（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）铰接塔—油轮系统运动及系泊张力分析.pdf

中文摘要 铰接塔一油轮系统的恢复嚣l 度具有分段非线性幸性。铰接塔和油轮熬运动通 过缆绳相互耦合，缆绳的交替张紧松弛弓| 起系统刚浚的不连续性，并导致缆绳中 的张力突变，甚至引发系缆的断裂和失效。本文研究坂、流及规则波作用下铰接 塔一油轮系统的动力特性和系缆张力变化特性。主要研究内容和成果为： 考虑铰接塔纵摇和漓轮纵荡，建立了风、浪、流俸崩下铰接塔一漓轮系统的 两自由度分析模型。连接铰接塔和油轮的系泊缆绳尉一不对称的、分段非线性恢 复力函数来表示。作用在铰接塔上的波浪载荷采用芟里森方程求出。在椭圆柱坐 标下采用基于二维海姆霍兹方程的线性绕射理论来计算作用在油轮上的一阶波 浪载荷，二阶波浪力贱应用p i n k s t e r 近场方法来计算，基于达朗贝尔原理建立了 系统的运动方程，并采用龙格库塔方法进行求解，i i 葬+ 高度为8 8 4 m 的铰接塔 和l o 万吨级油轮组成的系泊系统的运动响应和系缓张力，并分析了不同参数对 系统动力特性和缆绳张力的影响。 4 本文研究结果表明，授p 使是在规则波激励下，出于鬏统的非线性，仍可能发 生慢漂振荡。系统在较大的频率范围内出现1 2 亚诸运黧与谐波运动共存的现象， 且铰接塔和油轮具有相同的豫谐阶数。增大激励嚷馈辆双流力均会使多解区域减 小。在大的风、流力作用下，油轮大幅漂移影响使稳态乎衡位置远离初始平衡位 鼹，同时会使油轮漂移加快，使得系缆从松弛到张紧变化加快，从而引起系缆张 力的突变和增大。 关键词：铰接塔一油轮系统分段非线性渡；良缝靛 系缆张力慢漂振荡 弧谐运动 a b s t r a c t r e s e a r c hw o r ki n d i c a t e st h a tt h er e s t o r i n gs t i f f n e s so fa l t - t a n k e rs 。s t e mi s p i e c e w i s e n o n l i n e a r t h em o v e m e n t s o fa l ta n dt a n k e ra r ec o u p l e d t h r o u g ht h ec a b l e 髓ea l t e r n a t i o no ft i g h t e n i n ga n ds l a c k e n i n go ft h em o o r i n gl i n eh a si n d u c e d d i s c o n t i n u i t yo fs t i f f n e s sa n ds u d d e nc h a n g eo fc a b l et e n s i o n ；i tc a ne v e nc a u s cb r e a k a n di n v a l i d a t i o no fm o o r i n gl i n e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sc a b l et e n s i o n c h a n g e sc h a r a c t e r i s t i c so f a l t - t a n k e rs y s t e mu n d e rw i n d , c u r r e n ta n dr e g u l a rw a v e s a r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s 弧em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： n l et w od e g r e eo ff r e e d o ma n a l y s i sm o d e lo fa l t - t a n k e rs y s t e mi se s t a b l i s h e d ， c o r r e s p o n d i n gt ot h em p i t c ha n dt h et a n k e rs u r g e t h em o o r i n gl i n eb e t w e e nt h e 撒a n dt a n k e ri sr e p r e s e n t e db ya l lu n s y m m e t r i c a l ，p i e c e w i s e n o n l i n e a rr e s t o r i n g f u n c t i o n t h ew a v el o a do nt h et o w e ri se v a l u a t e du s i n gm o r i s o ne q u a t i o n n ef i r s t o r d e rw a v el o a da c t i n go nt h et a n k e ri sc a l c u l a t e du s i n gl i n e a rd i f f