毕业设计（论文）-深海半潜式平台系泊系统设计及强度分析.docx

分类号 密级 UDC 本 科 毕 业 设 计深海半潜式平台系泊系统设计及强度分析 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院海洋工程系 专业年级 船舶与海洋工程2012级 论文答辩日期 年 月 日 中 国 海 洋 大 学1深海半潜式平台系泊系统设计及强度分析深海半潜式平台系泊系统设计及强度分析 完成日期： 2016.05.26 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 深海半潜式平台系泊系统设计及强度分析摘要 半潜式平台是深海油气开发的主要装备之一，半潜式平台的工作离不开系泊系统。本文针对某第六代半潜式钻井平台进行系泊系统设计，主要工作如下： 基于三维势流理论和Morison公式，利用SESAM/HydroD软件进行频域水动力学计算，得到了目标平台的附加质量系数、阻尼系数以及运动响应幅值算子；基于系泊缆索静力学理论，利用Matlab软件编写单根缆索的静力分析程序，并与文献结果进行比对，验证了程序的正确性。将系泊系统设计分为两部分，一是基于静力分析程序，初步探索了海洋环境对系泊缆索张力的影响，并给出了两种单根缆索分段方案，二是参考工程实例给出两种布置方案。基于动力耦合分析理论，利用SESAM/DeepC软件进行时域耦合分析，验算两种系泊规范能否满足要求。综合系泊方案的缆索强度以及用钢量等，给出了最终的系泊方案。关键词：系泊系统，半潜式钻井平台，频域水动力计算，静力分析，动力耦合分析AbstractA Semi-submersible platform is one of the most important ocean engineering equipments. The mooring system, which is a critical component of floating structures, is a major target of research in the industry, particularly with its increasingly recognized importance and the development of deeper water exploration. This thesis is aimed at a 6th semi-submersible drilling platform to design the mooring system. The main work is as follows:This thesis calculates the target platforms hydrodynamic in frequency domain and gets the add mass, damping coefficients and RAOs of motion based on the three-dimension potential theory and Morison equation by using the software of SESAM/HydroD. Through learning the static and dynamic analysis of mooring cable, the calculation program based Matlab Numerical software is completed. And the results of the program agree well with the data of references, so it indicates that the simulation codes is reasonable. And this thesis gets some results of the effects between environment and tension of the cable through the codes. Mooring system design is divided into two parts in this thesis. First, two kinds of single cable segmentation scheme based on static analysis are given. Second, this