的安全性良好[6]。据《E&P》2003年7月号(p.72)报道：从2003~2007年的5年间，全世界将有深水浮式结构共116座投入工作，其中浮式生产储油轮（FPSO）77艘，张力腿平台（TLP）16艘，立柱式平台（SPAR）13

第1章绪论

艘，半潜式采油平台(SEMI)10艘。由此可见，未来深海开发工具的趋势将是以上4种顺应式平台。

1.2.1浮式生产储油轮

图1.1浮式生产储油系统

Fig.1.1Floating Production Storage and Offloading

浮式生产储油系统[7][8]通常由船体、生产设备、系泊系统、输油软管等组成，其主要特点为机动性和运移性好，它通过系泊缆绳固定于海底，可以随风、浪、流的作用进行360度全方位自由旋转，因此它具有适应深水采油(与海底完井系统组合)的能力、在深水域中较大的抗风浪能力、大产量的油气水生产处理能力和大的原油储存能力。FPSO可以与导管架井口平台组合，也可以与自升式钻采平台组合成为完整的海上采油、油气处理和储油、卸油系统,但更主要的是用于深水采油，与海底采油系统(包括海底采油树、海底注水井、海底管汇等)和穿梭油轮组合成为完整的深水采油、油气处理、原油储存和卸油系统，如图1.1。浮式生产设施的应用已很普遍，在全世界已有70多艘FPSO正在操作运行，甚至有取代固定式平台的趋势。

FPSO是把生产分离设备、注水(气)设备、公用设备以及生活设施等安装在一艘具有储油和卸油功能的油轮上，油气通过海底管道输到单点后，经单点上的油气通道通过软管输到油轮(FPSO)上，FPSO上的油气处理设施将油、气、水进行分离处理，分离出的合格原油储存在FPSO上的油舱内，计量标定后由穿梭油轮运走。

鉴于FPSO的以上特点，以及它的作业水深范围广泛（20~2000m），因此，其未

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来发展的前景相当广阔。

1.2.2张力腿平台

图1.2张力腿平台

Fig.1.2Tension Leg Platform

张力腿平台[9]是在半潜式平台基础上发展起来的一种深水顺应式平台，结构形式与半潜式平台相识，每个柱形浮体下由数根垂直张力缆索将其固定于海底，如图1.2所示。这鞋垂直张力筋腱被超过结构自身重量的剩余浮力拉紧，结构的浮力是由垂直柱体和水下水平浮筒结构提供。主要特点是：平台的垂直运动在张力筋腱的作用下得到很大的改善，波浪上的运动性能良好。由于TLP纵荡、横荡及艏摇的固有周期在100s 以上，远高于海浪的特征周期，而其垂向运动、横摇和纵摇的固有周期又较小（2-5s），远低于海浪的特征周期，所以可以有效避免在波浪中的共振现象，波浪上的运动性能良好，降低了TLP在波浪上的运动响应。

TLP最大的优点是可以采用干井口和刚性立管，采油树和防喷口可以安装在甲板上，操作起来犹如固定式平台，维护费用也较低；平台主体与上部模块可以在码头边进行一体化建造，以降低海上安装费用。其主要缺点是：对上部结构重量变化敏感，有效载荷的调节能力较差；对高频载荷敏感，张力筋腱容易疲劳；因造价原因，水深

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适用范围受到限制，不宜太深。目前世界上工作水深最大的是2004年投入使用的Magnolia TLP，达到1425m。

