（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）fpso单锚摇臂系泊系统的非线性动力特性研究.pdf

中文摘要 实验和研究工作表明，f p s o 系泊系统恢复刚度为分段线性特性。油轮在实 际使用中会遭遇各种波浪频率的波浪作用，导致油轮的运动的状态发生突变，引 起系泊载荷发生瞬时大幅的增加，从而导致系泊索被破坏行为的发生。本文考虑 f p s o 单点系洎系统分段线性特性建立控制方程，研究系统的固有动力学特性及 波浪作用下的运动响应，揭示系泊系统运动的动力特性，为f p s o 系泊系统的系 泊载荷的确定奠定理论基础。 本文综述了f p s o 系统的发展现状、系统组成及研究进展。利用经验公式求 得波浪载荷幅值，采用a l p 公司的s y s 系统为模型原型，通过实验得到单点系泊 系统的恢复力与位移关系曲线，并将实验曲线分段线性化，得到分段恢复剐度 毛= 1 8 t 锄，k = 3 3 8 t m 。考虑分段恢复刚度及油轮纵荡，建立单点系泊系统的 运动方程。分析了单点系泊一2 5 万吨油轮系统的固有运动特性，得到系统的运动 周期为5 2 9 9 6 s ；考虑不同的波浪参数，计算了系泊油轮的纵荡运动响应并进行 了稳定性分析，得到了不同分段恢复刚度比的无阻尼幅频响应曲线及有阻尼幅频 响应曲线。 计算分析表明，当恢复刚度最= k ，时，分段线性系泊系统的运动特性与为线 性结构系统相同；当系泊系统两段恢复刚度的比值减小时，系泊系统油轮纵荡运 动的幅值出现跳跃现象，在随机波浪作用下，系泊油轮的运动可能从小幅运动突 变到大幅运动，系泊结构因此受到冲击载荷。波浪频率与系统固有频率比q = 1 时，系统产生主共振响应；当q = 3 时，系泊系统产生1 2 亚谐共振响应；当q ：4 时，系泊系统产生1 3 亚谐共振响应：当n = 5 时，系统产生1 4 亚谐共振响应。 这表明在高海情下的系泊系统会出现亚谐共振。 关键词：单锚摇臂系泊系统纵荡运动分段线性平均法亚谐共振 a b s t r a c t m a n ye x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c hw o r ki n d i c a t et h a tt h er e s t o r es t i f f n e s so ff p s o m o o r i n gs y s t e m i s p i e c e w i s el i n e a r i t y i n a c t u a lu s ep r o c e s s ，o i lt a n k e r sc a n e n c o u n t e rw a v e so fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sw h i c hi n d u c es u d d e nc h a n g e so fm o t i o n c o n d i t i o na n di n s t a n t a n e o u si n c r e a s eo fm o o r i n gl o a d ，t h u st h em o o r i n gl i n e sm a yb e d e s t r o y e d t h i sa r t i c l es e t su pt h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o nc o n s i d e r i n gt h ep i e c e - w i s e l i n e a r i t yo ft h ef p s os i n g l ep o i n ts y s t e m ，s t u d i e st h ei n h e r e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dr e v e a l sd y n a m i cb e h a v i o r so fm o o r i n gs y s t e mm o t i o ni nd i f f e r e n tw a v e s ，w h i c h l a y st h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ed e t e r m i n i n gm o o r i n gl o a d so ff p s o t h ed e v e l o p m e n ts t a t ea tp r e s e n t ，s y s t e mc o n s t i t u t i o na n ds t u d yp r o g r e s sf o r f p s os y s t e ma r es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s t h ea m p l i t u d eo ft h ew a v ei sc a l c u l a t e d b ye x p e r i e n c ef o r m u l a ，u