系缆损伤对绷紧式系泊系统动力响应的影响

探究合成纤维系缆损伤对绷紧式系泊系统响应的影响,具有重要的工程意义。通过高强聚乙烯(HMPE)缆绳损伤动刚度实验,获得其动刚度随损伤的演变规律。在数值计算上,借鉴并合理简化了前人提出的动刚度经验公式,通过处理实验结果确定动刚度经验公式的参数并进行验证。在此基础上,以一座采用高强聚乙烯缆绳为主体系缆的FPSO为例,将所得动刚度经验公式导入系泊分析软件,结合水动力分析,计算得到在相同海洋环境中,系缆发生不同程度损伤时,各系缆张力和平台偏移响应的结果。通过处理、分析所得的计算结果,获得合成纤维缆绳损伤演变对绷紧式系泊系统响应的影响规律,并据此为系缆更换提供了建议。这些成果既有利于把握绷紧式系泊系统的非线性动力响应,也对安全、经济、合理地运用合成纤维系缆具有重要意义。     

聚酯系缆损伤对绷紧式系泊系统动力响应影响的数值分析

由于聚酯缆绳具备优异的力学性能,促使以其为主体系缆的绷紧式系泊系统得以广泛应用和发展。但聚酯系缆具有复杂的黏弹性和黏塑性,且由于在安装和使用过程中可能产生不同程度的损伤,使得聚酯系缆的动刚度特性发生演变,从而对系泊系统的动力响应产生直接影响。以一系泊于1 020 m水深的Spar平台为例,运用ABAQUS软件建立了由聚酯缆绳组成的系泊系统有限元模型,并利用ABAQUS子程序将损伤缆绳动刚度经验公式进行导入计算,以更好地反映系缆真实的动刚度变化。基于该有限元模型,计算了在相同水流、波浪工况下,不同损伤度、不同损伤系缆的系缆张力历程和平台的横荡、纵荡位移响应,分析了不同损伤度、不同损伤系缆对系缆张力及平台位移的影响。这些成果对把握绷紧式系泊系统在聚酯系缆有损伤情况下的非线性动力响应及其安全应用具有重要的参考价值。     

海洋系泊工程中合成纤维系缆研究述评

在回顾合成纤维缆绳的分类和工程应用的基础上,概述了各类纤维缆绳的优缺点和工程适用性。介绍了合成纤维系缆实验技术的国内外研究进展,并综述了合成纤维缆绳的破断强度、动刚度、蠕变、蠕变回复、蠕变破断和疲劳破坏的研究现状,在此基础上展望了今后需要继续开展的合成纤维系缆研究方向。这将为海洋系泊工程中合成纤维系缆的研究和应用提供重要参考。     

新型深水系缆非线性动力特性研究进展

随着海洋油气资源开采逐渐向深海发展,新型绷紧式系泊系统正替代传统悬链式系泊系统广泛应用于深水平台的系泊中.作为一种采用合成纤维材料系缆的新型系泊系统,系缆复杂的力学特性是其工程应用需要首先认识并解决的关键技术问题.介绍了在复杂海洋环境条件下合成纤维系缆的非线性动力特性,包括动刚度、绷紧-松弛、蠕变、应力松弛以及疲劳破坏等特性,总结和评述了针对这些特性开展的国内外相关研究,也对今后需要继续深化的研究进行了展望,以期为国内在此方向开展的数值模拟和实验研究提供重要参考.     

新型深水系泊系统非线性循环动力分析

深水绷紧式系泊系统以合成纤维材料系缆作为主体系缆,由于系缆复杂的力学特性以及绷紧式系泊方式的特点,在设计、分析和工程应用中会带来新的有待深入认识的问题。以一系泊浮体的动力响应分析为例,考察了循环载荷作用下纤维系缆的动刚度特性,比较了悬链式系泊与绷紧式系泊动力响应的特点。分析表明,绷紧式系泊具有优良的系泊性能,但同时会发生复杂的张力响应。这些认识对于绷紧式系泊系统的研发和工程应用具有重要的参考价值。     

