第一章 第二节

1、2021-7-42021-7-41 1 1.2.1 1.2.1 固定式平台和活动式平台固定式平台和活动式平台 1.2.2 1.2.2 顺应式平台顺应式平台 1.2.3 1.2.3 浮式平台浮式平台 1.2 1.2 海洋平台构造及有关动力学问题海洋平台构造及有关动力学问题 2021-7-42 1.2.1 固定式平台和活动式平台 小于小于400m400m水深的海域水深的海域 固定式平台 混凝土重力式平台 导管架平台 通过自身的重量维持 合适的垂直位置 管状桩腿，插入土壤一定深度， 以支持平台结构和作业模块的 重量。 固有弯曲频率或基本弯曲频率 大约是0.17赫兹（6秒）。 振动的主要形式是弯曲振动

2、。 2021-7-43 1.2.1 固定式平台和活动式平台 用于勘探石油的自升式钻井平台也可称为活动式平台。用于勘探石油的自升式钻井平台也可称为活动式平台。 有有3 3到到6 6根桩腿支承，桩腿有钢管式和桁架式两种结构。根桩腿支承，桩腿有钢管式和桁架式两种结构。 站立状态 拖航状态 每根桩腿固定于海底的钢质 沉垫上，可以使平台结构稳 定并且减少桩腿插入海底的 深度。 平台的船体在海底以上的高 度可达到100米。 桩腿从海底拔出，并且收进 船体的低部，减少拖航过程 的阻力。 2021-7-44 1.2.1 固定式平台和活动式平台 共同的结构特征共同的结构特征 上部生产结构模块达到数数千吨，远大于

3、支撑结构的重量。 结构高度方向的尺寸大于水平方向的尺寸。 主要的振动形式为弯曲振动。 共同的振动特点共同的振动特点 惯性力 恢复刚度 动力载荷 重要的动力学问题重要的动力学问题 在在100m 以上水深作业时，波流联合引起的动力响应。以上水深作业时，波流联合引起的动力响应。 上部作业模块的质量 取决于支撑结构 风、浪、流、海冰、地震载荷 2021-7-45 1.2.2 顺应式平台 牵索塔平台牵索塔平台 桁架式塔架 钢缆加重链海底锚 连接到海底基础上的缆索 工作水深可达到400米 桁架结构减轻了结构重 量，减小了惯性力； 减小了风、浪、流等流 体载荷。 在水面以下25米处，塔结构四周 对称地系上2

4、0根钢缆； 每根钢缆向下延伸约1000米，与 一根在海底锚固的加重链相连。 在正常天气或小风暴情况下，钢缆作为一坚硬的弹簧，提供 平台摇摆运动的恢复力。 在大风暴和飓风等恶劣的气象条件下，钢缆变得相对柔软以 使结构顺应风浪流载荷的作用。当平台摇摆的幅值增大时， 同时增大的还有加重海底链提离海底的高度，这样就增大了 平台的回复力使平台适应风暴载荷。 2021-7-46 1.2.2 顺应式平台 铰接塔平台的组成铰接塔平台的组成 铰接塔平台的动力学问题铰接塔平台的动力学问题 塔柱、海底基础、万向接头、浮力舱、压载舱 该类型结构的固有频率远低于那些具有高幅值的波浪频 率，一般不会发生摇摆共振。 非线性

5、的流体动力载荷 运动幅值跳跃、失稳 平台生产功能丧失 对于大长细比塔柱结构，需要考虑弹性变形研究塔柱的 运动和塔柱动强度问题。 2021-7-47 1.2.3 浮式平台 TLPTLP平台、平台、SparSpar平台、半潜式平台平台、半潜式平台 2021-7-48 张力腿平台结构形式 平台上体平台上体 立柱（含横撑和斜撑）立柱（含横撑和斜撑） 下体（浮箱）下体（浮箱） 张力腿系泊系统张力腿系泊系统 锚固基础锚固基础 2021-7-49 平台上体平台上体 立柱（含横撑和斜撑）立柱（含横撑和斜撑） 下体（浮箱）下体（浮箱） 张力腿系泊系统张力腿系泊系统 锚固基础锚固基础 张力腿平台结构形式 作业装备