s i n gs y ss y s t e mo fa l pc o m p a n ya sam o d e l ，t h er e s t o r e f o r c ea n dd i s p l a c e m e n tr e l a t i o nc u r v eo fs p mi sg a i n e db ye x p e r i m e n t ，a n dt h e e x p e r i m e n tc u r v ei sp i e c e w i s el i n e a r i t y , t h e t w op i e c e so fr e s t o r es t i f f n e s sa r e r e s p e c t i v e l y 岛= 1 8 t l m ，如= 3 3 8 t m t h ed o u b l el i n e a rm a t ha n a l y s i sm o d e la n d k i n e t i ce q u a t i o no fs p mi ss e tu pb yc o n s i d e r i n gt h es u r g eo f t a n k e r t h ep e r i o do f t h e f p s os y s t e mi s5 2 9 9 6 st h r o u g ha n a l y s i so fn a t u r a lm o t i o nf o rs p m - - 2 5 0 0 0 0t t a n k e rs y s t e m ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft a n k e r ss u r g ea n ds t e a d ya n a l y s i sa r e c a r r i e do u tt h r o u g hc o n s i d e r i n gd i f f e r e n tw a v e sp a r a m e t e r s ，a n dt h en o d a m p a m p l i t u d e - f r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e sa n dd a m pa m p l i t u d e - f r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e s a t 血eb i l i n e a rr e s t o r es t i f f n e s sr a t i o sa r eo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e st h a t ，t h em o t i o nb e h a v i o r so f p i e c e - w i s el i n e a r i t yi ss a m ea s l i n e a rs y s t e mw h e nt h er e s o n a n c es t i f f n e s sk l = k 2 t h ea m p l i t u d eo f s u r g ew i l la p p e a r j u m pp h e n o m e n o nw h e nt h er e s t o r es t i f f n e s sr a t i od e c l i n e s ，t h em o t i o no ft h ef p s o s y s t e mw i l ls u d d e n l yc h a n g ef r o ms m a l l a m p l i t u d et ol a r g e a m p l i t u d em o t i o ni n r a n d o mw a v e ss ot h em o o r i n gs y s t e mw i l ls u f f e rf r o m i m p a c tl o a d s t h em a i n r e s o n a n tr e s p o n s ew i l lo c c u r ，w h e nt h ef r e q u e n c yr a t i oi sq = 1 t h e1 2s u b - h a r m o n i c r e s o n a n c ew i l lo c c u r w h e nt h e 矗e q u e n c yr a t i oi sn = 3 t h ei 3s u b - h a r m o n i c r e s o n a n c ew i l lo c c u r ；w h e nt h ef r e q u e n c yr a t i oi sq = 4 t h e1 4s u b h a r m o n i c r e s o n a n c ew i l lo c c u r , w h e nt h e f r e q u e n c yr a t i o i sq = 5 w h i c hi