r a c t i o nt h e o r yb a s e d io nt h e2 一dh e l r n h o l t ze q u a t i o n ，a n dt h en e a rf i e l da p p r o a c ho fp i n k s t e ri su s e dt o 热 a l u a t e 也es e c o n do r d e rd i i f if o r c e t h ed y n a m i ce q u a t i o no fm o t i o ni se s t a b l i s h e d b a s e do nh a m i l t o nt h e o r y , a n di ss o l v e du s i n gr u n g e k u t t am e t h o d d y n , 茁l i c 郴e a n dc a b l et e n s i o no fam o o t i n gs y s t e mc o m p o s e do fa n8 8 4 - m e t e ra l tz n d 纛l 姻，0 0 0t o n n a g eg r a d e t a n k e ra r e c a l c u l a t e d ，a n dt h e e f f e c t so n 奄m m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dc a b l et e n s i o no fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d + t h er e s u l t si n d i c a t et h a t , s l o wd r i f to s c i l l a t i o nc o u l do c c u ru n d e rh a r n x m i c e x c i t a t i o n sd u et on o n l i n e a r i t i e so ft h es y s t e m 。1 2s u b h a r m o n i ca n dh a t n m n i c 伐哟哟睁b sc o e x i s tf o raw i d er a n g eo ff r e q u e n c yr a t i o ，a n db o t ht h ea l ja n dr m , a r c l - 确、rm es a m eo r d e ro fs u b h a r m o n i c s i n c r e a s i n gt h ee x c i t a t i o na m p l i t u d eo ru 诵d 矗d c o l r a i a tf o r c ec a nm a k et h em u l t i p l es o l u t i o nr e g i o nd e c r e a s i n g 。u n d e rl a r g e 辅1 n da n d c u f f 芒t rf o r c e ，t h es t e a d y s t a t ee q u i l i b r i u mp o s i t i o n sd e v i a t ef r o mt h ei m t m l e q u i l i b r i u mp o s i t i o n sd u et ot h ee f f e c to fl a r g ea m p l i t u d ed r i f to ft h et a n k e r a tt h e s a m et i m e ，i tc h a n g e sm o r er a p i d l yt h em o o r i n gl i n ef r o ms l a c k e n i n gt ot i g h t e n i n gb y q u i c k l yd r i f t i n gt h et a n k e r , s os u d d e nc h a n g ea n di n c r e a s eo fc a b l et e n s i o na r e i n d u c e d k e yw o r d s ：a l t - t a n k e rs y s t e m ，p i e c e w i s e - n o n l i n e a r , w a v ed i f f r a c t i o n c a b l e t e n s i o n s l o wd r i f to s c i l l a t i o n ，s u b h a r m o n i cm o t i o n 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，也不包含为获得基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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：象韵铜7 签字日期：。