thesis has given two mooring system design plans according to the practical engineering cases. And compare the simulation result with specifications to verify whether the plan is reasonable by using SESAM/DeepC software. Finally, this thesis gave the reasonable design plans after considering mooring cable strength as well as the amount of steel, etc.Key words: Mooring system, Semi-submersible platform, Hydrodynamic in frequency domain, Static analysis, Dynamic couple analysis目录第一章、绪论11.1、设计背景及意义11.2、半潜式平台的组成及特点31.3、系泊系统的特点及研究现状61.3.1、系泊系统简介61.3.2、系泊线材料及特性81.3.3、系泊系统的分析方法101.4、本文最主要工作13第二章、海洋环境和环境荷载计算152.1、风152.1.1、风谱152.1.2、风荷载计算172.2、波浪192.2.1、波浪理论192.2.2、波浪谱212.2.3、波浪荷载计算、小尺度构件波浪力的计算、作用在半潜平台波浪力的计算252.3、流312.3.1、流速分布312.3.2、海流荷载计算322.4、海洋环境资料及设计工况的选取342.4.1、环境资料342.4.2、设计工况的选取352.5、小结35第三章、半潜式平台水动力学计算363.1、半潜式平台的基本信息363.2、SESAM 软件介绍及应用373.2.1、SESAM 软件介绍373.2.2、坐标系的定义403.2.3、模型的建立413.3、半潜式平台的水动力计算443.3.1、附加质量和阻尼443.3.2、波浪载荷和运动响应传递函数463.4、小结48第四章、系泊系统分析理论504.1、系泊缆索静力分析方法504.1.1、悬链线方程50、悬链线法的基本原理5、悬链线法数值算例544.1.2、分段外推法5、分段外推法控制方程5、分段外推法数值算法594.1.3、系泊缆索的静力特性影响因素分析704.2、系泊缆索动力分析方法734.2.1、系泊缆索模型的建立734.2.2、系泊缆索运动方程的建立764.2.3、系泊缆索运动方程的求解7、边界条件和初始条件7、系泊缆索动力响应计算的数值解法794.3、系泊系统的静力分析854.4、 系泊系统总体运动方程和求解方法874.4.1、系泊系统的总体运动方程874.4.2、频域分析和时域分析884.5、动力耦合分析904.6、小结92第五章、系泊系统动力耦合计算及设计935.1、基于静力学方法的单根缆索设计935.2、整体布置方案的确定955.3、12根缆索的系泊系统设计方案975.3.1、操作工况985.3.2、生存工况1025.4、8根缆索的系泊系统设计方案1075.3.1、操作工况1085.3.2、生存工况1105.5、两种设计方案的对比1145.6、小结115第六章、展望和不足1166.1、本文主要完成的工作1166.2、下一步研究展望117参考文献118致谢122第一章、 绪论1.1、 设计背景及意义 目前，石油、天然气等化石能源与人们的生活密不可分，但随着陆上资源的日益枯竭，人们不得不把解决能源需求的目光投向海上。就我国的目前情况而言，石油的需求量日益增大，2003年中国石油消费超过日本成为世界第二大石油消费国，消费量达2.74亿吨；2015年我国石油消费量已突破5亿吨，对外依存度高达60%，因此石油的开采已成为了我国经济安全和发展的一个非常重要的问题1。我国陆上油气田从上世纪开采至今，大多已具有近50年的开采历史，油田已接近最大开采程度，开采成本较高，产量也很难提高，海洋石油开采日益迫切。在此背景下，2012年，我国注意到海洋资源开发的重要性，党的十八大首次将海洋强国作为我国基本战略之一，维护海权，建设海洋，保护海洋，发展海上对外经济2。 我国海域广袤，自然环境优美，资源丰富。目前已初步探得我国海域有30个左右的沉积盆地，石油储量可观，盆地面积达70万平方千米。