n d i c a t et h e s u b h a r m o n i cr e s o n a n c ew i l lo c c u rf o rt h em o o r i n gs y s t e mi nt h eh i g hs e a s ， k e yw o r d s s a ly o k es y s t e m ，s u r g em o t i o n ，p i e c e - w i s el i n e a r i t y , a v e r a g e m e t h o d s u b h a r m o n i cr e s o n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吞酗葙 签字日期： 如f 年j 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的舰定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 稠捅 导师签名 签字日期：2 呻，年j 月5 日 签字日期：多优崧f 月厂日 ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在能源消耗与日俱增的今天，对能源特别是石油资源的需求急剧增加。我国 海洋油气资源相当丰富，大陆架勘测预计石油资源为2 7 5 3 亿吨，天然气资源为 1 0 6 亿肌3 ，目前发现率仅为1 8 5 和9 2 ，尚具有很大潜力。 浮式生产储卸油系统- - f p s o 已经广泛应用在海洋油气生产中，尤其在我国 深海与边际油田的油气开发中将大量使用f p s o 。 由上海交通大学进行的f p s o 单点系泊系统在耐波性水池中运动响应的模型 实验可知，系泊系统的系泊力与油轮位移之间呈现非线性特性，即系泊系统的恢 复刚度为分段线性关系，相关的研究也指出这一点。油轮在实际使用中会遭遇各 种波浪频率的波浪作用，在不同频率波浪载荷作用下时会呈现不同的运动状态， 导致油轮从一个运动状态突然跳跃到另一个运动状态，这种危险的突变会引起系 泊载荷发生瞬时大幅的突变，从而导致系泊索被破坏行为的发生。所以，本文研 究f p s o 单点系泊系统分段线性运动特性，分析系统的自治运动特性与非自治运 动特性，并求出在不同波浪环境下系泊系统的时间历程响应，分析其运动的稳定 性，揭示f p s o 系泊系统的波浪环境下的动力响应特性，为f p s o 系泊系统的系泊 载荷的确定奠定理论基础。 1 2 海洋石油浮式生产储卸油系统- - f p s o 1 2 1f p s o 的产生、发展及应用现状 浮式生产储卸油系统( f p s o ) 是f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n g s y s t e m 的直译，有时简称浮式生产系统，我国大多称其为浮式生产储油装置， 简称f p s o “，如图卜1 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1f p s 0 系统图 f p s 0 概念提出于1 9 4 7 年；1 9 7 7 - - 1 9 8 5 年为发展初期；1 9 8 6 一1 9 9 4 年，地 位正式确立，开始较为广泛的应用，并向深水发展。1 9 9 5 年至今，新建f p s 0 广 泛应用于北海、东南亚、南中国海、西非；在巴西、澳大利亚、地中海一代也有 使用，近年来已成为世界海洋石油开发的主流方式。 1 9 7 7 年8 月，西班牙壳牌( s h e l l ) 公司首次将一艘商业油船改装成浮式生产 储卸油装置，并用于距西班牙的塔拉戈拉6 4 口：n 、水深1 1 7 m 的地中海卡斯特伦油 田。目前，在世界f p s 0 船队中，有3 5 艘新建和5 6 艘改装的f p s 0 。从f p s 0 的 储油能力来看，近两年来装备的f p s 0 创下了储油量的记录。巴西石油公司位于 巴西近海的p 3 1 ，p 3 2 ，p 3 3 ，p 3 5 号f p s 0 ，储油量均为2 0 0 万桶。就f p s 0 的石 油生产能力而言，1 9 9 4 年以前平均为6 万桶日，2 0 0 1 年2 月1 3 日在韩国下水 的g i r a s s o l 号f p s 0 ，设计的生产量为2 0 万桶日。直到1 9 9 5 年以前，作业水 深保持在2 0 0 m 的水平上。1 9 9 9 年初，s e i l l e a n 号f p s o 在巴西近海的龙卡多尔 油田创下了作业水深的记录：1 8 5 3 m 。据石油海上业务分析商道格拉斯一威斯 伍德公司和英菲尔德系统公司的报告，2 0 0 5 年将有1 2 3 个浮式生产储油装置投 产，新增值4 2 0 亿美元。 2 0 0 1 年统计全世界共有浮式生产储卸油轮( f p s 0 ) 7 2 条，浮式储卸油轮 ( f s 0 ) 3 5 条，浮式生产装置( f p u ) 1 5 条，总计1 2 2 条，其中颓建3 l 条，改造 9 1 条。从我国自行研制的第一艘“渤海友谊”号于1 9 8 9 年7 月交付使用至今， 我国目前共有1 3 艘f p s 0 在渤海和南海海域的1 6 个油田作业，总载重量达1 7 0 万吨。 