1.2.3立柱式平台

图1.3立柱式平台

Fig.1.3Spar Platform

立柱式平台的结构形式最初是一个大直径(>25m)、深吃水(约200m)的圆柱体结构，柱内可以储油，称为传统Spar(Classic Spar)，属第一代。Oryt能源公司委托McDermott 公司在美国墨西哥湾的Neptune油田成功建造安装了世界上第一座立柱式生产平台，当地水深588m。第二代Spar称为桁架式Spar(Truss Spar)，在传统Spar基础上缩短了圆柱的高度，取而代之的是增加桁架及重块，并在桁架结构上增加了一些阻尼板以进一步改善Spar的垂荡性能，当平台的储油能力不高时，这种结构更轻、运动性能和稳定性能更好，更为经济有效，因此成为目前最为主流的Spar结构形式。为解决平台建造能力不足和避免长途运输以降低建造成本，2004年，第三代多柱式Spar(Cell Spar)在墨西哥湾Red Hawk油田建成并投入使用，该平台采用多个小直径深吃水圆柱组合在一起代替原来的单个大直径圆柱构成平台主体。立柱式平台中部有系缆点通过多根锚缆锚固于海底，地步有立管连接到海底油井。Spar平台如图1.3所示。

Spar平台底部设置固定压载舱，以降低重心高度，使其低于浮心，因此稳定性极高；由于采用深吃水结构形式，所以波浪对平台主体底部的冲击力通常很小，而且垂向运动、横摇和纵摇的固有周期一般在20s以上，高于海浪特征周期，因此在波浪上的垂向运动性能较好。Spar平台的主要优点是可以采用干井口，易于采用刚性立管，对载荷变化承受能力交大，有利于后期侧置钻井。主要缺点是需要大型海上吊装船在

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平台现场海域安装上部模块，安装成本高。Spar平台被认为是一种特别适用于深海的海洋平台形式，适用水深范围从550米到3000多米。

1.2.4半潜式采油平台

图1.4立柱式平台

Fig.1.4Spar Platform

半潜式平台由数个竖直柱形浮体（立柱）与水平浮体（下浮体）联合而成以支撑上部模块，并有多根系泊缆绳固定于海底，如图1.4所示。下浮体是没入水中的船形浮箱，提供的浮力支撑平台的重量。立柱的水线面面积较小，所以在遭遇风浪是平台的横摇和纵摇运动较小，但垂荡运动交大。半潜式平台一般依靠锚泊系统定位，通常由辐射状布置得8个以上的锚组成，悬链线状的锚链将锚和平台固接。对于定位要求较高的半潜式钻井平台，通常还装备有动力定位系统进行定位。半潜式平台抗风浪能力强（抗风100~120kn，波高16~32m），适应水深范围广（数10m至3000m以上），钻井能力强（钻井深度可达10000m以上），具有多种作业功能（钻井、生产、起重、铺管等），采用多根软性立管，平台主体与上部模块可在码头边进行一体化建造，以降低海上安装费用。半潜式平台的主要缺点是仅适用于湿井口，维护费用较高，疲劳问题较为突出，对立管不利，对载荷变化承受能力较低。目前世界上半潜式生产平台的最大作业水深已达1920m，最新的第六代半潜式钻井平台的最大工作水深已达3657m （12000ft），最大钻井深度约15240m（50000ft）。半潜式平台具有适应深水采油的能

第1章绪论

力，用途广泛，其发展仅次于FPSO，目前已发展到第六代。

1.3浮式结构的耦合分析方法

随着近海浅水区域的油气资源逐渐耗尽，人们将目光投向了远海深水，尤其是水深超过3000m的领域。浮式平台以及系泊系统动态响应的计算精度直接影响到浮式生产系统的可靠性，因而其结果显得尤为重要。

深海浮式生产系统主要由三个部分组成：浮体、系泊缆绳和输油软管（以下将系泊缆绳和输油软管统称为管线）。传统的浮式生产系统动响应的分析主要包括两个阶段[10]：第一阶段，计算浮体的运动，在这一阶段的计算过程当中，将管线视为准静态、非线性的轻质弹簧，其提供的恢复力涵盖于浮体的运动方程当中；第二阶段，管线的动力分析，在这一阶段的分析当中，将管线运动方程的上端边界条件定义为与浮体相连接的那个点的运动。