上世纪60年代，中国开始对海洋石油进行自主勘探开发，目前已取得一些重要技术突破和成果。中国四大海域均探测有石油天然气能源，渤海如埕岛油田已成为我国重要的能源生产基地；东海由于和日本存在海上争端，石油开发和探测阻力较大；南海地区根据现有资料推测石油储量约230亿300亿吨，约占我国总资源的1/3，具有非常大的开采潜力3。我国海洋石油储量大，但我国海洋石油开发起步较晚，海洋装备与国外相比仍比较落后，目前我国海洋石油开采多数还局限在近海，采用传统的固定式平台。但随着海洋石油开发，向深海进军已是大势所趋，传统的固定式平台难以在深海环境条件下作业，浮式平台成为不可或缺的装备。目前浮式平台主要有张力腿平台、Spar平台、FPSO和半潜式平台，如图1.1。张力腿平台的回复力依靠张力筋腱提供，整体深沉运动小，适用于干式采油，但因张力筋腱的重量随水深的增加而不断增大，对张紧器要求也相应增大，使得适用水深受到一定程度的限制；Spar平台平台甲板面积小，安装周期长，吃水深度深，大型整装油田，一般用于深水边际油田开发；FPSO为浮式生产储油船，其可变荷载大，抗风能力强，适用水深范围广，可转移重复利用等优点；半潜式平台甲板面积较大，由系泊系统提供回复力，稳性较好，几乎不受水深限制，适用范围广，但其升沉运动使得半潜平台很难采用干式采油树。（a）半潜式平台示意图 （b）张力腿平台示意图（c）FPSO示意图 （d）Spar平台示意图图1.1 浮式结构物示意图（图a-c源 API RP 2SK，图d源国家能源局能源节约和科技装备司）系泊系统是深海浮式建筑物不可缺少的组成部分。在海上工作的浮式建筑物不可避免会遇到随机环境风浪流甚至冰的荷载作用，从而使其在工作位置产生偏离，因此浮式结构物一般都配备相应的系泊系统使其具有良好定位能力，以保持仪器设备等运行环境的需要。不同的浮式结构物在不同工作海域需有不同的系泊方案，如何设计一个安全又使平台具有良好定位和保持能力的系泊系统就变得尤为重要。半潜式平台是典型的海上浮式结构物，适用水深广，应用潜力大，也是我国近年大力发展的海洋装备，本文针对半潜式钻井平台进行设计。1.2、 半潜式平台的组成及特点 半潜式平台是目前比较成熟的海上作业浮式结构物，因其陆上一体建造，拖航就位，建造安装周期短的特点备受青睐。目前半潜平台主要由上部组块、立柱、浮箱组成，如图1.2。对于钻井平台，上部组块主要有井架，钻井设备和生活组块等组成，生产平台则有采油树（对于深吃水的半潜平台采用干式采油）、油气处理系统，生活组块等等组成，一些生产平台也会有井架存在，目的是为了修井方便或由钻井平台改造而来；平台与浮箱连接的立柱具有较小的横剖面，平台工作时，浮箱没入水面，小水线面的立柱使平台工作时受到波浪作用的荷载较小，从而使平台的运动响应较小，立柱之间的距离使得平台甲板有较大的甲板面积和惯性矩，从而使得平台具有良好的稳性；浮箱具有较大的体积，有良好的压载系统，用于提供上部平台以及系泊缆索、立管预张力等所需的浮力，浮箱提供的浮力应使甲板与水面有一定气隙，以防止甲板上浪而影响设备工作。同时，由于波浪作用在半潜平台时，尤其是当波浪与半潜平台尺寸接近时，会使两浮箱向内或向外运动，从而在立柱与平台之间产生较大弯矩，一般在浮箱之间有必要的连接撑杆。半潜式平台优良的性能使其具有良好的钻井和生产能力。图1.2 半潜式钻井平台示意图（图源半潜式钻井平台专利技术动态）目前半潜式平台已发展至第七代，作业水深超过3000米，钻井深度已超过10000米，现今的半潜平台一般配备有动力定位系统，具有一定的自航能力；设计要求愈加严格，从以往的极端环境重现期一百年，逐渐提高到二百年，在一些情况下甚至要求可以抵抗千年一遇的极端环境；结构形式逐渐趋于简单化和大型化，半潜平台由以往的三角形，六边形，五边形等变为现在固定矩形形式，立柱的个数也从以往的八立柱，六立柱、四立柱变为现在单一的四立柱，立柱的截面形式多为圆形或圆角方形；撑杆的数目也由以前1420根变为现在的24根，有些半潜平台甚至取消了撑杆，这些改变减少了节点的数量，从而降低了平台的疲劳破坏的风险，方便建造，降低了生产周期和建造费用；半潜平台主体采用高强钢，降低了结构本身的自重和生产成本，提高了甲板可变荷载与结构自重比，排水量与结构自重比。我国自主设计建造的第六代具有深水意义的半潜式钻井平台“海洋石油981”，如图1.3所示，由中国海洋石油总公司斥资60亿元全额建造，以200年一遇南海极端恶劣海况设计，平台自重3万吨，承重能力12.5万吨，可变甲板荷载9000吨，配备先进的第三代动力定位系统，最大作业水深可达3000米，最大钻井深度达10000米，可在中国南海、东海以及西非等诸多海域作业，设计使用寿命30年，代表中国最先进的科学技术水平，“海洋石油981”作为中国首座深水半潜式钻井平台，获得了2014年国家科技进步特等奖。