1 2 2f p s 0 的组成 浮式生产储油系统是集海上油气生产、储存、生活、动力于一体的海洋工程 结构物。作为一种海上油气生产形式，f p s 0 与海上油气平台井口相连。将采集的 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 原油储存在舱内，再进行加工处理后外输，所以f p s o 主甲板上安装生产处理设施 和动力系统等复杂的公用设施。f p s o 设施的主要组成包括： 1 上部生产模块 一般在f p s o 主甲板以上，根据生产工艺的要求设置生产甲板。生产甲板就相 当于一座陆地上的生产厂，设置油气生产和污水处理所需要的设备，如加热器、 分离器、冷却器、活水脱油装置、压缩机、输送泵、安全放空装置以及为生产需 要的其他配套设施。这些设备用于：处理成合格原油后存储于舱内；处理生产污 水，一部分直接排入海里，达标部分作为油田注水的水源：分离出来的天然气作 为发电机和加热锅炉的燃料，或者输送出去供客户使用。 2 船体储油舱室 f p s o 主甲板以下的舱室，除压载水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱和部分与生 产模块相关的工艺舱室外，很大部分舱室用来存储经处理的合格原油。一般应能 存储油田1 0 天以上的产量，等待穿梭油轮外输。 3 系泊系统 将f p s o 的船体与海底连接，调节在风、浪、流作用下的运动，保证f p s o 长期 安全的在海上作业。一般采取单点系泊，以便在环境力作用下全方位自由旋转， 达到受力和运动最小状态。根据油田的水深、海况、产量以及油气的特点，选择 不同形式的单点系泊。 4 供电和供热系统 开发油田所用的大量机械设备离不开电和热，f p s o 利用生产过程中分离出来 的废气作为燃料进行发电和加热锅炉，锅炉产生的热量供生产流程加热使用，所 发的电除供f p s o 本身生产和照明外，还需通过海底电缆输送到各井口平台。 5 全油田生产指挥系统及生活基地 在f p s o 上除了生产模块外，还设有供生产操作人员生活和休息的场所。它提 供几十人到上百人的所需住房、餐厅、会议室、办公室、娱乐室和中央控制室等， 不仅为平台提供支援、服务，而且是油田的指挥中心。生活模块一般布置在艏部 或娓部。此外，还设有直升机平台，供海上人员往来或应急之用。 6 海底连接系统 海底连接系统包括疏通油气的采油树、海底管汇、立管和立管基座及输油管 连接系统，井口平台与f p s o 连接的控制监控系统以及油井服务系统等。 1 2 3f p s o 系泊系统 1 系泊系统结构 f p s o 系泊系统设计的使用周期通常g 1 0 0 # ! 。锚泊系统在设计时，需考虑周 天津大学硕士学位论文第一章绪论 围环境的影响，主要有冬季暴风雪以及热带龙卷风。 f p s o 上的转塔结构是通过系泊系统将其固定于海底的。锚链与转塔结构的转 盘相连以满足船体的转动。转塔可以固定在从船艏至船舯的任意位置。转塔的位 置主要是由船体在环境外力作用下的转动的灵活性来决定的。转塔离船舯越远， 船体就越容易转动。对于那些定位于船艏或其附近的转塔，船体不需要推进器就 可以随着外力的作用而自由转动。但是，转塔越靠近船艏，摇艏引起的锚链顶端 垂向运动就越明显，过大的垂向运动会增加锚链的动张力。转塔置于船艏时，锚 链的动张力比转塔置于距船艏1 3 处时要大2 0 。 如果f p s o 上装有推进器对船艏进行控制，那么这时候，转塔通常置于距离船 f l 酋1 3 位置处，以求一定的推进效率。考虑到船员的安全因素，船员的生活区应 选在加工区的上风口处，远离烟囱。 在热带暴风益发海域，暴风来临之前，所有船员应撤离工作地点。因此，转 塔应该固定在船艏或其附近，此时不需要推进器的协助，船体就可随着外力自行 转动。这就大大的增强了系泊系统的可靠性。在转塔附近，沿着锚链引入潜水式 浮筒，可以有效的减小因艏摇而引起的锚链动张力。 2 系泊模式 一般来说，对等分布的系泊模式用于基于半潜式的可移动钻井船( m o d u ) 上， 因为半潜式船体在任何方向所受的环境力都基本相同，所以也就没有必要让半潜 式船体转到受力最小的方向上。另外，在m o d u 上只有一个钻井立管，很少与锚链 布置发生冲突。f p s o 上可以通过转塔装有很多立管。为了减小这种冲突，通常采 用分组系泊模式，如图1 - 2 所示。 另一种是对等分布系泊模式，如图卜3 所示。二者相比单链最大受损情况下， 分组系泊模式锚链的最大张力要小2 0 左右，最大偏移量要小5 左右。因此， 分组系泊模式提供了更好的锚链张力余量，即在锚链张力上有更高安全系数，以 防止系泊系统发生故障。 图卜2 分组系泊模式 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 | ? 泌 1 承 t t l 自 厶 襄 垂 图1 3 对等分布系泊模式 3 锚链结构 锚链通常是由链和绳索构成的。考虑到不同的设计要求，有时需要引入潜水 式浮筒或浮块，以减小自身重量的影响。在水深不超过1 0 0 m 的浅水中，全部锚 链都可以使用上。为了节约成本，对于长期固定的锚链系统，接地的部分可以用 较轻的金属绳索替代。