7 年月弓。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞态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： 象确钾f 签字日期：弘。7 年 月3 0 日 签字日期：弘o7 年 月 日 导师签名： 多彩一 签字日期：2 叼年月多d 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 由铰接塔油轮系统构成的单点系泊系统( s p m ，s i n g l ep o i n tm o o r i n g ) 已经 在油气开发工程中得到应用【。单点系泊系统是随着海上石油开采与油船运输的 蓬勃发展应运而生的。由于海上石油开采与运输的发展需要，油轮的吨位和吃水 逐渐增大，丽可以容纳巨型油轮( v l c c ) 和超大型油轮( u l c e ) 的港口不多， 为了避免港露、城市静环境污染，要求油船的装卸能在远离城l 曛海区进行，圊 时对于深海油e e j 与离岸较远的近海油田，幽管道向陆上输油造价暴贵，于是随着 近海活动日益向深海的发展，各种型式的单点系泊系统应用得乜越来越广泛。 单点系漕系统最大熬特点是建设在无遮藏的海洋环境中，逛也她它们要承受 风、浪、流的联合作用。这些系泊结构物在风、浪、流等环境条件搀嗡下可作顺 威式的运动，以防止产生过大的水动力载荷。大位移以及内在的非线性是这类系 统基本的动力特性，并会引起不可预料的动力失稳现象。最近天j ：k 应式海洋结 构的研究表嗳，由于显著的嚣线性和恶劣豹海洋环境，系统会发生熏渚共振和动 力失稳，甚至可能引发混沌遥动 2 1 。同时，由于系缆周期性的松弛张紧而引起系 统刚度的不连续性，并导致系泊缆索( 链) 中的张力发生变化，其爱可能引起系 溜缆索麓断裂秘失效，从而弓| 发断缆走锚事故。因此，准确预嫠系聱结构的运动 响应和系统的动力特性以及系溜缆索中豹张力变化，对海洋工器系曩系统的合理 设计、保证系统的安全和正常运作有重要的意义。 当铰接装载塔处于迎浪位置时，可以将其视为能够囱由纵籀的确体塔柱，而 油轮燹| l 可视为囱毒缀荡的嚣l 体。因此，铰接塔一油轮系统可以醺擎 c 为线性波作 用下的两自由度系统。非线性恢复力矩来自铰接塔上的浮力和系泪缆绳中的张 力。在本文中，我们就将以此两自由度铰接塔一油轮系统为例，来6 坪究单点系泊 系统的分段非线性运动特性。考虑油轮运动的非线性、系泊结翰和材料的分段特 性，建立风、浪、流作用下系泊系统载荷的确定方法，求辫系统盔墨：同海洋环境 下的运动时间历程及系缆张力，并分析其运动稳定性，以揭示单点系i 臼系统的动 力响应特性，为系泊结构的运动计算和系泊载荷的确定奠定莲论基6 出 天津大学硕。 j 学能论文第章绪论 1 2 单点系泊系统 1 2 1 单点系泊系统的产生、发展及应用现状 单点系液系统是一种海上系泊船舶的装置，并且是船舶完成石油、天然气管 道传送装卸作业的终端，是海上油田的集输设备，也可以作为深水码头使用。它 允许所系i 自的船舶在水平面内做3 6 0 。旋转，使船舶运动时所受的系泊载荷减 小，气候对其影响不大，因两提高了效率p 硎。 1 9 5 8 年世界第一套单点系泊系统在瑞典作为“海上加油站”成功投产，4 0 多年来，随着近海石油勘探开发和海上运输业的发展，单点系泊技术的发展十分 迅速。单点系泊技术的兴起、发展和应用，对海洋石油开发和提高海上运输效率 起到了重要的侔鬻。首先，单点系泊系统作为海上中转终端，透过这种“浮动的 码头”，就可以供大型船舶系泊和装卸原油或矿砂，充分发挥了大型船舶运输的 优越性。其次，单点系泊系统作为海上油田采油终端，起到了“浮动油库”的作 用，是深海：遥远油匿上经济穗且先进的储输手段。 1 2 2 单点系泊系统的分类 单点系垴吞境根据环境载荷、使熙要求、作韭方式、产晶特性等各_ 季孛不同酶 设计参数，分成不同类型【3 j 。 ( 1 ) 悬链式锚腿系泊系统( c a l m ) 此类系缝楚肇点系泊系统中最初形式之一。具有结构简单，安装方便的特点， 醚广泛应焉。癌：个壹径很大的，扁平状腻柱浮篱及锚缆等其它设蚕组成。被系 泊的油船靠系簿莲绳连接于转台的系泊臂上。管汇臂用浮动橡胶管连接到油船的 管汇处，即u j _ 遮，j 石油装卸作业。悬链式锚腿系泊系统的锚缆重量随水深的增加 露迅速增拥圭簧耀于浅水区域，个别也有超过1 0 0 米水深的。对海底要求地貌 平毽，有搴j 1 f 怂涟式锚腿工作。 ( 2 ) 单浮筒贮油系统 单浮筒芝：油系统是在悬链式锚腿系泊系统的基础上发展起来的，两者差别在 于用嚣l 嚣襄滴嘏缆绳系演，油船可与之永久性地系澹，提供贮油能力，终端装 卸可以得到缓和，当油船不在场时，仍可连续生产。其刚臀一端与贮油船铰接在 起，相互问容许有纵摇，另一端支持在浮筒上，可绕浮筒旋转，使浮筒、刚臂 和油船麓摇荡运动彼此独立。以刚性系泊臀代替系泊缆绳可以避免采用重量大、 巍径褪昀轰绳，菠本上捧除了断缆的危险，因此减少了维护保养工作，降低了成 天津大学硕士学位论文第一章绪论 本。同时也避免了油船与浮麓相f 碰撞。 ( 3 ) 暴露缎置的单浮筒系泊系统( e 己s b m 该系统是专为适应北海极端恶劣的海洋环境( 连续波高为2 0 米，在系泊时 的波高也有6 米) 而研制的。它彳卜一个巨大的浮筒，并用两个不同直径的捌筒分 隔成嚣个同心踊形舱。外圆舱以辐射状分隔为8 个小舱，上下分隔成三层，依靠 均匀分布的悬链式锚腿系泊定位：该系统的最大优点是麓使最易磨损的三部分： 水上橡胶管、水下橡胶管及缆绳延长寿命。 ( 4 ) 桅式浮简单点系泊系统 s p a r ) 与暴露链嚣的萃浮筒系溜系统裰似，只是浮筒本身具有贮油能力与生产设 备。浮筒呈瓶状，下面一段最大，备有贮油容器，中间一段直径较小，以减小波 浪的扰动，上面一段直径较大，设有转盘、居住舱及工作设备，也用悬链式锚腿 系泊定位，由于浮篱较大，共磺8 根锚缆。 ( 5 ) 固定塔式单点系浓系统 该系统有一个垂直的管状系；舀柱，下面固定在固着于海底的一个很大的重力 基座上。转台、系泊架、输油转换器等都安装在塔身上，油船用缆绳系泊在转台 上，采用浮动橡胶管装卸原油。+ 这个系统络构篱单，但系滚弹性较差，因此仅适 用于较浅水域。 ( 6 ) 单锚腿系泊系统( s a l m ) 该系统主要由一个细长的浮赫缀或，浮篱下端通过万向联轴节与基座相连。 浮筒与油船可以绕系泊点转动。油船崩系缆系泊到浮篱的系泊架上。本系统浅水、 深水均能适用。对于较深水域，为减小作用于浮筒上的弯矩，根据需要中间还可 增加铰接点，其下部与浮筒问通过万向联轴节( 铰接点) 来连接。 ( 7 ) 单锚腿储油系统 该系统是在单锚腿系漓系统赡錾毽t 发展起来的，改用刚臂来系泊油船。根 据系泊腿的形式可将系统分为网辟彪式：a 、细长的管子；b 、锚缆或环状构件； c 、大直径的圆柱塔；d 、细长的毫管浮筒相结合。 ( 8 铰接装载塔 该系统的主体是一个垂商的锯质塔柱或桁架塔。下端用万向接头与基座铰接 在一起，基座则依靠重力与毛庠阎宅行：海底。塔的下部为压载舱，用以降低系统重 心。靠近水面的地方有主浮力舱它给予系统以必需的恢复力矩并使系统能承受 周围环境的影响。浮力舱内通薷蹬青篇舱，隔舱不仅允许在如受船的碰撞等意外 事故下能部分浸水，并且这糕隔舱能存安装时通过压载来调节塔从水平浮态转到 垂窟浮态的平衡位置。塔顶部没有转台、装油臂及直升机平台。原油沿着管道经 过万向接头升到顶部转台内魄输油转换嚣处，再通过装油臂与橡胶篱为油船装 天津大学硕一 ：学位论文第一章绪论 油。一般情况下，铰接装载塔适用的水深范围为2 5 0 - - 6 0 0 英尺，水深超过1 8 2 。8 8 米( 6 0 0 英尺) 时，需在铰接塔中间至少增加一个以 二豹铰链溺。 1 3 铰接塔一油轮系泊系统 铰接塔一油轮系泊系统是种适合于深水的f p s o 系统，典型的铰接塔一油 轮系泊系统如图1 1 所示。铰接塔底部通过万向接头连接到海底，因此，铰接塔 可绕底部垂由转动。铰接塔具有风标效应，其可以有效降低承受的波浪和风载蘅。 馨 圈1 1 铰接塔一油轮系漕系统 铰接塔系泊船舶的方式主要有两种，即通过剐性轭繁成缆绳系泊。系泊若是 用冈l 性轭架这类永久性的连接时，则适合系泊生产贮漓轮、供虚船、半潜式或任 啊其它类犁的船舶；若是用缆绳这种可脱开的连接时，剐b i 系泊半永久性的生产 油轮或穿梭油轮的装货。 一般情况下，铰接塔所系油轮的重量是其自身霞毓的5 1 0 倍。在波浪作用 下，塔柱朝向系泊油轮运动时，系泊缆松弛，系演羧复力仪存塔柱自身的恢复力 矩；当塔柱离开油轮运动时，缆索逐渐拉紧，恢复力包括浮力及系缆张力。显然， 系泊塔柱向两个不同的方向运动时，缆索刚度不同：另外，系泊油轮在海洋环境 载荷作用下发生六个自由度的掰体运动，此种运动遵过系演点传递到系缆上，引 起系缆昀变形及张力随浮体位移的变纯呈现强菲线性邸系缆廷l 度的焉蠹线性。因 此铰接塔一油轮系泊系统的恢复刚度是分段非线性的。正是出于恢复刚度的不连 续性及非线性的存在，导致铰接塔一油轮系泊系统的动力分析变得困难。 在实际研究中，通常需要针对嚣季孛状态对铰接塔系i 囊豢统进行分析削：第一 天津大学硕士学能论文第一章绪论 种楚生存状态，即分析在没有系泊油轮的情况下系统的完整性，此时研究的测重 点楚铰接塔自身的动力响应阏题；另一种是作业状态，重点在于存在系演油轮情 况时系统在风、浪、流联合作用下的稳定性分析以及缆绳张力的计算。作业状态 的环境条件一般并不恶劣，但作用在系统上的组合载荷的性质和振幅是相当复杂 的。系泊系统对非线性慢漂现象特别敏感。被系泊船舶可能会经历除波浪数：箬之 外的长周期振荡。这种二阶力振幅穰小，健在不规则波下，波群会弓| 发与系漓系 统 占1 有频率接近的低频激励。因为与较大的一阶力耦合的二阶力会引发十目当高的 系泊力，从而导致缆绳失效，因此绝对有必要对其进行动力分析。 1 4 系泊缆及系缆张力 建铰接塔一油轮系泊系统中通常采用尼龙缆来俸为系泊缆。尼龙缆重繁轻 造价低接地谣积小，安装方便，抗腐蚀能力强，水平偏移量小。其缺点楚与村 料相关的机械特性的不确定性以及大的拉力引起的非线性问题。 ”。在系泊系统孛，主要依靠系澹缆提供恢复力，保证缝构保持一定的位置。当 缆绳舱张力与分布在缆绳上的曳力相当时，缆绳就会松弛，在周期性载荷的作题 下兢会出现张紧一松弛的交替运动。根据变换的频率，缆绳中可能出现很高的 张力。