海洋结构动力学相关知识

5
1.2.3 浮式平台
TLP平台、Spar平台、半潜式平台
2018/10/26
6
张力腿平台结构形式
• • • • • 平台上体 立柱（含横撑和斜撑） 下体（浮箱） 张力腿系泊系统 锚固基础
2018/10/26
7
张力腿平台结构形式
• • • • • 平台上体
作业装备和生活舱室
立柱（含横撑和斜撑）
2018/10/26
2
1.2.1 固定式平台和活动式平台
• 共同的结构特征
上部生产结构模块达到数数千吨，远大于支撑结构的重量。
结构高度方向的尺寸大于水平方向的尺寸。
主要的振动形式为弯曲振动。
• 共同的振动特点
惯性力 恢复刚度 动力载荷 上部作业模块的质量 取决于支撑结构 风、浪、流、海冰、地震载荷
• 用于勘探石油的自升式钻井平台也可称为活动式平台。 • 有3到6根桩腿支承，桩腿有钢管式和桁架式两种结构。
站立状态
拖航状态
每根桩腿固定于海底的钢质 沉垫上，可以使平台结构稳 定并且减少桩腿插入海底的 深度。 平台的船体在海底以上的高 度可达到100米。
桩腿从海底拔出，并且收进 船体的低部，减少拖航过程 的阻力。
主 体 外 壳
浮 力 系 统
中 央 井
立 管 系 统
2018/10/26
13
Spar平台的动力学问题
• 垂荡运动
• 纵荡／横荡 • 纵摇／横摇
无自身回复力 半张紧系统，水平刚度大
位置漂移比较小
＜4%水深
小于6%水深
回复力矩由重力和浮力形成的力偶决定
运动性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计
＜10°
• 铰接塔平台的组成
塔柱、海底基础、万向接头、浮力舱、压载舱 该类型结构的固有频率远低于那些具有高幅值的波浪频 率，一般不会发生摇摆共振。
• 铰接塔平台的动力学问题
非线性的流体动力载荷 运动幅值跳跃、失稳 平台生产功能丧失 对于大长细比塔柱结构，需要考虑弹性变形研究塔柱的 运动和塔柱动强度问题。
2018/10/26
1.2.1 固定式平台和活动式平台
• 小于400m水深的海域
固定式平台
混凝土重力式平台
导管架平台
通过自身的重量维持 合适的垂直位置
管状桩腿，插入土壤一定深度， 以支持平台结构和作业模块的 重量。 固有弯曲频率或基本弯曲频率 大约是0.17赫兹。 振动的主要形式是弯曲振动。
2018/10/26
1
1.2.1 固定式平台和活动式平台
• 重要的动力学问题
在100m 以上水深作业时，波流联合引起的动力响应。
2018/10/26
3
1.2.2 顺应式平台
• 牵索塔平台
桁架式塔架 工作水深可达到400米 桁架结构减轻了结构重 量，减小了惯性力； 减小了风、浪、流等流 体载荷。 连接到海底基础上的缆索
钢缆
加重链
海底锚
在水面以下25米处，塔结构四周 对称地系上20根钢缆； 每根钢缆向下延伸约1000米，与 一根在海底锚固的加重链相连。
参数激励运动 纵摇运动幅值增大 运动失稳 动张力突变
25～40s 40～80s 150～350s
平台系索张力分析属于强非线性动力学问题，包括： 载荷非线性、 缆索分段结构刚度非线性、 材料本构关系非线性、 系泊缆交替松弛－张紧引起的复原刚度非线性。
2018/10/26
15
Spar平台涡激振动
漩涡自主体上周期性脱落 锁定效应 周期激振力
共振
涡激振动、涡激运动
很大应力、系泊和立管的疲劳损害 减少整个平台的疲劳寿命
螺旋侧板
螺旋侧板和垂荡板结构水动力特性研究也是Spar平台 需要研究的重要问题。
2018/10/26 16
Spar平台的固有周期
垂荡运动 横摇、纵摇运动 纵、横荡运动
2018/10/26
11
Spar平台的组成
Spar平台
平 台 本 体 平 台 上 体 平 台 主 体
系 泊 系 统
主 体 外 壳
浮 力 系 统
中 央 井
立 管 系 统
2018/10/26
12
Spar平台的组成
Spar平台
平 台 本 体 平 台 上 体 平 台 主 体
系 泊 系 统
链-钢缆-链结构 聚酯纤维缆
• 首摇
无自身回复力 首摇激励力很小
可以忽略不计
• 涡激振动
2018/10/26
14
Spar平台垂荡运动
• 垂向刚度 净水压力产生回复力，主要取决于水线面的面积。 系泊系统拉力的垂向分力与之相比可忽略不计。 • 外部激励力 长周期涌浪的外部激励力。 • 运动响应 共振情况下，垂荡响应会急剧增大， 并会产生纵摇耦合运动。 • 改善措施 螺旋侧板和垂荡板。
张力腿平台为半顺应半刚性结构形式。
2018/10/26 9
张力腿平台运动的固有周期
垂荡运动 纵、横荡运动 横摇、纵摇运动 首摇的运动 2-4s 100-200s 低于4s 高于40s
整个结构的频率跨越波浪的一阶频率谱两 端，可以避免结构和海浪能量集中的频率发生 共振。
2018/10/26
10
张力腿平台的动力学问题
• 波浪差频载荷是缓慢变化的力，与张力腿平台 水平面内固有长周期运动的频率接近，诱发水 平面内的大幅共振运动。 • 紊流风的激振频率也在该频率范围，加剧平台 的慢漂运动。 • 波浪的高频分量和高频水动力会引起的平台水 平面外平台的弹跳振动（Spring或者Ringing）。 • 高度约1000m的张力腿，承受波流联合作用，发 生非线性涡激振动，出现亚谐振动和组合共振 响应。 • 考虑来自张力腿的预张力和动态张力，张力腿 承受横向波流载荷和轴向激振力，发生参数激 励振动，是导致张力腿结构的大幅振动和失稳 的重要原因。
在正常天气或小风暴情况下，钢缆作为一坚硬的弹簧，提供 平台摇摆运动的恢复力。 在大风暴和飓风等恶劣的气象条件下，钢缆变得相对柔软以 使结构顺应风浪流载荷的作用。当平台摇摆的幅值增大时， 同时增大的还有加重海底链提离海底的高度，这样就增大了 平台的回复力使平台适应风暴载荷。
2018/10/26 4
1.2.2 顺应式平台
提供给平台主体必要的结构刚度
ห้องสมุดไป่ตู้
下体（浮箱）
提供浮力
张力腿系泊系统
提供预张力，提高系索刚度
锚固基础
固定张力腿下端
2018/10/26
8
张力腿平台受力和运动特点
• 浮力远大于自身重力 • 浮力=自重+张力腿的预张力
• 使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态，显著提 高了系索的刚度
• 平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小， 近似于刚性 • 浮筒所受水平方向波浪力较大 • 通过张力腿在平面内呈现柔性，较大的环境载 荷通过惯性力来平衡