额外的锚链长度并不是用来在抛锚处提供反力，而是用来 为锚链提供弹性。否则，锚链会由于弹性不够，而不能承受过大的动力载荷。 如图1 4 所示，在深水中( 水深超过3 0 0 m ) ，锚链中的悬浮部分通常是由金 属绳索构成的，以增加刚度，减小锚链的最大张力。在极度深水区域( 水深超过 2 0 0 0 m ) ，即使是常规的链一索混合式的锚链也显得过重，导致水平方向上的刚 度不足，无法抵抗外部环境载荷。 风 水深 图1 - 4 深水锚链结构 为了解决这问题，引入了合成系泊系统。美国船检局( a b s ) 在这一方面 提出了重要的指导经验”。实际应用方面，p e t r o b r a s 公司在巴西海域几个深 水项目中就使用了聚酯张力腿系泊系统。如图卜5 所示，带锚桩或垂向载荷平板 锚的聚酯张力腿系泊系统，大大减小了锚链从转塔接口处到锚泊处的伸长量。相 对较轻的聚酯绳索也有利于减少锚泊系统索重量。聚酯张力腿系泊系统比悬链式 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 链一索系统有更大的刚度，特别是在深水区域。这是因为聚酯张力腿系泊系统的 刚度是由线弹性提供的，而不像链一索系统那样是由重力提供的。尽管聚酯张力 腿系泊系统有很多优点，但仍应该注意以下几点： ( i ) 长期使用可能导致老化； ( 2 ) 安装中和风暴中可能受损； ( 3 ) 与其他锚链联接的兼容性； ( 4 ) 垂向载荷锚的可靠性。 可以使用潜水式浮筒来克服一些深水系泊中的问题，其结构形式如图卜5 所 示。潜水式浮筒能有效的减小深水中由于锚链重力引起的转塔上的垂向载荷。因 此，当导缆口处的垂向载荷作用减小时，系泊系统的刚度也就提高了。转塔附近 的中间浮简使得转塔的垂向运动方向和锚链的方向更偏于垂直。这就减小了波浪 作用下船体运动引起的线性动力对锚链的影响。另外，系泊系统中的潜水式浮筒 还有下面两个作用： ( 1 ) 有利于安装与维护； ( 2 ) 有利于清洁立管，排除其他障碍物。 如图卜5 所示，直立浮筒( f i s m gb u o y ) 下的锚链部分，可以预先随锚链系统 进行安装，以减少锚链系统和f p s o 连接的时间。由于线张力减小，浮简便使得锚 链线索更接近水面，更便于锚链的检查和维修。直立浮筒也有助于将锚链和立管 或海底管线分离，防止可能的干扰。当然，在锚链中添加直立浮筒，也会增加额 外成本。中间浮筒( i n t e r m e d i a t e b u o y ) 设计时还要考虑到以下因素： ( i ) 有足够的潜水深度； ( 2 ) 远离静水面以减小波浪载荷对它的影响。 图卜5 带潜水式浮筒的锚链结构 4 锚泊点与锚设备 海底锚泊点的选择对于固定f p s o 至关重要。根据海底土壤的情况和需要的性 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 能，有各种不同的锚设备可供选择。主要有两大类： ( 1 ) 传统的抓力锚； ( 2 ) 用来抵抗垂向载荷的锚设备，如吸力锚、垂向载荷平板锚( v l a ) 。 垂向载荷平板锚是用来承受垂向载荷的。这类锚从海底拔起后，它们就完全 失去了支持能力。这一点和传统的抓力锚恰恰相反，传统的抓力锚在环境外力作 用下，位置发生移动后仍然有一定的支持能力。另外，具体的土壤分析总会有一 些不确定因素存在，因此美国船检局( a b s ) 对垂向载荷平板锚最终支持能力， 要求更高的安全系数”。将上面两种类型的锚设备的设计安全系数比较如下。 完整的设计环境条件下：垂向载荷平板锚安全系数= 2 0 ，传统抓力锚安全 系数= 1 5 ；一链断裂时的设计环境条件下：垂向载荷平板锚安全系数= 1 5 ， 传统抓力锚安全系数= 1 0 。与垂向载荷平板锚相比，传统抓力锚也有自己的优 点。当实际环境超过设计环境标准时，锚设备就可能发生移动，但传统抓力锚这 时并没有完全失去作用，仍然有一定的支持能力。另外，随着锚设备的移动，分 组锚链通过调节绳索之间的伸张状态，来减小绳索的最大线张力。 5 锚泊系统结构 f p s 0 单点系泊工作于固定海域时，锚泊系统结构和与之相连接的船体结构承 受着交变锚泊力，必须具有足够的疲劳寿命。一般来说，f p s 0 有两种锚泊方式， r p y o k e 方式和中心抛锚方式，如图卜6 所示。 1 2 4 转塔系泊装置 图卜6y o k e 锚泊系统示意图 转塔系泊装置( t u r r e n t ) 是一种钢结构装置嘲，其上部与f p s o 直接相连 ( 无任何铰接点) ，下部用系泊链固结于海底，顶部装有旋转接头。f p s 0 在风、 浪、流的作用下可绕转塔内部轴承转动。柔性立管通过法兰与转台底部的刚性管 连接。根据转塔的结构及其在f p s o 上的安装位置，可将其分为四种类型”。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 水上转塔系泊装置 水上转塔系泊装置，转塔直接连接到f p s o 的艏部和艉部外伸结构上，位于水 面以上。为了防止系泊链与船体发生碰撞，外伸结构要足够长。井口采出的油流 经转塔上部的旋转接头输送到浮式生产储油装置上。 水上转塔系泊装置的优点是，在正常操作条件下，轴承、链组、柔性管线连 接部分以及转塔均位于水面上，便于检查和维修；缺点是船艏( 或船艉) 的外伸 结构过长，在恶劣海况下，柔性立管的上部受波浪的影响较大。 