当系泊缆的张力超过许用张力时，系泊缆就会断裂破坏，造成整个结捣芑 臻演。不过实际上，很多系泊缆断裂时，环境载荷并没存超过设计蘅载，丽跫i 于出现松弛一张紧过程中的突变力造成系统的破坏。试验结果表明，这种突变的 张力是平均张力的几倍到十几倍。这与系泊系统的刚度不连续有关。因此对系泊 缆绳张力及其交替运动特性的研究对于准确评估系泊系统的安全稳定性是具有 墼要意义的。 1 s 恢复刚度模型 铰接塔一油轮系泊系统分析的一个关键性问题是系泊刚度的处理6 1 题，印系 统恢复力矩的确定问题。在早期的研究中，一般将系缆刚度视为连续的，即 | j 一 线性或弱 线性丞数来表示系统的恢复力矩。偿实际上，系泊缆总是处予捡弛一 张紧的交替状态，当系泊塔柱向不同方向运动时恢复刚度不同，即恢复罔u 度是不 连续的；因此后来的研究中多采用分段刚度模型来计算系统的恢复力矩二目前i 弓 外研究中考虑分段刚度所建立的恢复力矩计算模型主要有以下几种： il ) 分段线性模型( 双线性振予模蘩) f s j 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 考虑系统在正位移彝1 负位移时具有不同的刚度，且假定恢复力矩在每半个相 空间内是线牲的，于是系统就成为双线性振子。其恢复力矩可以表示为： g p ) = k i v u , 拦 ( 1 - 1 ) 其中墨、k ：分潮为i l ：、负位移刚度，y 是铰接塔的角位移。这是在较为早期 的研究中所采用的研究暖犁。 ( 2 ) 分段非线性模型 由于系缆材料熬j 线性影响及大幅值运动麓几何j 线性效应，系溺系统酶弼l 度将是非线性的。考虑系泊刚度的不连续性及非线性，建立了恢复力矩的分段非 线性模型。 当不考虑油轮运动影响时，铰接塔恢复力矩为o 】： g ) = 霸渤v + 矗( h c o s v 炽k s t i s n i n v ) v + , 积c 。s v 勋s i n v y ，v 其 他o ( 1 - 2 ) 其中露；是由于重力和浮力号l 起的恢复力矩系数，墨l 、致。分别为系泊缆的线性和 非线性弹簧系数。 在具体计算中，常将非线性恢复力矩展开为幂级数，只保留前两项，并应用 等效线性阻尼，从两将诙复力矩表示为： 荆管：= 3 ) 其中麓，也，心是常系数。 对于弱菲线性系统。剃零在上述简化的基础上再应用最小二乘法将恢复力矩 等效为连续恢复力笳甬敏凹用一拟和的三次多项式来表示： l v ) = c l v + c 2 v 2 十c 3 v 3 ( 1 - 4 ) 式中q ，乞，g 是常数。 当考虑油轮运动影响时，铰接塔的恢复力矩可表示为【1 】： 荆一k 雠诹刚k 帆1s i n 呐v ，掰氓搿，) 篙 5 ) 式中，k l 、k l l 及七。，的含义同上，8 1 = x h s i n v ，是铰接塔顶端与油轮的相 对位移，是风漉维掰力。 天津大学硕士学位论文第章绪论 随着人们对工程实际的深入研究以及非线性动力学的进展，人们已越来越趋 向于采用分段菲线性模型来分析铰接塔的运动，而这也将是本文所采羽的计算模 型。 1 6 铰接塔油轮系统动力响应研究进震及现状 1 6 1 国外研究进展及现状 国外对于各类单点系泊系统，包括铰接塔一油轮系统的研究开展的较早，已 具备了一定的研究规模和深度。鉴于单点系泊系统研究资料的数量较多，我们只 简要介绍一下国外学者在铰接塔一油轮系漓系统研究方蘧所作的工作。 c h a k r a b a r t i 和c o t t e r 考虑铰接塔鹃振荡、漓轮的级荡及纵摇运动，建立了铰 接塔一油轮系统的三自由度运动模型l 。将系滔缆简化为线性弹簧，并将非线性 拖曳力项进行了线性化。以半封闭形式求解了运动方程，计算了系统在波浪作用 下的运动响应，获得了系洼张力及铰接塔的基庆剪力和弯矩，并与试验结果进行 了对比分析。n a e s s 进行了铰接装油塔在有系泊油轮和无系泊油轮两种情况时的 模型试验1 1 引。试验研究了铰接塔在风、浪、流作嗣下的运动响应问题，给出了 铰接塔上力和力矩以及系缆张力的响应幅设曲线，讨论了系统的运动响应，给出 了铰接塔一油轮系统纵荡运动的动水阻尼系数，并讨论? 一些尺度效疲。d u m a z y 讨论的是一个在3 0 4 8 米( 1 0 0 0 i t ) 深海处由浮船( 油轮、驳船或半潜式船舶) 和铰接塔相连接而组成的系统的性能预报问题1 5 j 。计算模式考虑了非线性的环境 条件，在时域范围内计算船体馒漂运动和佟用鑫瑟钵上躲力，并进行了模型试验 来加以验证。 t h o m p s o n 采用数值计算的方法率先研究。j 敏应式结构的混沌现象，将系泊 系统简化为双线性振子模型，研究铰接装载塔的诬谐共振和混沌运动响应【9 j 。次 年，t h o m p s o n 将油轮视为固定不动的刚终，考毫铰接塔蠢两令不司的方向摆动 疑有不同的刚度系数，将系泊系统简化为泽臼d ：噎双线性振子模型，然后将方程 化为无鼍纲形式，应用数值方法对运动方程进行了求解，并根据计算结果研究了 铰接装载塔的亚谐共振和混沌运动响应”。文中就不同冈n 度比窃= k ，毛( k ，和 k ，分别为发生正、负向单位偏角产生的恢复力矩) 及不同频率比r = ，c o ( 缈， 是波浪圆频率，脚是塔的固有频率) 对运动响应状态的影响进行了分析，并研究 了联- - - 。