然而，通过各国学者多年的研究发现，这种将浮体与管线独立开来分别进行计算的分析方法在分析深海浮式结构的运动时，会带来很大的误差[11]。Kanda[12]、Ma[13]、Kim[14]通过对一TLP平台的研究证明，浮体及管线的相互作用会对浮式结构的动力响应带来很大的影响；Kim等[14]对TLP平台进行非耦合分析，证明其精度随着水深的增加而降低；Wichers和Develin[15]、Wichers[16]通过对FPSO进行分析亦证明非耦合方法的不足。Low和Langley[17]认为，造成这些误差的原因在于两个方面：首先，系泊缆绳的作用在于为浮体提供静恢复力，然而系泊缆绳的作用却不能近似为一根简单的非线性准静态弹簧，因为由系泊缆绳引起的惯性力及阻尼力是不能忽略的，因而在对浮式生产系统进行动力学分析时，不能将管线与浮体分离开来，而要将其视为一个整体进行分析；其次，浮式结构受到一阶和二阶波浪力的共同作用，在二阶波浪力的作用下，浮式结构将可能在纵荡、横荡以及艏摇这三种运动中产生低频共振，因此，在随机海浪的作用下，浮式结构的动力响应将出现两个数量级的频率：波频响应（频率为0.2～2rad/s）以及低频响应（频率为0.02rad/s左右），这两种响应，是通过管线的几何非线性以及作用在管线上的非线性拖拽力耦合在一起的，因此，这两种响应亦不能分离开来进行分析。

鉴于非线性问题以及各种运动和结构的相互影响，许多学者提出耦合分析方法。Teigen和Niedzwecki等[18～20]对部署在西非海域的TLP平台进行了大量的模型试验，发现波浪和结构的相互耦合作用对整个系统动力响应造成很大影响，它采用了耦合分析方法进行了数值模拟，并将模拟结果与实测数据进行比较，证明了耦合分析的必要性；Davies和Mungall[21]对一张力腿平台采用时域非线性有限元方法进行耦合分析，并证明该方法与传统的非耦合分析方法相比较，具有很大的改进；Wichers[22]研究了基

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于时域方法的单点系泊油轮数学模型的耦合分析；Bauduin，Blanc等[23]通过大量的模型试验数据来校准时域分析方法中的相关系数，从而提高分析精度；Zou，J.等[24]通过对现役的多个张力腿平台的耦合情况进行测试研究，对耦合分析进行了改进。除此之外，很多学者也证明了与传统的分析方法相比较，耦合分析方法能提供较为准确的结构动力响应以及管线张力的数据[25～29]。

随着浮式结构耦合研究的推进，各种耦合分析工具也得到很大的发展[30～37]。目前，已经开发出好几款商业的耦合分析软件，例如DNV的DeepC[38]。然而这些分析工具或者软件，大都是基于时域方法的完全耦合分析。时域法在模型化时可考虑所有的非线性，既可以计算稳态问题也可以计算瞬时问题；既可以计算线性或弱线性问题也可以计算强非线性问题。因此，时域的完全耦合分析具有不可替代的精度方面的优势。然而，尽管计算机硬件的发展速度惊人，但是距离完全时域耦合分析的要求却仍然很远，在浮式结构的常规设计时，采用时域完全耦合分析是不现实的。