目前“海洋石油981”已完成陵水18-1-1、陵水17-2、陵水25-1、流花29-2-1、荔湾3-11井等处钻井作业，2015年在孟加拉湾海域钻井，完井深度达5030米，顺利完成首次海外深水井钻井作业。图1.3 “海洋石油981”平台（图源）半潜式平台从投资成本，施工周期，适应水深，工作地域以及工作年限等因素考虑都是比较好的选择4。半潜平台主要有以下特点：（1）半潜式平台水动力性能较好，波浪载荷作用下运动响应较小，作业稳定性好。半潜式平台工作时，浮箱下沉，水面与立柱接触，半潜式平台的立柱水线面小，使得其受到波浪作用较小；立柱之间的间隔较大，使得其钻井作业稳定，加之与半潜平台相匹配的系泊系统和动力定位系统，使得半潜平台具有全天候作业的能力。（2）半潜式平台的适用工作水深范围广。半潜式平台属于浮式结构物，不同于固定式导管架平台，其作业水深的增大不会带来造价的剧增，因此工作适用的水深较广。目前第七代半潜式钻井平台工作水深已达4000米，钻井深度达15000米。（3）半潜式平台具有较大的甲板面积和可变甲板荷载。较大的甲板面积使得钻井作业更为稳定安全，较大的可变甲板荷载使得半潜式平台具有更强的钻井作业能力，目前半潜式平台的可变甲板荷载可达10000吨。（4）半潜式平台具有可移动性。现今的半潜式平台一般具有动力定位系统，因此平台具有一定的自航能力。半潜式钻井平台在一个井口位钻井完毕，即可自航或拖航到另一井口位，作业高效。半潜式平台由于其较优良的性能，使得半潜平台的应用也日趋广泛，半潜式平台不仅可以用于钻井采油等用途，还可以做铺管船、起重船使用，如图1.4为半潜式起重船。近年来，为防止内陆和沿海的环境污染，更是提出了利用半潜平台建立离岸较远的海上电场、海上核电站等，有些新的概念也得以提出运用，如用半潜平台建造人工岛等。使得半潜式平台在加大海洋资源利用和海洋环境开发上都有非常重要的意义。图1.4 半潜式起重船（图源）1.3、 系泊系统的特点及研究现状1.3.1、系泊系统简介 深海浮体的正常作业，离不开为其提供定位能力的系泊系统。目前用于海上浮式建筑物的系泊系统多样，按照系泊方式可分为悬链线系泊、悬链线锚腿系泊、单锚腿系泊、张力腿系泊和系缆桩-缓冲系泊等；按在水中链态情况可以分为悬链式系泊、半张紧式系泊和张紧式系泊；按系泊力的提供方式分为被动式系泊、动力定位系统和推进器辅助系泊系统。被动式系泊是最为传统的系泊方式，通常采用锚链或系泊缆绳将浮体与海底连接，由锚链和系泊缆来提供相应的回复力；动力定位系统是一种自动控制的系泊系统，当浮式结构物在波浪等荷载作用产生运动时，控制系统根据运动的大小，使推进器产生一定大小和方向的推力，从而使浮式结构物保持定位；推进器辅助系泊系统是在传统的被动系泊的基础上配备相应动力推进器来使浮式结构物定位的系泊方式。按系泊点的个数又可分为单点系泊和分布式系泊，单点系泊系统常用于FPSO，单点系泊系统通过内转塔，外转塔或者浮筒将FPSO系于一点，此时FPSO在外部环境的作用下，可绕该点转动，从而具有“风向标”的作用，使得船首方向始终沿着浪流方向，从而减少FPSO对荷载的响应。分布式系泊一般用于张力腿平台、Spar平台和半潜平台。一般来说，系泊方式的选择需要综合考虑系泊能力、水深、缆绳的长度、海底地形等因素。浮式结构物工作环境在浅海，采用锚链构成的悬链式系泊系统，但采用锚链的系泊系统其自重会随水深的增加而增加，造成平台浮力损失严重，施工及托运困难，因此工作水深超过1000米的海域，悬链线型系泊受到限制。目前深水系泊多采用带有预张力的复合缆系泊，具有比较好的经济性能，拖运施工可行，更适合深海平台的应用。目前系缆的材料主要有四种：全锚链系泊；采用全钢缆的半张紧式系泊；采用尼龙缆的张紧式系泊；采用复合材料系泊缆系泊，如：锚链-钢缆-锚链；锚链-尼龙缆-锚链5。图1.5 半潜式平台系泊系统示意图(图源API RP 2SK)半潜式平台采用分布式系泊，系泊系统主要由四部分组成：导缆器、系泊缆、起链机和锚组成，如图1.5所示。系泊缆绳上端与平台主体的导缆器相连，下端连接锚，用起链机来控制系泊缆的预张力。导缆器一般位于半潜平台浮心所在的水平面上，以获得较大的回复力矩，锚根据海底的地质地貌情况，可选择抓力锚、桩基或者吸力锚，使系泊缆绳固定于海底。半潜式平台可采用悬链式系泊，也可采用张紧式或半张紧式系泊，如图1.6所示，这和半潜平台工作的水深有关。