2 水中转塔系泊装置 。 水中转塔系泊装置通常采用双轴承结构，一组轴承在水上，一组在水下。因 为系泊链固定点位于水下，所以避免了系泊链与船体发生碰撞。这种转塔系泊装 置的优点是外伸结构很小，柔性立管在水下，不受波浪的拍打；不足之处是需要 双轴承系统，增加了装置的复杂性。另外，链和柔性管须在水下维修。 上述两种转塔系泊装置适用于浅水中，其适用水深为3 0 4 0 m 。 3 内部转塔系泊装置 内部转塔系泊装置如图卜7 所示，转塔位于船体内部，系泊链固定在转塔底 部，来自海底的柔性管汇与转塔内部的刚性管汇连接，或直接向上连接到转塔的 上部，通过旋转接头实现井口流体的转换与传输。内部转塔可用单轴承或双轴承 支撑。单轴承转塔直径较大，不便用于改装的现有油轮上；双轴承转塔直径较小， 可用于改装的油轮上。内部转塔系泊装置适合于深水或环境条件恶劣的油田。 柔性立管 j 、 图卜7 内部转塔系泊装置 内部转塔系泊装置的优点是转塔直径可以设计的很大，以便提供足够大的空 间安装设备和管汇。与转塔位于船艏的系泊装置相比，内部转塔系泊装置使得 f p s o 在转塔处的垂直运动更小，因此减少了系泊链和柔性立管的负荷。如果配上 动力定位系统，这种系泊装置还可进行修并作业。其缺点是，当转塔设置的位置 接近油轮的中心时，油轮将会丧失抗风能力。一系列研究结果表明，转塔位置距 离船艏为油轮长度的2 0 3 0 时效果最好。但由于在现有的油轮上安装内部转 塔所需的改装费用较高，所以一般采取直接建造新油轮的方法。 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 单点系泊系统研究现状 1 3 1 国外研究现状 印度a l i g a r h m u s l i m 大学的a a s h a h ，a u m a r ，n a s i d d i q u i 研究了一种 松弛系泊系统和张紧系泊系统的可靠性评估的方法“。首先，他们采用松弛系泊 系统和张紧系泊系统两种模型，利用谐波平衡法求解运动方程，然后对这两个模 型分别进行稳定性分析，得到不稳定区域，并基于m o n t ec a r l o 仿真技术的方法 对系统的可靠性进行评估，得到了上述两个系统的失效概率和可靠性指标。同时， 他们还研究了不稳定性区域的上下限以及外力频率范围对系统的失效概率和可 靠性的影响。最后，他们得出结论：在给定海域情况，通过改变船舶或平台的材 料特性和几何特性，可以改变系统的不稳定区域，从而控制和改善船舶或平台的 可靠性。 c h o i 和l o u 研究了a l p 系统的慢漂运动引起的非线性系泊力，研究表明系 泊力具有分段线性刚度特性”。h a r t 和l o u 研究了铰接的近海装载平台和油轮之 间的耦合运动，其将分段线性系泊力处理为三次刚度非线性，计算了平台和油轮 之间的非线性运动响应“。r a g h o t h a m a 和n a r a y a n a n 将顺应式单柱卸载平台简 化为单自由度分段线性模型，研究了运动过程的分岔和混沌运动“。g e r b e e r 和 e n g e l b r e c h t 将系泊与大型油轮的铰接锚链塔视为一个双线性的振动系统，该系 统具有由于系泊线的松弛引起的正负方向偏移的不同刚度，他们使用动力系统方 法研究了非规则海域下的双线性振动响应“”。o r m b e r g 和l a r s e n 用耦合分析法 对转塔式锚泊船的运动和系泊动力特性进行研究，比较表明：非耦合分析可能会 导致计算结果的很大误差，尤其当水深超过2 0 0 0 m 时更是如此“。n i s h i m o t o 等 人他们得出的结论是：系泊线阻尼随水深的增加而增大；当系泊线变得更长，并 且系泊线和立管的数量足够大时，系泊线阻尼在阻尼效应中占主要成分；当船体 很大而水深很小时，系泊线阻尼是次要的”1 。 英国的b o w e r s 等人研究认为风、浪、流每一项都对产生作用在浮式系统的 系泊力提供有效的贡献。单点系泊浮式结构系统拥有独特的复杂响应，假设最大 外力发生在风和波浪不在同一直线时，为了确定是否任意有效非同线情况都会在 实际中出现，他们分析了环境力有关方向的数据，其统计值是海洋环境力的方向 关系的观察值，确定其经验概率密度分布。研究表明：当实际风速和有义波高很 大时，风和波浪会出现危险的6 0 0 方向夹角，这种状况会在单点系泊系统里产生 很大的系泊力，所以应该参考5 0 年一遇的情况设计浮式系统“。 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 国内研究现状 孙明光等考虑一个二点系泊系统在波流作用下，升沉、横摇、横荡耦合运动 的非线性响应问题“”。通过时域模拟、相位图、李雅普诺夫指数等的研究，结 果发现系统存在着比单自由度运动复杂得多的运动模式。 上海交大的陈徐均，崔维成等人，采用己建立的海洋浮体二阶非线性水弹性 理论，分析了一个弹性系泊浮体在波浪中的主坐标响应的频率特征1 。给出了 作用于弹性浮体的锚链系统恢复力刚度系数，在考虑一阶速度势的耦合引起的 二阶力以及在高海况条件下浮体作大幅运动时，其刚体运动引起的二阶力及瞬时 湿表面变化引起的二阶力等成分的前提下，建立了系泊浮体的频率三维线性和非 线性水弹性运动方程，同时给出了广义流体力系数的表达形式。