为了迎合实际设计的需求，近年来的很多文献已经有提出了一些高效率的方法，这些方法的效率的提高是基于对耦合分析进行合理的近似和假设而得到的。Ormberg 和Larsen[39]提出了浮体的时域分析方法，并将管线视为准静态的，其动力影响可通过改变作用于浮体上的线性阻尼及惯性系数来代替。然而，正如Garrett，Gordon和Chappell[37]所指出的那样，这种方法是不够严密的，因为在估算管线的阻尼时，只考虑了导缆孔处的运动情况，而在现实情况下，管线的阻尼和浮体的运动是相互耦合在一起的，此时，严格的迭代法就显得十分必要了。Senra[40]提出一种浮式系泊系统耦合的数字衰减测试方法：首先，给浮体每个典型偏移方向一个初始位移，并允许其自由振动；从浮体的自由衰减响应，可以得出相应的惯性系数和阻尼系数。然而，Webster[41]却认为，管线的阻尼是相当复杂的，并不同通过这样简单的方法就能够得到。一般的衰减试验，主要忽略了以下几个重要因素：首先，由拖拽力引起的阻尼是非线性的，它由振动的幅度决定，而这个振幅本身就不确定，这样，阻尼率的估算就取决于对数衰减函数的峰值；其次，忽略了占主导因素的管线波频动力响应对阻尼的影响；再次，忽略了其它刚体运动的能量耗散，例如，Wichers和Huijsmans[42]认为浮体的垂荡运动会对纵荡阻尼产生很大影响；此外，由于管线几何形状的改变而引起的刚体位移量也会影响管线的阻尼。Senra[40]认识到这些问题，因此他也提出了一些改进措施，他通过对浮式结构的大量静止位置进行衰减试验测试，然后进行插值，在对刚体偏移进行时域分析的前提下，得出瞬态的阻尼。除此之外，Liu和Bergdahl[43]以及Bauduin和Naciri[44]等也提出一些方法来估算阻尼系数，这些方法考虑了管线做漫漂移运动时产生的能量耗散。近年来，Lie等[45]提出了一种简单有效的管线阻尼的估算方法，这种方法考虑了管线波频及低频运动时的耦合情况。然而，这一方法是偏于保守的，通过这种方法

第1章绪论

得出的阻尼系数要比真实值偏大30%左右。

然而，以上的这些方法都存在着准静态假设的先天缺陷。近年来，人们的目光逐渐投向了高效率的频域分析方法[46]。Le Cunff[47]等运用频域法分析了耦合浮式结构在一阶波浪力作用下的响应。他们的分析大致分为以下两个步骤：首先，采用频域方法得出浮体的附加质量和辐射阻尼等水动力系数；然后对频域的浮体运动方程进行积分，此时，管线用有限元进行模拟，并将浮体视为管线末端的一个节点，该节点的阻尼、刚度等属性由第一步计算得出。Le Cunff和Sam Ryu[48]将这种频域方法运用于一FPSO 的偶和计算，并将频域计算的结果与时域结果进行比较，证明两者的计算结果是很接近的。尽管如此，频域分析也有着它的不足，其中的一个原因就是在非线性问题的处理上要做大量的近似，而这些非线性因素对精度的影响是不确定的。鉴于这一问题，Low和Langley[17]开发了一套计算机程序来进行浮式结构的耦合分析，该程序即包含了时域方法又包含了频域方法。运用这一程序对一工作水深2000m、有义波高100m 的FPSO进行分析，结果证明在浮体运动及管线张力的预测方面，时域方法和频域方法惊人的接近。导致结果吻合的原因主要有两个：随着水深的增加，集合非线性的动力影响逐渐变小，因为系泊缆绳的尺寸增加的同时，浮体由波浪产生的运动却不变；其次，合理的线性化程序减小了相对速度方差的误差，这将使得拖拽力的估算更加准确。同时，他们也发现，在水深较浅时（200m），频域方法所带来的误差相对还是较大的，因为此时管线的几何非线性对整个结构的动力响应在成很大影响。Garrett[49]比较了时域和频域方法在耦合分析时的差别，他所分析的对象为一半潜式平台，其工作水深为1800m。在有义波高为3m的时候，频域计算的结果和时域结果吻合的很好，但是，当有义波高达到百年一遇的12.2m的时候，两者的差别就很明显了。如果对海底与管线的相互作用采取线性化处理后，结果的吻合度又会有所提高。Donogh https://www.360docs.net/doc/648867867.html,ng[50]等采用时域和频域的方法分别对一单点系泊的FPSO进行耦合分析，结果也证明在对非线性问题进行合理的线性化处理后，两者的计算结果吻合较好。Ran、Kim 和Zheng[27]也对一Spar平台进行了耦合分析，并比较了时域方法和频域方法的差别，结果证明，在不考虑流的作用的情况下，两者对纵荡运动计算的结果相差30%，考虑流的作用时，差别将更大。很显然，Ran等得到的结果相对于Garrett[49]和Donogh https://www.360docs.net/doc/648867867.html,ng[50]的结果显得很不乐观，这也为频域方法的可行性留下很多悬念。