悬链线式系泊主要由锚链和系泊缆索组成，回复力主要是靠系泊缆索的自重提供，通常情况下悬链线式系泊会有一部分躺底段，当平台发生运动后，水下缆索的形态会发生相应的变化，给结构物提供的回复力也会发生变化；张紧式系泊一般采用复合缆进行系泊，回复力主要靠系泊缆发生形变提供，系泊缆工作一定时间会发生一定量的蠕变，因此需每隔一段时间通过绞轮机适当收缆，在海底没有所谓的躺底段，与悬链式系泊相比，张紧式系泊所用缆索密度小，便于运输，同时系泊半经较小，缆绳短，更适用于深海系泊。 （a） 悬链式系泊 （b）张紧式系泊图1.6 半潜式平台系泊系统1.3.2、系泊线材料及特性 常用的系泊线材料有链条、钢缆和合成纤维材料。链条主要靠自身的重力，使系泊线达到悬链线状态；钢缆是靠自身较大的刚度达到张紧式系泊线的效果，成本较链条低；对于深水浮式结构张紧式系泊系统，质量更轻的新型纤维材料更加引起人们的研究和使用兴趣。锚链使用部位不受限制，一般用于导缆孔和海底锚处。有档链易于操作，不易扭结，能够增加链条的抗弯能力，但横档易松动，可能导致链条局部疲劳，横档脱落会对整体系泊系统产生难以估算的影响；无档链条比有档链轻，通过合理设计，也能够具有很好的抗弯能力6。目前，有档链主要用于暂时性和移动式的系泊系统，而无档链条多用于永久式的系泊系统。通常链条的直径是指构成链环的钢条直径，也称为有义直径，整个链条的几何形状、连接方式和主尺度的确定都与钢条的直径相关，如图1.7为有档锚链和无档锚链示意图。 （a）、有档锚链 （b）、无档锚链图1.7 有档链条和无档链条（图源浙江双鸟集团）钢缆与相同破坏强度的链条相比，质量更小，弹性更高。海洋工程中有六股、螺旋股、多股式的钢缆比较常用。六股式的钢缆弹性好，价格低，多用于可移动式系泊系统。螺旋股式的钢缆具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低，通常用聚乙烯进行脱层，防腐能力好，深水系泊系统和永久性的系泊系统常采用此种形式的钢缆；多股式钢缆使用相对较少。对于钢缆结构，一下两个参数直接决定其特性：钢丝绳股数，每股钢丝绳钢丝数。选择钢缆类型时，不仅要关心其破坏强度，还要考虑钢缆的抗磨损与抗弯能力，他们直接决定了缆绳的使用寿命7。但是，提高缆索的抗弯能力和缆索的抗磨损能力实际上是矛盾的关系，因此在实际的决策当中要根据实际情况折中的考虑。如图1.8为六股式、螺旋股式和多股式钢缆的示意图。 （a）、六股式 （b）、螺旋股 （c）、多股式图1.8 常用钢缆截面示意图（图源EMS360公司）深水海洋浮式结构的系泊系统，一般采用合成纤维材料，合成纤维材料与传统的链条和缆绳相比，弹性模量更大，密度更小。但合成纤维材料的变形不符合弹性体的变形规律，不满足胡克定律，合成纤维材料系泊线的弹性模量是随缆绳的张力变化的，且合成纤维缆绳变形后有一定的蠕变，因此纤维材料即有弹性特性又有粘性特性，即所谓的粘弹性。纤维缆绳的这种性质使其在变形时产生三种应变：普通应变，这种变形和弹性体的变形一致，是在加上外力的瞬间发生，当外力去除后能够恢复的应变；高弹性应变；不能恢复的塑性变形8。目前纤维缆索的性质比较复杂，研究结果也具有一定的矛盾性，在应用时需谨慎考虑。选择系泊线的材料时，首先要掌握其决定自身特性的参数。决定系泊线材料特性的重要参数主要有：单位长度的湿重w，轴向刚度EA，破坏强度Fb等。对于系泊线材料的加工制作，业界基本都遵循比较一致的标准，因此也形成了基本计算公式，但对于设计者，在进行系泊系统设计时，已有的资料往往是非常有限的，通常会缺少关于系泊线的材料特性的准确数据，这时可参考业界认可的基本计算公式进行初步的计算分析。以下是链条和缆绳的计算公式，由于合成纤维的材料不一计算公式不统一，在此不给出相应的表达式。有档链条： （1.1）无档链条： （1.2）中心线为钢丝绳的六股式钢缆： （1.3）螺旋式钢缆： （1.4）1.3.3、系泊系统的分析方法 为保障浮式结构物的安全和保障海上施工的进行，正确有效的进行海洋系泊系统计算分析至关重要。从材料属性上来看，系泊缆索柔性极高，可以视为一个只能承受拉力而无法承受弯曲载荷的构件，在海洋波浪荷载下会产生明显的动力响应。为了进行有效准确的分析，国内外众多专家对此进行了大量的研究。按照对系泊缆索单元是否考虑惯性力，将系泊系统的研究方法分为两类：静力学分析法和动力学分析方法。 静力学分析方法在设计初级阶段被广泛应用，静力分析与动力分析相比较，静力分析简单有效，耗时较短，且具有一定的精度。