船舶铺管作业动力学模型研究

船舶铺管作业动力学模型研究
深海海底管线铺设作业是深海油气开发工作的重要环节,而通过计算机进行仿真评估是保证管线铺设安全的有效手段。

本文针对铺管作业过程仿真对动力学模型准确性与实时性的双重要求,考虑铺管船实时运动、管线与非线性刚度海床的耦合作用,开展了S型管线、J型管线的静力学与动力学模型研究工作。

主要内容如下:详细研究了时域船舶运动理论中的辐射力的计算方法,基于脉冲响应方程,利用最小二乘拟合法对辐射力辨识方法进行了研究,建立了辐射力辨识模型,并分别采用频域辨识与时域辨识对辐射力进行了辨识分析与计算,在不降低模型精度下获得一种快速计算辐射力的方法,为铺管实时动力学模型的研究提供了必要的基础与支撑。

采用风洞模型试验数据插值计算了海风力、海流力,利用离线计算结果采用多维插值法计算了波浪力,采用全回转吊舱推进器敞水试验数据回归计算了推进器推力,结合上述辨识方法得到的船舶辐射力,建立了铺管船在波浪中时域船舶六自由度运动数学模型。

对铺管船在静水中与风浪流联合作用下的运动进行了仿真,并与船模试验及实船试验数据进行了对比分析。

根据S型管线形态与受力特点,将管线分为托管架段,中间段,悬浮段,边界层段与触地段五个部分。

在模型研究中,考虑了中间段与边界层段中弯矩对管线的影响,以及管线与弹性海底的耦合作用,并忽略悬浮段弯矩因素的次要影响,根据各段间的位移、倾角、受力与弯矩连续性边界条件,采用牛顿迭代法对该模型进行了解算,分析了管线壁厚与管线直径的变化对S型管线的形态与受力的影响。

在J型管线与非线性刚度海床耦合数学模型研究中,将管线分为水中悬浮段与触地段,建立了水中悬浮段数学模型并采用数值迭代法进行求解,建立了在触地段考虑管线与非线性刚
度海床的耦合作用的数学模型并采用有限差分法进行求解,根据各段间的位移、倾角、受力与弯矩连续性边界条件对管线整体形态与受力进行了计算,并分析和讨论了泥线抗剪强度、抗剪强度梯度和外管径等参数变化对管线的影响。

针对J型铺管动力学模型的实时性要求,采用数值离散方法,将管线简化为离散的集中质量点,以铺管船运动与海底为边界条件,考虑管线重力、浮力等静力作用,计及管线由于超长度大跨度作用产生的管线拉伸效应,以及管线内部张力、内部阻尼力和海流力等动力作用,建立了J型铺管作业实时动力学模型,分析和计算非均匀流和层流以及船舶运动对管线的影响。