时域法能为耦合分析带来很大的精度，然而效率却非常低；频域法能在很大程度上提高耦合分析的效率，但是精度却得不到保证。Connaire、Lang和Galvin[51]等认为研究一种既能保证效率又能提高精度的耦合分析方法，将是以后研究浮式结构耦合分析的方向。Low和Langley[4]提出一种时域频域的混合方法（Hybrid Method），他们认为，由二阶波浪力引起的低频运动是一个非高斯过程，鉴于其非线性的影响很大，宜采用时域法进行耦合分析；而波频运动大多是线性的高斯过程，宜采用频域分析。他

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们采用这一方法，对一FPSO进行了耦合分析，结果证明，混合计算饭与单纯的频域计算方法相比较，精度得到很大的提高，并且在完全非线性耦合的情况下，精度也能得到保证，且计算时间只有时域分析的十分之一。Low[52]将混合方法（Hybrid Method）的基本原理概括为两点：时域方法可以用来分析低频运动的纵荡、横荡和艏摇，由于此时结构的动力响应变化较慢，可以采取较大的时间步长进行处理，而管线的拖拽力可以用频域线性化处理后的系数得出；波频运动则可采用固定步长的频域法进行分析，主要目的是计算出拖拽力的线性化系数。通过对一工作水深为200m的多点系泊的FPSO进行耦合分析，同样得到Low和Langley[4]一样的结论。

综上所述，随着浮式系统向深海推进，耦合分析成为了能够得到结构可靠的动力响应的唯一方法。在进行结构的耦合分析时，目前主要有频域、时域以及时频结合三种分析方法。频域法精度以及处理非线性问题等方面存在缺陷，而时频结合的方法尚处于研究的起步阶段，还存在着大量的工作需要开拓，因此，完全的时域耦合是目前运用最为广泛的耦合分析方法，这一方法不但精度高，而且能够很好的处理非线性问题。尽管完全时域耦合方法计算时间很长，但是随着计算机技术的快速发展，这一方法将被越来越广泛的运用。

1.4研究的内容和方法

本文采用完全时域耦合方法，针对典型半潜式海洋平台结构及系泊系统的运动进行全耦合分析，获得平台及系泊系统的动力响应特性，比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。在此基础上，提出了一种集悬链线系泊系统和张紧式系泊系统优势的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，通过一半潜式平台数值算例，分析了在相同条件下新型系泊系统作用下，平台结构主体、系泊系统的水动力性能，同时讨论了不同工作水深对新型系泊系统的影响。具体如下：第1章——介绍了四种典型的深水浮式结构的结构形式及其特点，并综述了浮式系泊系统运动耦合分析方法。

第2章——阐述了运用边界元方法求解自由表面波的边界值问题，在此基础上介绍了一阶线性波浪理论和二阶非线性波浪理论，进而引入了格林函数法来求解速度势，推导了辐射势和绕射势理论。

第3章——对半潜式平台上浮体的水动性能进行了研究。御用三维势流理论，计算了作用在浮体上的波浪载荷。并对平台浮体的运动方程进行了求解。同时，采用SESAM软件，对平台浮体进行了数值仿真，得到了平台的附加质量系数、附加阻尼系