计算了系泊浮体 水弹性运动的一阶和二阶主坐标，重点讨论了主坐标的频率特征。计算表明系泊 浮体不但存在高频弹性谐振，而且存在低频刚体谐振及耦合谐振现象。 毕毅，杜度，张纬康，研究了潮流作用下单点系泊船舶的静态分岔特性“”。 以三阶非线性操纵运动微分方程为基础导出了系泊系统运动响应的数学模型，得 到了静态分岔方程。运用奇异性理论和普适开折方法对其分岔特性进行了研究。 应用系泊运动时域仿真模型，对一艘驳轮的静态分岔特性进行了数值计算，结果 与理论分析一致。得到结论：以奇异性理论和普适开折方法研究外界对于系泊系 统的扰动作用，这一思路是可行的。数值计算结果证实了理论分析结论。对称系 泊系统是乙等变的，具有结构不稳定性。也就是说，在外界扰动或者桨、舵的 作用之下，其静态分岔特性将发生本质上的改变。其受扰系统可以分为九类，而 每一类都有着拓扑结构完全不同的静态分岔曲线。 徐兴平分析了引起海上单点系泊油轮纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和首摇 6 个自由度运动的原因，讨论了油轮各个自由度运动对油轮上设备正常工作的影 响“”。研究表明，纵荡、升沉和纵摇对油轮设备影响最大。为了求得油轮这3 个 自由度的运动，对单点系泊油轮进行模型试验。单点系泊油轮在海浪中的运动规 律表明，在口、g k = 2 5 处纵摇和升沉运动最大，提出了减小油轮运动的一 些措施。 聂孟喜，王旭升，王晓明等人，为解决海洋工程中系泊系统在风、浪、流联合 作用下系泊力的计算问题，在时域内建立了一种计算防风水鼓系泊系统系泊力的 方法“。在分析波浪荷载时，使用了设计波法和非线性s t o k e s 五阶波，并由经验 公式求出了船舶的风、流作用力。由准静态方法计算了初始条件后，在忽略了锚 链和水鼓动态效应对船舶运动的影响的条件下，求解了系泊力和船舶的运动时 历。再由二维集中质量法建立了锚链和水鼓的数学模型，用h o u b o l t 方法求解了 锚链和水鼓的运动方程，并对系泊力进行了修正。模拟计算结果与经验公式计算 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 结果吻合较好，且模拟计算的时域特征表现突出，建立的时域计算方法可用于防 风水鼓系泊系统的系泊力计算。 迄今为止，同国外相比，我国在该技术领域的研究还很不够，无论在理论研 究和实验方面与国外相比都有很大的距离。本文是在前人研究的基础上对f p s o 系泊系统的非线性动力特性进行深入的探讨。 1 。4 本文研究工作内容 ，研究表明，f p s o 系统是一种非线性的系统，在波浪作用下将发生潜在的危险 的共振。为了合理确定f f s o 系泊系统的系泊载荷，完善f p s o 系泊系统的设计理 论，本文研究f p s o 单摇臂系泊系统的运动特性，主要研究内容如下： ( 1 ) 考虑系泊系统恢复刚度的分段线性，根据模型实验数据，建立系泊系统的 分段线性运动控制方程，确定波浪载荷的计算方法。 ( 2 ) 进行静水中系泊系统的自由运动特性分析，得到系统的运动周期。根据实 验结果，确定油轮小幅运动和大幅运动时系泊系统的恢复刚度，得到系统的分段 线性刚度值，并通过最小二乘法，确定小幅运动和大幅运动不同阶段系泊刚度的 表达式。 ( 3 ) 考虑不同的波浪参数，计算波浪载荷，计算系泊油轮的运动响应，及计算 油轮的幅频响应特性，研究不同阶段的刚度比值对于系泊油轮运动响应的影响。 ( 4 ) 考虑地震、海啸可能诱发的涌浪，研究长周期波浪作用下系泊系统的稳定 性和复杂动力响应。研究波浪频率与系泊系统频率比为不同数值时，系泊系统的 动力响应特性，包括油轮的运动及系泊力等。本文考虑频率比为q 接近l 、频率 比在q = l 附近、频率比在q = 3 、频率比在q = 4 及频率比在q = 5 时，系统的动 力响应特性。 1 5 本章小结 本章总结了本文的研究背景与意义，浮式生产储油系统( f p s o ) 的相关情况， 包括系统的产生发展，系统的组成，详细说明了f p s o 的系泊系统及转塔系泊装 置，介绍了国内外关于系泊系统的研究情况，提出了本文主要的研究内容。 天津大学硕士学位论文第二章非线性动力特性分析的基本理论与方法简介 第二章非线性动力特性分析的基本理论与方法简介 本文分析采用了非线性动力学的平均法、非线性系统的等效线性化方法及 数值模拟方法，本章介绍这些理论与方法。 2 1 单自由度系统的平均法 平均法( a v e r a g i n gm e t h o d ) 是由常数变易法而来的一种求解非线性微分方 程渐进解( a s y m p t o t i cs o l u t i o n ) 的方法“”。它的基本思想是根据弱非线性振动系 统中振动的拟谐和性质，假设非线性系统与派生系统的解具有相似的形式，并根 据非线性振动系统的振幅、初相位关于时间的导数看成是时间t 的缓变函数，并 用一个周期的平均值代替它，故称其为平均法。这种方法被范德波( v a nd e rp 0 1 ) 最先提出来的，克雷劳夫一巴戈留包夫( k p 埘l o b - - b o r o n o b o b ) 发展了这一方法。 