浮式海洋平台结构运动耦合分析
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VI
Abstract
Abstract
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.
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.
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。
VII
江苏科技大学工学硕士学位论文
proposed. In order to expound and prove the advantages of this new system, the motion performance of the new mooring system is simulated. Comparing 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 from 500m to 3000m 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
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:
学位论文作者签名： 年月日
IV
摘要
江苏科技大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
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
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.
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
本学位论文属于：
(1)保密□，在 (2)不保密□。
年解密后适用本授权书。
学位论文作者签名： 年月日
指导教师签名： 年月日
V
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]。
analysis; time domain
VIII
Байду номын сангаас 江苏科技大学工学硕士学位论文
江苏科技大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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
Abstract
Abstract
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.
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.
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。
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江苏科技大学工学硕士学位论文
proposed. In order to expound and prove the advantages of this new system, the motion performance of the new mooring system is simulated. Comparing 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 from 500m to 3000m 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
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:
学位论文作者签名： 年月日
IV
摘要
江苏科技大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
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
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.
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
本学位论文属于：
(1)保密□，在 (2)不保密□。
年解密后适用本授权书。
学位论文作者签名： 年月日
指导教师签名： 年月日
V
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]。
analysis; time domain
VIII
Байду номын сангаас 江苏科技大学工学硕士学位论文
江苏科技大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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