6、和生活舱室 提供给平台主体必要的结构刚度 提供浮力 提供预张力，提高系索刚度 固定张力腿下端 2021-7-410 张力腿平台受力和运动特点 浮力远大于自身重力浮力远大于自身重力 浮力浮力= =自重自重+ +张力腿的预张力张力腿的预张力 使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态，显著提使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态，显著提 高了系索的刚度高了系索的刚度 平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小，平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小， 近似于刚性近似于刚性 浮筒所受水平方向波浪力较大浮筒所受水平方向波浪力较大 通过张力腿在平面内呈现柔性，较大的环境载通过张力腿在平面内呈现柔性，较大的环境载 荷通过

7、惯性力来平衡荷通过惯性力来平衡 张力腿平台为半顺应半刚性结构形式。 2021-7-411 张力腿平台运动的固有周期 垂荡运动垂荡运动 2-4s 2-4s 纵、横荡运动纵、横荡运动 100-200s 100-200s 横摇、纵摇运动横摇、纵摇运动 低于低于4s 4s 首摇的运动首摇的运动 高于高于40s 40s 整个结构的频率跨越波浪的一阶频率谱两 端，可以避免结构和海浪能量集中的频率发生 共振。 2021-7-412 张力腿平台的动力学问题 波浪差频载荷是缓慢变化的力，与张力腿平台波浪差频载荷是缓慢变化的力，与张力腿平台 水平面内固有长周期运动的频率接近，诱发水水平面内固有长周期运动的频率接近

8、，诱发水 平面内的大幅共振运动。平面内的大幅共振运动。 紊流风的激振频率也在该频率范围，加剧平台紊流风的激振频率也在该频率范围，加剧平台 的慢漂运动。的慢漂运动。 波浪的高频分量和高频水动力会引起的平台水波浪的高频分量和高频水动力会引起的平台水 平面外平台的弹跳振动（平面外平台的弹跳振动（SpringSpring或者或者RingingRinging）。）。 高度约高度约1000m1000m的张力腿，承受波流联合作用，发的张力腿，承受波流联合作用，发 生非线性涡激振动，出现亚谐振动和组合共振生非线性涡激振动，出现亚谐振动和组合共振 响应。响应。 考虑来自张力腿的预张力和动态张力，张力腿考虑来自张

9、力腿的预张力和动态张力，张力腿 承受横向波流载荷和轴向激振力，发生参数激承受横向波流载荷和轴向激振力，发生参数激 励振动，是导致张力腿结构的大幅振动和失稳励振动，是导致张力腿结构的大幅振动和失稳 的重要原因。的重要原因。 2021-7-413 SparSpar平台的组成 平 台 本 体 系 泊 系 统 平 台 主 体 平 台 上 体 主 体 外 壳 浮 力 系 统 中 央 井 立 管 系 统 Spar平台 2021-7-414 SparSpar平台的组成 平 台 本 体 系 泊 系 统 平 台 主 体 平 台 上 体 主 体 外 壳 浮 力 系 统 中 央 井 立 管 系 统 Spar平台 链

10、-钢缆-链结构 聚酯纤维缆 2021-7-415 垂荡运动垂荡运动 纵荡横荡纵荡横荡 纵摇横摇纵摇横摇 首摇首摇 涡激振动涡激振动 Spar平台的动力学问题 无自身回复力 无自身回复力首摇激励力很小 可以忽略不计可以忽略不计 半张紧系统，水平刚度大 位置漂移比较小位置漂移比较小4%水深水深小于小于6%水深水深 回复力矩由重力和浮力形成的力偶决定 运动性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计运动性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计 10 2021-7-416 Spar平台垂荡运动 垂向刚度垂向刚度 主要取决于水线面的面积。主要取决于水线面的面积。 系泊系统拉力的垂向分力与之相比可忽略不计。系