静力分析可以进行系泊缆索在受静载荷作用下如静态偏移、恒定荷载等情况下数值仿真，但静力分析时，建立的静力平衡方程没有考虑与加速度和速度分别相关的惯性力和阻尼力等作用，当外界载荷与结构自身频率接近时，结构对外荷载的响应将变得格外显著。静力学分析方法主要包括悬链线法和分段外推法。 悬链线法是最早提出的一种数学模型，悬链线法模型在推导时假定缆索在拉力作用下的伸长可以忽略，即不考虑缆索的弹性变形影响，同时，假定缆索的自重较大，相比流的作用力可以忽略不计。悬链线方程在推导过程中引入了过于理想的假设，使其在多数情况下结果存在误差，它很难研究考虑流速存在以及动态刚度变化等情况时的影响，但它求解方便，速度较快，并能保持一定的精度，可以有效地应用于初步设计阶段，能够研究系泊缆索的内外受力以及位置形态9。分段外推法是基于悬链线法推导基础上考虑流荷载和弹性变形的一种方法，它可用于有躺底端的悬链线系泊分析，也可用于无躺底端的张紧式系泊的分析，同时，可以考虑海底斜坡地形，有浮筒情况以及多种材料系泊缆的静力分析问题。 静力分析方法相对动力分析方法，简单有效，API规范10推荐在系泊系统初步设计时可采用拟静力分析的方法进行分析，最终设计阶段采用多种方法结合的方法进行分析。Reba和Hebert11利用悬链线理论分析了系泊缆张力与位移之间的关系；R.J.Smith et al 12研究了系泊系统两成分系泊缆索的悬链线方程，采用Lagrange方法进行迭代求解，将锚泊线的弹性考虑成单位质量的不定性，并介绍了相关的四种求解方法；Y.T. Chai et al13基于悬链线公式研究了三维部分着地和完全悬垂的多条锚泊线问题,所研究的方法可以处理有斜坡情况下与海床的相互影响，结果具有一般性。余龙和谭家华14对多成分锚泊线的系泊系统进行了研究，并建立了遗传算法模型，对锚泊系统的改造进行了分析并得到了一些有益的结论。闫俊等15针对由三段浮容重、刚度和长度都不相同的链索和浮筒组合而成的复合锚链系统，应用分段外推法进行静力分析，研究结果为深水悬链式锚泊系统设计提供了一些参考。动力学分析方法目前比较成熟的研究方法主要是集中质量法和细长杆理论模型。集中质量法是将水下缆索这种细长的挠性构件视为有限个弹簧质量单元，这些单元在节点位置以铰接的方式连接，不考虑系泊缆索的弯曲和扭转刚度，波、流等环境荷载作用于单元的节点上，在此基础上，根据达朗贝尔公式得到各个节点的运动微分方程，来模拟整个系泊缆索的特性，如图1.9为集中质量法分析模型。目前集中质量法广泛应用于拖曳缆索和系泊锚链的动力性能分析。Huang Shan16基于集中质量法提出了三维系泊缆动力分析模型，准确的模拟了系泊缆应力突变状态；程楠17采用三维集中质量法建立了深海系缆模型，计算系缆的构型和张力，研究了深海Spar平台系泊缆索张力的突变规律，得到了一些有意义的结论；王磊18基于集中质量法模拟了浮标锚投放以及工作时缆索的受力情况，对于海洋观测技术提供了借鉴；刘远传19基于三维集中质量法在OpenFOAM工具箱，开发了船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,并详细阐述了三维集中质量法的数值分析方法；目前较为广泛使用的Orcaflex系泊系统专业计算软件，正是基于集中质量法编制的20。图1.9 集中质量法分析模型示意图细长杆理论假定构件可以具有任意形状，并且构件是可变形的，该模型是由Garrett在经典细长杆理论基础上提出的，最初细长杆理论假定构件变形前后微段弧长不变即具有不可伸长的特性21，而后Mullarkey在Garrett理论的基础上，进一步发展细长杆理论，考虑了细长杆微段的伸长特性。基于可伸长的细长杆理论，Ma 和 Webster开发了三维整体坐标系下的海洋挠性构件数值分析程序CABLE3D，不过该程序并没有考虑海底对于系泊缆索的摩擦效应22。其后Chen和Zhang 在不可拉伸弹性细杆理论上，并考虑海底边界条件对系泊缆索的摩擦，推出了Modified Cable3D 程序23。目前细长杆理论日趋成熟，众多学者利用该理论解决一系列的问题，马刚24基于弹性细杆理论对深海立管和系泊线动力学模型进行了研究，解决了悬链线模型中动态刚度问题以及结构极端细长引起的几何非线性问题；唐友刚、张若瑜等25采用细长杆理论模型很好的模拟深海聚酯缆的力学性能，得到了深海系泊缆的动张力变化规律和力学特性；Ormberg和Larsen 基于细长杆理论对内转塔式FPSO的动力耦合进行了分析，介绍了耦合分析和不耦合分析对运动响应的影响26。