，帮碰撞振子的运动特性。另外缝们还进行了模型试验，对理论分橇 天津大学硕士学位论文 第章绪论 结果进行了分析验证。 c h a n t r e l 和m a r o l 考虑铰接塔的缴摇，应震简化的单囱出度纵摇方程来研究铰 接塔一油轮系统在一阶规则波浪激励下的响应，分析了纵摇方程中不同非线性项 的相对重要性，讨论了由不同的线性化技术得到的马休方程的稳定性，发现缆绳 的非线性剐度特性会导致亚谐共振【l 引。使用号 线性时域模拟程序来计算随枧海 况下系统的响应。在模型试验和计算获得的纵摇运动的功率谱密度中均识别出亚 谐共振响应。说明了亚谐共振现象对缆中预张力的敏感性，并指h 【i j 于缆绳张力 在不规则海况下不断变化，非线性现象并来引起塔柱剧烈的纵摇运动。 g e m o n 翮l o u 考虑铰接塔躲缴摇和油轮的缴荡运动，将铰接塔一油轮系统篱 化为两个自由度的模型，建立了作业状态下该系统的运动方程【6 1 。文中将连接塔 和船的尼龙缆简化为非线性弹簧，由拟和的三次多项式来表示其恢复刚度。计算 中考虑了规则波作用下的环境力( 包括一阶作用力和二阶作用力) 。利用改进的 m o r i s o n 公式来计算作用在塔楗上的东动力，而作用在、油轮上酶水动力载荷则应 用势流理论来求解。采用p i n k s t e r 的近场方法计算漂移力，并应辟 w h i l s o n - 0 法计 算得到了系统的运动响应。本文的不足之处在于，由于将尼龙缆模型化为非线性 谍簧，可能会使缆绳中产生压力，餐实际上缆绳只能承受拉力焉不簇受压，从而 导致当铰接塔向油轮方向运动时获得的运动响应不符合实际。 c h a k r a b a r t i 和c o t t e r i i 开究了系泊浮式结构系统的运动响应l i 引。将铰接塔和油 轮均视为刚体，考虑系泊船6 个自由度的运动，即纵荡、垂荡、援荡、横摇、纵 摇、首摇以及铰接塔瑟个自由度的运动，酃振荡和避动，从而建立了系统的夕自 融度运动方程。外界激励包括波浪、风和海流，可以不共线。波浪可以是规则波 或长峰随机波。分析在时域内进行，应用向前积分法对运动方程进行求解，获得 了系统响应，并与切萨皮克湾研究所( c b i ) 波浪试验水横实验薮嚣避i f 了比较。 c h o i 和l o u j ：f j 壹接数值积分和近似解析方法研究了氛有菲对称分段礁线性恢 复力的单自由度系统的受迫振动，提出了种应用谐波平衡法与快速博立叶变换 技术来分析分段非线性系统的方法【9 j 。他们分析了系统的强非线性持住，包括亚 谐共振、不稳定性、分岔、李雅普诺夫指数及吸弓| 域。借助于希笨h i l l ) 方程， 用赢接数值积分和经典稳定隧理论研究了混沌运动发生的可能性。后糸，他们又 考虑油轮纵荡和铰接塔的纵摇，建立了铰接塔一油轮系统的两自l l j 发运动模型 l 。系泊缆的恢复力以一非对称分段j # 线性恢复力函数来表示。应辩 赶接数值积 分研究系统在波浪、流、风共线作用下的强迫振动及毒蓦线性慢漾运动。讨论了包 括多重解、亚谐共振及分岔在内的非线性特性。研究表明，由于系统的高度非线 性，当激励幅值增加或阻尼减小时，系统会出现具有慢变幅值的亚谐振动。另外， 文中j 丕磷究了风流作舞力、阻尼及j 线性嚣l 度、激励幅值等各参数，雯化对系统响 天津大学硕 ：学似论文第一章绪论 应的影响，并与单自由度模型结果进行了对比分析。但是由于采用数值积分只能 获得系统的稳定鳃，因此文中并未进行系漓系统静稳定性分析。 k i m 和n o a h 将铰接塔简化为具有强分段非线性的单自由度系统，承受波浪和 水流作用【i 引。f 照用谐波平衡法与交替频率时间法相结合的方法进行分析，确定 系统的稳态晌瘦。将菲线性蕊数在时域内离散，获得了分段菲线性系统的属期解。 廒用缃辽金法柬确保数值迭代方法的稳定性、收敛性和计算效率，得到了雅可比 矩阵的具体形j 弋，并用n e w t o n r a p h s o n 方法求解非线性方程。基于一个周期的数 值积分，用f l o q u e n t 理论对获得的周期解进行了稳定性分析，并应用庞加莱映射 研究系统韵分岔特性。 j a i n 研究了铰接单点系泊系统在随机波浪载荷作用下的运动f 1 6 】。分析中考虑 了系统的各种非线性，这些非线性是由于筻里森公式中的水动力拖曳力、变化的 浮力和附加质餐、塔的瞬时位置的影响，以及传递给塔的油轮的纵荡运动所引起 的。利用油轮的响应幅值算子及特定的海面高度谱得到了油轮的随枫时历。应用 频域迭代法砧暴线进行分析，这种分析方法考虑到了上述非线性。另外还利用上 述分析方法进行了参数研究，以分析随机波浪作用下单点系泊系统的运动特性。 这些参数包括潍轮酶纵荡运动、流速、随机波浪潋及油船连接到塔上的位置等。 通过分析，获得了响应的平均峰值及偏角响应峰值的分布特性。 r a g h o t h a m a 和n a r a y a n a n 将铰接塔视为具有分段非线性恢复力特性的单自由 度非线性系统i 建立了相应的运动方程，并应用增量谐波平衡法( i h b ) 研究了简 谐激励下铰接装浊塔的分岔运动，求出了封闭形式的雅可魄矩阵和剩余矢量，并 应用基于弧长连续法的路径追踪技术来追踪响应曲线和分岔图f 1 7 】。