第1章绪论

数以及频响函数。

第4章——运用完全时域耦合方法，对半潜式平台浮体及系泊系统进行了分析。采用非线性有限元方法建立了系泊系统的仿真模型，运用完全时域耦合的分析方法，计算得到了浮体六自由度响应以及系泊缆索张力的时历曲线，并对这些响应结果的波频和低频成分进行了分离，讨论了各频率响应成分对半潜式平台系统运动的贡献。同时，比较了耦合分析和非耦合分析的预报结果，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。

第5章——在分析当前浮式海洋结构物中普遍采用的悬链式和张紧式系泊系统的优缺点基础上，提出了一种介于这两种系泊系统之间的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，并对这一新型系泊系统进行了数值模拟，将其仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较，论证了新型系泊系统对浮体的运动性能、缆索的张力变化以及系泊缆索末端形状的改善。同时，讨论了不同的工作水深对新型系泊系统和传统张紧式系泊系统的影响，探讨了新型系泊系统的最佳适用的工作水深范围。

1.5课题研究的关键技术与创新点

1.关键技术

(1)采用三维势流理论求解作用在浮体上的波浪载荷和水动力系数；

(2)采用完全的时域方法求解浮式系泊系统的运动耦合方程；

(3)采用SESAM软件对新型系泊系统的响应进行了耦合分析。

2.创新点

(1)基于完全时域耦合分析方法的浮式平台结构与系泊系统耦合运动的预报。同

时计算浮体和系泊缆索的运动响应，完全模拟了浮体和系泊缆索之间复杂的

相互影响，并且比较了耦合分析和非耦合分析的预报结果，论证了采用完全

时域耦合分析的优越性。

(2)提出了一种新型悬链与张紧结合式系泊系统，并通过数值分析，论证了该新

型系泊系统的优越性。

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第2章基本理论

2.1引言

为计算海洋工程结构物所受的波浪力，就要知道它所处海域的波浪形式和特点。波浪理论就是用流体力学的基本规律揭示水波运动的内在本质，如波浪场中的水质点速度分布和压力分布等，为海洋结构物设计时研究作用在结构物上的波浪力，波浪引起的结构运动等提供理论基础。波浪理论也已得到广泛的研究，主要有线性理论和非线性理论，线性波浪理论(Airy波)[53][54][55]是假定波浪振幅足够小，这样就可以基本忽略非线性项而得到速度势的近似解。但海洋中实际波浪的波幅一般是有限的，有时能达到较大的数值，许多观察表明，当海洋结构物系泊在波浪中时，除了产生摇荡运动以外，还伴之有结构物的长周期的慢漂运动，这一运动的频率远较不规则波的特征频率为低，而且摇荡运动的平均位置亦不在原先的静平衡位置上，发生了漂移。这是由于波浪力的二阶作用引起的，它包括二阶平均漂移力，慢变力或慢漂力（差频力）及快变力(和频力)[56][57]。一般来说，水平方向的漂移运动较为突出。与一阶的波浪激励力相比，二阶力的量级很小。但对于系泊的海洋结构物而言，由于系泊系统提供的水平运动回复力相对较小，而且一般具有较小的固有频率，可能与低频的波浪作用力发生共振而引起相当大的横移，在锚泊系统中产生相当大的应力。

对于大尺度结构物，入射波受物体影响将产生严重的绕射或反射，波浪的惯性力和绕射力是主要分量，而边界层的分离并不明显，可以使用势流理论来描述。势流理论是目前最常用的计算结构物湿表面上的波浪力的方法，它设定速度势存在并满足Laplace方程和四类边界条件：自由面条件、海底条件、物体湿表面条件和辐射条件（无穷远处边界条件）。根据Laplace方程和边界条件可以唯一地确定出速度势，然后按Bernoulli公式计算物体湿表面上的压力。而求解三维水动力的边界元法主要有两类，一类是格林函数法，另一类是Rankine源法[58]。

本章将主要介绍运用边界元方法求解自由表面波的边界值问题，在此基础上介绍了一阶线性波理论和二阶非线性波浪理论，进而引入了格林函数法来求解速度势，推导了辐射势和绕射势理论。

