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隨著深海石油開采技術(shù)蓬勃發(fā)展，性能出眾的采油平臺(tái)層出不窮。目前，世界范圍內(nèi)用于深水油氣開采的浮式平臺(tái)主要分為四類：半潛式平臺(tái)(Semi-Submersible)、張力腿平臺(tái)(TLP)，Spar平臺(tái)以及浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)FPSO。Truss Spar作為第二代Spar平臺(tái)以其良好的運(yùn)動(dòng)性能和經(jīng)濟(jì)性能成為了深海采油的主力軍。Truss Spar各自由度運(yùn)動(dòng)周期較大，遠(yuǎn)離波頻范圍，但二階波浪力的激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近，所以系統(tǒng)會(huì)有較大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。研究考慮了平臺(tái)在多種環(huán)境載荷聯(lián)合作用，以南海百年一遇環(huán)境載荷下的縱橫搖為重點(diǎn)，在頻域內(nèi)進(jìn)行了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。以譜分析法確定的設(shè)計(jì)波參數(shù)，結(jié)合規(guī)范推薦的風(fēng)、流荷載計(jì)算公式，以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析輸出的縱橫搖位移、錨纜張力作為設(shè)計(jì)載荷，對平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。
1 幾何模型與平臺(tái)尺寸
Truss Spar主體結(jié)構(gòu)分為四部分，由下至上分別為軟艙、中段、硬艙和上部模塊。軟艙存放固定壓載，降低平臺(tái)重心。中段分為析架和垂蕩板，析架在連接軟艙和硬艙的同時(shí)由于其小投影而積降低了波浪及海流對平臺(tái)的荷載，垂蕩板提高系統(tǒng)附加質(zhì)量和阻尼減小垂蕩響應(yīng)。硬艙是封閉式圓柱體，有方形中央井貫穿，分為多層艙結(jié)構(gòu)，為主要的浮力來源。上部模塊為安裝采油設(shè)備、生活區(qū)、直升機(jī)甲板的重要生產(chǎn)模塊。目標(biāo)平臺(tái)尺寸參數(shù)如表所示，坐標(biāo)系位于軟艙底部中心。
2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析
2.1 環(huán)境載荷與錨泊系統(tǒng)參數(shù)
根據(jù)南海百年一遇海況條件參數(shù)和JONSWAP波譜公式得到的波浪譜如圖所示。
研究的Truss Spar平臺(tái)采用3組共9根系泊索組成的懸鏈線系泊系統(tǒng)，圖為系泊系統(tǒng)布置圖。每根系泊線由三段系泊索組成，各段的材料幾何特性如表所示。
2.2 水動(dòng)力模型與運(yùn)動(dòng)方程
通過ANSYS-AQWA對平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算和輸出，采用AQ WA進(jìn)行建模時(shí)，需根據(jù)平臺(tái)構(gòu)件尺寸大小來選擇合適的單元類型。對于大尺度結(jié)構(gòu)物為結(jié)構(gòu)的特征長度，L為入射波長，如平臺(tái)的下浮體和立柱，由于尺寸較大，其興波輻射作用較為突出，故采用Panel單元進(jìn)行建模，作用其上的水動(dòng)力根據(jù)三維勢流理論進(jìn)行計(jì)算獲得;而對于小尺度構(gòu)件(D/L<0.2)，如Truss Spar平臺(tái)的析架結(jié)構(gòu)，粘性力在其水動(dòng)力中占較大成分，故采用Morison單元進(jìn)行建模，作用其上的水動(dòng)力采用Morison公式進(jìn)行計(jì)算，最終得到平臺(tái)主體及其系泊索的禍合計(jì)算模型如圖所示。
2.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)
對Truss Spar平臺(tái)在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)浪流入射方向及不同重現(xiàn)期下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜。由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)在搖動(dòng)方向產(chǎn)生的位移會(huì)使平臺(tái)發(fā)生傾斜，平臺(tái)所受對稱的浮力分布將發(fā)生變化。而上部模塊、軟艙有較大的集中質(zhì)量，硬艙中的質(zhì)量分布也不均勻，使傾斜的結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受較大的彎矩，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力響應(yīng)。因此，以縱搖和橫搖的響應(yīng)為例分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
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