发现系统经 过系列倍周期分岔而引发混沌运动，并且发现了孤立的周期3 解。计算了李雅 普诺夫指数，并蹦插值胞映射方法( i c m ) 获得了相应于共存吸弓| 子的初始状态映 射。由对比分断毽，应用增量谐波平衡法获得的周期解和亚谐解以及分岔点均 与数值积分结聚嗡台的很好。 s h u s h i k a l a 磐瞧出于系缆松弛而引起的系缆刚度的不连续性，将系统简化为 非线性振子，建立了铰接塔系统的单自由度运动方程，分孛厅系统的混沌运动瑟引。 文中研究了强非线性的恢复力和水动力对系统的影响。基于近似解析方法进行了 时域响应分析。应用直接数值积分求解了非线性联立方程，并应用相图和庞加莱 映射对结果进行- 分析，识别出了亚谐共振和混沌响应以及导致混沌的不同途 径。另外还通过改变频率比研究了激励幅值对系统运动的影响。 1 6 2 国内研究进展及现状 我固对，单点系泊技术的霉l 进始予渤海油田。近年来，国内的科研工作者们 天津大学硕士学位论文 第章绪论 针对各种单点系泊系统的运动响应及特性进行了一系列研究。 溢宝贵分析了单点系泊系统运动和受力的组成，会缨了低频运动流体动力系 数( 阻尼、附加质量) 获得的方法和途径，给出了规则波、波群和不规则波作片j 下引起的稳定漂移力和振荡漂移力的计算方法，并应用频域方法求得了系统的运 动响应2 翻。 马汝建应丽非线性谱分析法，对铰接塔油塔在随机海浪作用下的非线性动力 响应进行了分析【2 l 】。系统的非线性来源于单点系泊系统的非线性恢复系数。研 究表明，当系统的位移较小时，线性解可以给出较好的近似解，但线性解的误差 隧位移的增大甄增大。线性解的误差来源主要是在线性化时忽略了高阶项，扶甭 软化了系统的刚度。因此，在大位移条件下，应当考虑系统的非线性效应，以提 高计算结果的精度。 徐兴平等将系泊锚链看作是弹性系数为k 的弹簧，建立了单点系派系统的单 囱由度力学模型，分别分析了浮筒和油轮受到的波浪力，阻尼力以及锚链的系泊 力。，然后根据拉格朗日方程，导出了单点系泊系统的运动方程式，并应用数值a 法进行了求解【2 2 】。后来，徐兴平等人又分析了引起海上单点系泊油轮纵荡、横 荡、开淀l 、级摇、横摇和首摇6 个皇由度运动的原医，讨论了淮轮各个自奎度运 动对油轮t 设备正常工作的影响，并提出了减小油轮运动的一些措施f 2 引。文申 介绍了单点系泊油轮模型试验的内容、试验装置及试验结果，特别是给出了模拟 的系泊剐凄曲线，从试验结果可知其恢复鞫4 度是分段光滑的。 t一 徐福敏提出了单点系漓系统低频纵荡二阶力的频域计算方法1 2 4 。文中应用 三维源汇分布法求解辐射势及绕射势，得到阶运动方程，对其求解而获得单位 波幅规则波下船舶的一阶运动幅值，然后求出二阶力传递函数，并应用频域法确 定除蠢王壤馒漂力。 文l j 疵：p 等采耀准定常时阍域方法分析了在风、浪、流联合作用下海，卜系演系 统的运动技动力特性【25 | 。在此文方法中，利片j 无航速的三维源汇分布法求得水 动力系数韧波浪载荷。在计算船舶的静水恢复力和f r o u d e - k r y l o v 力时，计及了瞬 时瀑表题变化弓| 起的菲线性俸壤。风载荷和流载萄剥羯试验结栗回归经验公式得 到。作f j 在船体上的系泊载荷则采用静态的二维方法求得。利用四阶r u n g e k u t t a 方法求解运动方程，得到船体及固定在船体上的两个系泊点的运动时历。然后把 运动时历撵为边界条件，同时计入流体作用秘弹性拉伸作用，应用推广的二维集 中质量法给辩系泊缆索的三维动力响应。 季春群等根据l i a p i s 提m 的方法，建立了油船的首摇和横荡的稳定性方程， 以懋链线锚腿系泊系统( c a l m ) 为例，探讨了系缆索的长度对单点系泊稳定性 憋影响，荠利用时域分析的方法，霹某一油船系澹在浮篱上i 掩c a l m 进行了分手厅 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 计算【2 6 1 。后来，季春群分析了单点系泊系统在海洋环境条件作用下的运动特征 以及影响单点系泊系统锚漉线载萄昀因素，指出了缆绳张力的菲线性性质瑟霸。 黄祥鹿等介绍了一种计算系泊浮式海洋结构在波浪上运动响应的方法，应用 频域法考虑了系泊系统与结f ：i 运动间的动力耦合，特别是应用二阶摄动方程，解 出系泊浮式结构系统的二阶没荡运动【2 勖。该方法可以绘出浮体在波浪上包括波 频运动和二阶慢漂运动的运动响应，以及镝系载荷的一阶和二阶响应。健在求解 过程进行了等效线性化处理使系泊力本质非线性特性消失。而且由于整个计算 是在频域内进行，所得结果只能以频率响应函数或谱的形式给出，对于时域内的 统计值，如最大值等，均无法直接得熨。 毕毅等研究了潮流作用下单点系泊船舶的静态分翁特性【2 嬲。文中考虑了船 舶的纵荡、横荡及首摇运动，采用非线性弹性系缆模型来计算系缆张力，从而以 三自由度操纵运动微分方程为基础，建立了单点系泊系统的数学模型，得到了静 态分岔方程。然詹运用奇冥性理论和普适开折方法对其分岔特性进行了研究，得 到了扰动分岔图。并应用系i 岛运动时域仿真模型，对一艘驳轮的静态分岔特性进 行了数值计算。