11、泊系统拉力的垂向分力与之相比可忽略不计。 外部激励力外部激励力 长周期涌浪的外部激励力。长周期涌浪的外部激励力。 运动响应运动响应 共振情况下，垂荡响应会急剧增大，共振情况下，垂荡响应会急剧增大， 并会产生纵摇耦合运动。并会产生纵摇耦合运动。 改善措施改善措施 螺旋侧板和垂荡板。螺旋侧板和垂荡板。 2021-7-417 Spar平台涡激振动 漩涡自主体上周期性脱落 周期激振力 涡激振动、涡激运动 锁定效应锁定效应 共振 很大应力、系泊和立管的疲劳损害 减少整个平台的疲劳寿命 螺旋侧板螺旋侧板 螺旋侧板和垂荡板结构水动力特性研究也是螺旋侧板和垂荡板结构水动力特性研究也是SparSpar平台平台

12、需要研究的重要问题。需要研究的重要问题。 2021-7-418 Spar平台的固有周期 垂荡运动垂荡运动 252540s 40s 横摇、纵摇运动横摇、纵摇运动 404080s 80s 纵、横荡运动纵、横荡运动 150150350s 350s 参数激励运动 纵摇运动幅值增大 运动失稳 动张力突变 平台系索张力分析属于强非线性动力学问题，包括：平台系索张力分析属于强非线性动力学问题，包括： 载荷非线性、载荷非线性、 缆索分段结构刚度非线性、缆索分段结构刚度非线性、 材料本构关系非线性、材料本构关系非线性、 系泊缆交替松弛张紧引起的复原刚度非线性。系泊缆交替松弛张紧引起的复原刚度非线性。 2021-

13、7-419 针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动 力学问题：力学问题： 一阶波频响应一阶波频响应 二阶差频及和频响应二阶差频及和频响应 柔性构件柔性构件( (系索、立管等系索、立管等) )的动力特性的动力特性 修正的Morison公式 辐射绕射方法 小尺度结构 大尺度结构 2021-7-420 针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动 力学问题：力学问题： 一阶波频响应一阶波频响应 二阶差频及和频响应二阶差频及和频响应 柔性构件柔性构件( (系索、立管等系索、立管等) )的动力特性的动力特性 修正的Moriso

14、n公式 辐射绕射方法 小尺度结构 大尺度结构 平均漂移、长周期慢漂平均漂移、长周期慢漂(差频运动差频运动)、 高频响应的弹振（高频响应的弹振（Springing）(和频运动和频运动) 、高阶脉冲力、高阶脉冲力(Ringing) 2021-7-421 针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动针对深水平台的结构特征，可以归纳为如下动 力学问题：力学问题： 一阶波频响应一阶波频响应 二阶差频及和频响应二阶差频及和频响应 柔性构件柔性构件( (系索、立管等系索、立管等) )的动力特性的动力特性 修正的Morison公式 辐射绕射方法 小尺度结构 大尺度结构 平均漂移、长周期慢漂平均漂移、长周期慢漂(差频运动差频运动)、 高频响应的弹振（高频响应的弹振（Springing）(和频运动和频运动) 、高阶脉冲力、高阶脉冲力(Ringing) 波流作用下的涡激振动、系索系统与平台主体的耦合分析，波流作用下的涡激振动、系索系统与平台主体的耦合分析， 主要是极限承载能力、疲劳断裂可靠性等主要是极限承载能力、疲劳断裂可靠性等 2021-7-422 二、半潜式结构 平台本体、立柱和下体或浮箱组成。平台本体、立柱和下体或浮箱组成。 在在下体与下体、立柱与立柱及立柱与平台之间，下体与下体、立柱与立柱及立柱与平台之间， 还有斜撑连接加强。还有斜撑连接加强。 半潜式