细长杆模型是在三维笛卡尔整体坐标系下建立的，可以对任意空间形状的构建进行分析，分析简便，具有较广的应用前景，如图1.10为细长杆理论的分析模型。图1.10 细长杆理论模型1.4、 本文最主要工作 本文主要对目前系泊缆索的分析理论进行学习，并借助 和 软件来实现数值模拟，并与文献结果比对，验证程序是否正确，加深对系泊系统影响因素的分析。最后针对某一目标平台在特定海域作业时的系泊系统进行设计，根据规范校核系泊系统设计的合理性。本论文的构思如下：第一章，查阅文献，了解半潜式钻井平台的有点和组成；系泊系统的分类、组成和分析理论；掌握目前系泊系统分析方法及相关进展。第二章，分析了半潜平台在海洋中主要受到的海洋环境荷载。详细介绍了风、浪和流环境的描述方法和环境荷载计算方法，针对环境要素波浪的波浪理论和大型浮体的在波浪中的运动响应理论进行了叙述。第三章，基于第二章的海洋荷载计算分析理论，针对目标平台，借助 软件中的 模块，基于三维势流理论和 公式计算得到了目标平台的附加质量系数、阻尼系数和目标平台六自由度的幅值响应算子，为系泊系统的耦合动力分析做准备。第四章，从单根系泊缆索的静力分析理论入手，以 为平台编写系缆静力分析程序，得到单根系泊缆索的静力特性，探索海洋环境对系泊缆索静力特性的影响；进一步，对单根系泊缆索基于三维集中质量法进行了动力分析理论的学习，掌握了其动力分析理论；最后对系泊系统整体分析理论进行了总结学习。第五章，基于第二章和第四章的理论，初步设计时基于单根缆索的静力分析理论，给出了系泊系统的初步设计方案，利用第三章借助 软件得到的目标平台附加质量系数、阻尼系数矩阵和幅值响应算子，进行耦合动力学分析，参考 设计规范，验算系泊系统设计的合理性，给出系泊设计方案。全文理论和实践相结合，从学术研究上，对系泊系统涉及到的内在机理进行了详细的探讨，具有很好的学习和参考意义；从工程设计上，本文进行的系泊系统设计思路能够给出很好的参考意义。第二章、 海洋环境和环境荷载计算 与陆上结构物相比，海洋工程结构物所处环境更加恶劣，如何准确的给出环境资料，直接关系到系泊系统的设计和计算。一般地，人们通过观测统计，得到了能够表征环境的特征资料，根据数值方法来模拟现实情况下的海洋环境情况，这对工程起了很大的帮助。海洋工程中对半潜式平台影响较大的海洋环境包括风、波浪和海流（无冰区，有冰区应考虑冰环境的影响），三者的观测统计是分别进行的，在工程中如何将三者进行工况组合至关重要。根据海洋环境资料可分别按照不同的计算理论计算得到响应环境荷载，将荷载施加到海洋工程结构物中，建立动力平衡方程，即可求得海洋工程结构的运动响应。2.1、风 空气受热不均导致气压在空间分布上的不均从而使得空气从高压向低压流动，人们在描述风时一般用风速和风向来描述，风速是一个随机变量，它随着建筑物所在位置、观测设备所处的高度、观测时距等因素的变化而变化。因此风速的资料取值具有一定的标准包括风速观测设备距海平面的标准高度，风速观测的时距等等；风向一般取所在地点的气候有关，每个地点风向具有一定盛行风向，为了工程设计和使用的方便，人们根据风向的统计资料，常常绘制成外形酷似盛开的风玫瑰图27。本文采用 规范选取设计风速，按盛行方向选取风速方向。2.1.1、风谱API规范在计算风荷载的作用时，一般采取以下两种方法：（1）将风的大小和方向作为定值处理时，应采用1分钟的平均风速；（2）脉动风速应基于1小时的平均风速加上随时间变化的阵风风谱。对于永久性系泊系统，应采用方法二进行设计，对于本文半潜式钻井平台属移动式平台，两种方法皆可，本文采用第二种方法。风谱可选择NPD风谱和API风谱，NPD风谱在长周期超过500秒的计算中有显著的不确定性，API规范规定，对于系泊系统的动力计算应计算至少3小时，因此本文采用API风谱。API风谱的计算如下：API风谱计算阵风因子等都由一个参数确定，但在确定API风谱时，应引入另一参数 。在 处一小时的平均风速由下式确定： （2.1）其中： ：海平面以上 处一小时的平均风速（ ）。 ：海平面以上10米处一小时的平均风速（ ）。 ：距海平面的距离（ ）。 ：测试距离，海平面以上10米处。阵风风速在海平面以上 处随时间的变化的关系由下式确定： （2.2）其中： ：距海平面的距离（ ）。 ：距海平面以上 处， 时刻的平均阵风风速（ ）。 风谱是风在某一频率的能量密度，由下式确定： （2.3）如图2.1所示为海平面以上10米处1小时持续风速11m/s的风谱图：图2.1 API风谱图2.1.2、风荷载计算作用在半潜式海洋平台的风载荷可按下式计算： （2.4）式中： 为受风设备表面上的风压，单位为； 为受风面积，单位为； 为受到的风载荷大小，单位为。