文中指出，在系泊系统的设计中，考虑其静态分岔特性和系泊系 统的结构稳定性是必要的：j “+ 聂孟喜等在时域内建立了单锚腿系泊系统在风、浪、流联合作用下动力响应 的计算方法睁。在分析波浪载辑时，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i 流载荷作用力。系统的动力初始条件由准静态方法 求 | 譬。由静态方法得到系漕力詹，使灞了黯阶r u n g e k u t t a 方法求解船舶的运动 时历，并作为立管和浮筒动力计算的边界条件。由二维粱柱单元和集中质量法构 建了立管和浮筒的数学模型，立管的运动方程用w i l s o n 0 法求解。但是由于此 模拟计算方法中使臻了设计波洼，并在计算波浪载蘅时进行了一定的简化处理， 使得系泊力的计算结果未能较鑫f 地体现出波浪载荷的不规则性。 周满红等研究了静水中顿心式铰接塔平台的运动特性【3 1 1 。将平台简化为顶 部有集中质量，绕海底铰接点作乎面运动的单自由度体系，考虑铰接点的库伦摩 擦、塔柱的结构阻尼及海漉对! 赍镌俸熏，采磺拉格朗嚣方程建立了铰接塔平台 的强非线性运动方程。采肘t a y l o r 级数展开微分方程，对平台的运动响应进行了 数值模拟。计算表明铰接塔平台的固有周期接近低频波浪周期，可能发生大幅慢 漂运动。 谢文会等研究了深水铰接塔平台在波流联合作用下的组合共振特性p 刁。将 平台顶部工作单元简化为集中质最，塔柱和浮力舱简化为均匀直杆，建立了铰接 塔平台的运动分析模型。考虑海流和波浪对平台的作用，应用m o r i s o n 公式计算 铰接塔平台瞬时位置所受承动力，依据拉格朗遥原理建立了铰接塔平台豹强非线 天津大学硕士学位论文第一章绪论 性运动方程。分别考虑波浪作用和波流联合作用，采用数值计算方法，计算了高 4 0 0 m 、塔柱直径1 5 m 的浮力塔平台的多种组合共振响应。 唐友刚和左建立等研究了铰接系泊塔一油轮系统波流联合作用下的动力响 应【3 3 】。考虑铰接塔一油轮单点系泊系统系缆刚度的非线性，将尼龙系缆处理为 分段非线性困l 度模型，采用m o r i s o n 公式计算铰接塔的波浪载荷，采用线性波浪 绕射理论计算波浪对油轮的作用，建立了两自由度福合的分段菲线性运动微分方 程。计算了高1 7 7 m 的铰接系泊塔和9 3 5 0 0 t 油轮构成的f p s o 系统的耦合动力响 应，并讨论了系统运动对于系缆张力的影响。 综上新述，单点系泊( 包括铰接塔 及油轮构成的f p s o 生产系统浆动力特 性分析、环境载荷及系缆张力的计算已经成为海洋工程领域的重要研究方向。国 外的单点系泊技术已经比较成熟，具体针对铰接塔一油轮系泊系统的研究很多。 儇从已有的文献资料可以看擞，多数研究均将系泊油轮视为固定不动的，从两将 铰接塔一油轮系统筒纯为单囱由度模型，而考虑铰接塔一油轮系统耦合运动的褶 对较少。当系泊油轮的质量远远大于铰接塔自身质量时，作为一阶近似，可以假 设油轮固定，塔在波浪中振动，从而将铰接塔处理为单自由度模型。但当铰接塔 质量与系泊油轮质量程差并不很大时，则必须要考虑油轮运动对铰接塔运动的影 响，而显然在这方面的研究还很不够。另外，多数文献中并未对铰接塔油轮系 统中系泊力的计算以及系统运动和环境载荷对系泊张力的影响做深入探讨。而在 国内，具体针对铰接塔一油轮系泊系统的研究很少i 对于其它类型单点系泊系统 的研究也主要集中在对系统的运动响应帮受力分析上，却缀少考虑系泊系统的菲 连续刚度来计算系泊系统的动力响应、评估非连续刚度对于系泊力的影响以及系 泊缆的安全。在可见的有关铰接塔的文献中也多足针对铰接塔在无系泊油轮时自 身运动的分析，蒸对于铰接塔系渡系统的作业状态，蠲存在系涫油轮时系统酶耦 合效应、系统解的稳定性和复杂动力学特性分析，以吱系泊张力的计算等方面的 研究仍存在很大空缺。本文正是要在前人研究的基f i 出 二对铰接塔一油轮系泊系统 在作业状态下的运动响应及非线性动力特性进行探讨。 1 7 本文主要工作 本文磺究的主要蠢的在于应用时域分析方法，计算铰接塔一油轮系泊系统在 风、浪、流联合作用下的环境载荷、运动响应及系缆张力。这一课题对于铰接塔 一油轮系泊系统的运动预测和张力变化的预估具有实环意义，可作为海洋工程系 泊系统设计的参考依据，同时瞧可为分拆棚近类犁的单点系泊系统提供参考。本 文将要完成的主要工作包括： 天津大学硕士学位论文第漳绪论 1 、考虑风、浪、流联合作用下铰接塔的纵摇和油轮的纵荡运动，建立铰接 塔一油轮系泊系统酶两皇奎度运动模型，其孛系缆嚣l 度采埔分段菲线性模攀。 2 、确定系统的动力学参数，包括分段非线性刚度和阻尼系数。 3 、应用基于二维海姆霍兹( h e l m h o l t z ) 方程的线性绕射理论来计算作用在 油轮上的一阶波浪力，二阶波浪力则应用p i n k s t e r 近场方法来诗算。 ( 1 ) 确定用于求解船体周围流场的速度势的马体函数的计算方法： ( 2 ) 根据椭圆柱坐标下速度势所满足的基本方程和边界条件对辐射势和绕 射势进行设解，并根据船体表面条件确定速度势中的未知常数； ( 3 ) 计算流体中的波舔力并沿船体温表瑟积分，从覆确定接惩在油轮上的 阶波浪载荷。 ( 4 ) 应用p i n k s t e r 近场方法计算作用在油轮上的二阶波浪载荷。 4 、计算作耀在系统