船舶与浮式海洋平台碰撞的动力响应研究_智广信.caj

【摘要】 当今世界上,海洋油气资源的开发已经具有了非常大的潜能,目前海洋工程领域,已逐步实现了由近海向远海乃至深海的发展,我国海洋/深海油气资源特别丰富,其中的油气资源储备量大约是246亿吨,占我国石油、天然气资源总量的30%左右。在作业海域上,半潜式海洋平台开展钻井或采油时,在随机复杂的海洋环境下,除了受环境载荷的时刻作用外,过往的船只、守卫船、补给船等各种船舶由于航行操作过失或停靠被供给平台时,风、浪、流等环境载荷的作用,经常不可避免的发生与平台碰撞事故,并可能造成环境污染、结构损坏、重大的经济损失、人员伤亡等一些灾难性后果。特别是在深水和超深水海域,由于海况一般更为恶劣,则碰撞事故更容易发生。本文为了分析随机海洋环境载荷作用下,船舶与海洋平台碰撞的外部动力学问题,利用非线性显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了半潜式平台和供给船船尾的三维有限元模型,通过DYNA计算了船尾以2m/s速度垂直正碰半潜式海洋平台立柱的工况,获得了真实的碰撞力的时序结果。然后在此基础上结合外部动力学原理,将真实的碰撞力导入到水动力软件AQWA中,将半潜式平台在碰撞力和风、浪、流联合作用下进行时域耦合的水动力数值计算,得到了平台运动响应结果和不同系泊缆的受力情况。综上,本文将对船舶与半潜式海洋平台的碰撞进行数值计算研究。本论文主要研究内容包括:(1)进行了供给船船尾和半潜式海洋平台的模型化研究,其中半潜式海洋平台建立整体有限元模型,考虑到其碰撞受损伤位置主要是立柱区域,对立柱部分进行了详细的建模,同时为了减少模型的计算机时,对浮筒及上壳体内部做了大量的简化处理,甲板以及甲板以上的结构用一层加厚的甲板和质量块来代替,对于这些简化部分的重量以及它们的重心位置,可以在结构的对应部分通过LS-DYNA来控制其密度的方法来调整。船尾方面则考虑到船尾的刚度相对海洋平台立柱结构大的多,故模型中船尾简化为刚性模型,但计算结果相对保守。最终基于ANSYS软件建立平台和船尾的三维模型并划分有限元网格,并在此基础上利用非线性显式有限元软件LS-DYNA进行碰撞模拟仿真。(2)应用ANSYS/LS-DYNA显式非线性动力商业软件,采用Cowper-Symonds本构物理模型,用附加水质量方法对一艘5000t的补给船船尾以2m/s速度垂直撞击半潜式海洋平台立柱的例子进行数值仿真,对立柱部分做重点分析,获得了碰撞力的时序结果,部分关键时刻碰撞的应力云图,将碰撞力曲线不做任何简化的加载到水动力模型上进行水动力分析。水动力数值模拟分析主要有:频域和时域计算两部分。本文既应用时域分析方法,又应用频域分析方法对海洋结构物及其系泊系统在碰撞力作用下进行水动力性能分析研究。(3)频域分析结果主要表征海洋结构物在各个不同频率下的附加质量系数和辐射阻尼系数,还可以得到不同浪向下的运动响应RAO、一阶、二阶波浪力和传递函数等。本文将不作任何简化的碰撞力时程曲线导入到AQWA中,并借助水动力软件AQWA-Line,采用三维势流理论,对被碰撞的半潜式平台进行数值计算,得到相关的水动力参数。(4)时域分析方法主要是研究海洋结构物及其系泊系统在一定海洋环境条件下其运动响应和每根系泊缆的受力状况,求证其是否能够满足规范的要求。本文采用AQWA-Drift水动力软件对该半潜式平台进行时域耦合数值模拟,模拟计算了在碰撞力和风、浪、流联合作用下的平台的运动响应情况,不同系泊缆的受力情况。(5)由计算分析结果可见,由于碰撞位置发生在平台左舷后侧的立柱部位,有碰撞力作用的情况下,横荡、横摇和首摇的变化非常大,说明碰撞力的大小、方向和变化趋势对平台的运动响应有着直接和重要的影响,进而影响其作业效率和安全性,因此研究在实际作业过程中的平台碰撞是很有意义的。 

【Abstract】 Development of offshore petroleum resources has great potential in the world today, the current marine engineering gradually develop from offshore to the deep.China’s offshore / deep sea oil and gas resources are very rich,which is 24.6 billion tons, accounting for the total oil resources of almost quarter. Various ships on the job when the waters, semi-submersible offshore platform or oil drilling carried out at random complex marine environment, in addition to the role of environmental load by... 

【关键词】 深水半潜式平台； 碰撞； 时域耦合； 外部动力学；