2 1 1 自治系统的平均法 设单自由度系统自由振动的方程为： s t + c a 2 x = 占，( x ，膏) ( 2 1 ) 或写为一阶微分方程组 2 壮。，、 ( 2 - 2 ) 1 j = 一国x + 占，( x ，z ) 2 2 式中工为广义位移，随时间f 变化；占为小参数；国为常数，是方程( 2 1 ) 所对 应的线性系统的固有频率，即当f ( x ，z 1 是聆阶可微的。 i 将方程转化为以振幅口和相位口为变量的方程 在方程组( 2 2 ) 中，当占= 0 ，可得其派生系统的解为： 弘o ：妒 ( 2 3 ) l z2 - a o ) s i n 式中振幅口和相位角妒为变化率常数，即 塑：0 廊( 2 4 ) 【妒= c o t + o 天津大学硕士学位论文第二章非线性动力特性分析的基本理论与方法简介 其中a 和口为起始条件确定的常数。 当占0 时，非线性因素的影响使系统的响应出现高次谐波，同时振动的瞬 间频率与振幅有关，考虑到这些影响，通解可以设为： x = a c o s v + f x , ( 口，) + 占2 而( 口，妒) + ( 2 5 ) 式中一( a , v ) ，而( a d g ) ，是的以2 ，r 为周期的周期函数，而口和矿为时间f 的 函数，并由如下方程决定，即 童：z ：妾e o s - a f + 粤k 妒 ( 2 - 7 ) 驺弘石 i + 百j s i 叫 “一” 望! c o s 妒一口d - 8 s i n y ：0 ( 2 8 ) 瓦。0 5 妒一口i 8 1 n y 2 2 8 趟一d 出qo ) 。s i n v - a c o o ( c n o + 期c o s 浯9 ， 弘舻一出o+ 百j 8 皑呻) 一害s i l l 妒一口国d i 8 c o s 妒：s 厂( 疗c o s g l , - a c o s i n g , , ) ( 2 - 1 0 ) 、一石8 m 妒一口国万c 0 8 妒2 s ，【疗c 0 8j 虿d a 一_ 7 e o s 彻s i n s i n g - - s 妒( 以川 ( 2 _ 1 1 ) 愕一去f ( a c o s g , - a 梆i n g ) c o s ￥= 印伽) 咱 卜 0 吐 如 ， 咖 嘶 一 等争 天津大学硕士学位论文 第二章非线性动力特性分析的基本理论与方法简介 鲁= 一去r m s 妒，一s 纽) s i n y 如 警= 一去r m c o s 妒, - - a ( 9 $ h ) 叫如 ( 2 - 1 2 ) 如果仅求方程组( 2 1 ) 的一次近似解，即求z = a c o s o ，则根据式( 2 3 ) 和式( 2 - 6 ) 可得 x = 4 c o s v 生：占4 西 ”7 d o 百2 口+ 嘲 2 1 2 非线性系统的等效线性化方法 ( 2 - 1 3 ) 根据第一次近似平均法，可以对非线性系统进行等效线性化处理。考虑微 分方程： r r f f + k x = c f ( x ，量) 将上式两边同除以x ，得 ( 2 - 1 4 ) 1 舅耐z 2 寺占m ，量) ( 2 - 1 5 ) 式中()2-=告，土，(x，量)相当于式(21)opl拘f(x,圣)根据式(215),eb。l-f(x,m 戈) 肌历 代替厂( z ，膏) ，用平均法表示式( 2 1 ) 的解为： x 2 口c o s l 鲁= 一三一r ”厂7 g c o s ，一彻s i i l ) s i i l 如 (216)2 百一z m ( 9 土，( a c o s ，一彻8 m ) 8 m d y ( 2 一 警= 吧( 口) 其中： 吼( 口) = 国一彘r ”厂( s ，叫国s i n y ) c 。s 】；f ，如 式( 2 - 1 7 ) 两边平方，得 谚( 口) = m 2 一去r 。厂( s 妒, - - g ( 9 s i n 妒) c 。s 咖+ o ( 占2 ) 引入 4 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 天津大学硕士学位论文第二章非线性动力特性分析的基本理论与方法简介 荆7 t o ) m a e o s g , - a t o s i n y ) 咖缈咖 ( 2 砌) 疋( 口) = 七一昙r ，( 口c o s 妒，一砌s i n 妒) c o s 肌缈 比较式( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) ，得 ：t o ( a ) m 生：一型垃 出2 m ( 2 - 2 0 ) 将瓦x = 口c o s 灯盯唰r 永寻，开利片j 瓦( z 一1 6 ) 和式( 2 - 2 0 ) ，口j 得 鲁一吐( 口) s m 一掣c o s ( 2 _ z - ) 将上式再次对时间r 求导，得 妄= 掣q ( 口) s i n 灿( 口) 唧+ 掣口掣s 协y + 丛尘q ( 岫i n + 互盟兰型上。 ( 2 2 2 ) 2 m 。、7 7 2 md a2 m 7 一。 ：一型石一型鱼+ 型口型。i n + 型型上 mmd t2 md a 2 m如2 m 7 在第一次近似解中略去o ( 占2 ) ，得 聊孑d 2 x + 五( 口) 瓦d x + 丘( d ) 工= o ( 2 2 3 ) 上式表明，在第一次近似