第2章基本理论

2.2自由表面波的基本方程及边界条件

2.2.1基本方程

在自由表面处的流体可以用域内的边界值问题进行描述。不可压缩理想流体在无旋场中的速度势满足拉普拉斯方程[59]

?u =0

（2.1）或者

02222222=??+??+??=?z y x ????（2.2）

这里，u 表示流体沿x 、y 、z 方向的速度，?表示速度势。满足方程（2.2）的解有无穷多个，为了保证解得唯一性，需要给出速度势满足的边界条件，对于非定常流，还应该给出初始条件。

2.2.2边界条件

边界条件[60]主要包括海底的边界条件及其自由表面的边界条件，后则又包括动力学和运动学的自由表面条件。考虑到海底的不可穿透性，底部的边界条件可以表达为：

0=??z

?，（d z ?=）(2.3)这里，d 是水深。运动学的自由表面边界条件就是在自由表面处的流体分子在任何时刻都处于自由表面上，运动学的自由表面的方程可以描述为：

0=?????+??+??z y v x u t ?ηηη，（η?=z ）(2.4)

其中，),,(z y x η表示自由表面的流体离开初始平衡平面的偏移量，它是空间和时间的函数。假设自由表面处的压力就是大气压，通常情况下，定义这个压力值为零，因此，自由表面的动力学方程可以写成：

0)(21=+???+??gz t ???，)(η?=z （2.5）

其中，g 为重力加速度。方程（2.1）的最常用的求解方法是摄动法，该方法假设流体运动的波幅很小，这样就能给出满足自由表面边界条件的近似解，而波面升高以及速度势作为幂级数展开，它们被认为是不具有尺度效应的摄动参数，线性波、二阶波或者更高阶的波浪理论将从波浪运动的摄动方程中得到。

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2.3波浪理论

一阶及二阶边界值问题的摄动方程将能给出一阶和二阶形式的解。一阶形式的解将直接得到线性波浪理论，二阶的解将得出二阶的波浪理论。总的速度势?就是所有阶的摄动解得叠加，自由面形状η也是各阶叠加的原理得到。最终，总的速度势和波形方程将写成如下形式：

)

()(n n ?ε?∑=（2.6）)()(n n ηεη∑=（2.7）

通过求解含有速度势的摄动方程可以得到线性波方程的解。一阶速度势可以写成以下形式：

??????+?=?+)sin cos ()1(cosh )(cosh Re t ky kx i e kd d z k igA ωθθω?（2.8）

一阶波形方程可以写成以下形式：

)sin cos cos()1(t ky kx A ωθθη?+=（2.9）

这里，k 代表波数，k=2π/L，L 表示波长，ω表示波浪的频率，A 表示波幅，θ表示入射波角度。二阶速度势及二阶波面方程可以通过求解含有二阶速度势的摄动方程得到。二阶速度势可以写成以下形式：

??????+=?+)2sin 2cos 2(42)2(sinh )(2cosh 83Re t ky kx i e kd d z k A ωθθω?（2.10）二阶波形方程可以写成以下形式：

)2sin 2cos 2cos()2cosh 2(sinh cosh 32)2(t ky kx kd kd kd k A ωθθη?++=（2.11）

在真实的海况下，波浪是不规则且随机的，每一个波的波高、波长和周期都是随机变化的，因此，用规则波的固定性来表达是不可能的。为了便于问题的讨论，我们假定不规则波是由许许多多不同波长、不同波幅和随机相位的单元波叠加而成的。在此，引入能量谱的概念来描随机波。比较著名且被广泛采用的波浪谱有P-M 谱和JONSWAP 谱。考虑到相位（相互间的时间差）的随机性，不规则波波形函数的数学表示式可以写成：

??

????=+?+=∑∑==N i i i i i i N i i M A t y k x k A t y x 11Re )sin cos cos(),,(εωθθη（2.12）