一般计算风压时，通常是以某一标准高度的风速对指定形状的受风构件产生的风压作为基本风压，再对受风高度和形状进行修正，依据 定理得基本风压计算公式： （2.5）式中： 为基本风压； 为空气重度取 ；重力加速度取 ； 为基本风速，在 规范中取海平上 处的风速值，对高度和形状进行修正后，风压公式为： （2.6）式中： 为风压沿高度变化的高度系数， 为考虑受风构件形状影响的形状系数。半潜式平台塔架等高耸建筑物，刚度较低呈现相当的柔性，自振周期长，在脉动风速下，会发生显著的动力响应，在工设计中，应对这类建筑物由于脉动风产生的动力放大现象给予关注，一般采用动力放大系数对风压进行修正，此时风荷载的计算公式为： （2.7）表2.1、2.2分别给出了计算风载荷时结构的形状系数和高度系数。表2.1 计算风载荷结构形状系数 表2.2 计算风载荷时的高度系数 2.2、波浪半潜式平台在工作时会受到随机波浪的作用，作用力的大小不仅与波高相关，而且当波浪周期与半潜平台的自振周期接近时。海洋中水体的波动是多种自然因素引起的，波浪周期分布很广，其中能量较为巨大的是周期在130s，特别是在416s由风引起的重力波，是半潜平台需要考虑的主要荷载来源。这种由风引起的重力波主要包括风浪和涌浪，风浪是指风直接作用下产生的波浪。风停止、转向或离开风区后，传播至无风水域的波浪则成为涌浪28。本节将详细讲述波浪理论，波谱以及波浪载荷和响应分析理论。2.2.1、波浪理论波浪载荷计算的准确性，首先要选择合适的波浪理论。目前比较常用的波浪理论有线性波理论（ 波理论）和非线性波理论（ 二阶、五阶波理论等）。假设波浪运动作有势运动，流体是无粘性不可压缩的均匀流体，其边界条件满足 方程： （2.8a）海底边界条件： （海底水平） （2.8b）自由液面运动边界条件： （2.8c）自由液面动力边界条件： （2.8d）上述边界条件构成了波动方程的定解条件，线性波浪理论假定波幅和波高相对于波长是无限小，流体质点运动速度缓慢，从而将上述边界条件进行线性化，求解上述波动方程即可一阶波浪运动的速度势函数和波剖面方程： (2.9)对于非线性波而言，波浪的波高和波长之比不能视为无穷小，需考虑方程的非线性的影响，为了解决自由边界条件的非线性影响，一种有效的途径是采用摄动级数进行求解，即假定速度势和波面可按某一小参数 进行摄动展开： (2.10)将上述展开式带入边界条件，可对每一阶进行求解，对二阶求解的结果即为 二阶波，其求解得到的波浪速度势函数和波浪剖面方程为： (2.11)按上述方法，可依次求出上述方程的各阶速度势函数 和波面方程 ，如图2.2为线性波和 二阶波对比图。图2.2 波剖面对比图2.2.2、波浪谱大量观测数据表明，实际海面是由不同波高、周期和方向的波浪组成的，根据理论和实验分析，可以将波浪视为无限多个随机的简单余弦波叠加的而结果，这样对于某一海域的波浪在不同周期上波高也会不同，海洋工程中用海浪谱来描述其组成波的能量分布，波浪谱作为描述复杂波浪的有效手段，已应用于深水浮式平台的强度和稳定性的动力计算。迄今为止，已经提出了许多风浪频谱，下面介绍海洋工程中比较常用的波浪频谱：（1） 谱29 这种谱是由 于1952年最先提出的，在部分工程问题中得到应用。 谱是单参数谱，谱公式定义如下： (2.12)式中， 为有效波高。 谱的谱峰频率为（2） 谱30该波浪谱于1963年 和 依据北大西洋的实测资料推导而来，适用于外海无限风区充分成长的波浪。 谱是经验谱，由于所依据的资料比较充分，分析方法比较简便，使用也比较方便，因此在海洋工程中得到了广泛的应用。其定义式为： (2.13)式中， 谱的谱峰频率为：（3） 谱 19681969年间，英国、荷兰、美国、德国等国家联合进行“联合北海波浪计划”期间提出 谱。测站较多，由测得的2500个谱导出的风浪谱。 谱适用于中等风况和有限风距情况下测得的，多数使用经验表明，此谱和实测结果吻合性较好，而且适用于不同成长阶段的风浪。目前已被API规范所采用。它的谱公式如下： (2.14)其中 为重力加速度， 为峰值频率，参数 一般取： 为谱峰升高因子， 的观测值为1.56，平均值为3.3。系数 为无因次风区函数和有义波高、谱峰升高因子有以下关系：如图为有效波高为 的 和 波浪谱。图2.3 谱和 谱的对比图2.2.3、波浪荷载计算半潜式平台结构所受到的波浪力主要是由于波浪波动产生的压力造成的，一般波浪载荷分为三种即拖曳力、惯性力和绕射力，这三种载荷分量对于不同的结构形式尺寸大小所占的比例是