新型深海系泊系统及数值分析技术

随着海洋油气资源开发逐渐向深海转移,传统的悬链式系泊系统在技术和经济上遇到难以逾越的障碍。作为一种新型的适用于深水和超深水环境的系泊系统,绷紧索系泊系统面临广阔的应用前景。文章对这种新型系泊系统的发展情况进行了介绍,基于有限元数值分析技术,对系泊系统的两个关键特性,即系缆的绷紧-松弛特性以及纤维系缆的动刚度特性进行了分析和处理,通过算例考察了深海平台运动引起的系缆力响应。     

深水系泊高强聚乙烯缆绳的蠕变及破断实验研究

相对于同一破断强度的聚酯(polyester)缆绳,高强聚乙烯(HMPE)缆绳具有更高的刚度、更小的自重和直径、更易运输和安装的优点,因此高强聚乙烯缆绳被引入到系泊系统以替代聚酯缆绳。然而高强聚乙烯缆绳又存在易发生蠕变甚至蠕变破断的不利因素,研究其蠕变和蠕变破断的力学特性就显得尤为迫切。首先设计了合成纤维缆绳实验系统,对HMPE子股缆绳开展了系统的蠕变和蠕变破断实验。基于实验数据,分析了HMPE子缆的蠕变和蠕变破断特性;通过调研HMPE试样的蠕变实验数据,提出了HMPE考虑温度和载荷影响的HMPE纱线蠕变率经验公式,采用该经验公式并结合已有的缆绳比尺换算关系,可以推算出HMPE缆绳的蠕变率;此外,基于所获得的蠕变破断实验数据,提出了HMPE缆绳在定常载荷下的蠕变寿命经验公式。这些成果对HMPE缆绳应用于深水绷紧式系泊系统具有重要意义。     

循环荷载作用下合成纤维系缆粘弹塑性应力应变关系

在循环载荷作用下,合成纤维系缆的应力应变关系表现出明显的非线性特性,直接影响系泊缆绳的动力响应。如何针对其在循环载荷作用下的应力应变关系进行准确的定量描述是有关绷紧式系泊系统设计的关键问题。国内外研究者之前的研究不能反映缆绳的载荷历史、蠕变特性以及刚度变化过程,因此提出一个粘弹性粘塑性模型来描述合成纤维系缆的应力应变关系。本模型能够反映合成纤维缆绳的时间变化特性以及在整个加载—卸载过程中的刚度变化。此外,提出了明确的参数确定方法及步骤,基于简单的蠕变实验可以确定模型的各个参数。将两种载荷条件下聚酯缆绳的实验结果与模型结果进行对比,二者吻合较好,证明了模型的有效性和可靠性。本研究对于绷紧式系泊系统的研发和工程应用具有重要意义。     

绷紧式系泊缆冲击张力特性研究

采用集中质量法研究了绷紧式系泊系统中系缆由于松弛-张紧过程产生的冲击张力。建立系泊缆绳离散的集中质量模型,对其独立单元进行受力分析并建立了单元的运动方程。给定缆绳上端点简谐激励,通过Ansys中的Aqwa模块,分析了缆绳的运动响应;针对缆绳运动响应过程中的三种状态进行了模拟计算,探讨了冲击张力产生的条件;研究了缆绳初始预张力、上端点激励幅值和频率、拖曳力系数、弹性模量以及单位长度质量对动态张力的影响。研究结果表明:这些影响因素不仅会影响缆绳动态张力的大小,也会对缆绳中的冲击张力产生一定的影响。     

超深水混合缆绷紧式系泊系统非线性循环动力分析

由于高强聚乙烯(HMPE)和聚酯(polyester)缆绳具有各自独特的材料性能,因此提出在超深水绷紧式系泊系统中,采用高强聚乙烯和聚酯组成的混合缆作为系缆。以一系泊在超深水处的FPSO为例,系缆分别采用聚酯缆绳、高强聚乙烯缆绳以及混合缆。比较了循环载荷作用下,不同绷紧式系泊系统的动力响应。分析表明,在超深水中采用混合缆能够设计出合宜刚度的系泊系统,使系泊系统既有保持海洋浮式结构物在平衡位置的能力,又有风暴载荷下良好的生存能力。较理想的混合缆构型是:在靠近海底部分,采用高强聚乙烯缆绳;而在靠近海面部分,采用聚酯缆绳。这些认识对混合缆应用于超深水绷紧式系泊系统具有重要的参考价值。     

Fatigue analysis of the taut-wire mooring system applied for deep waters

Precisely predicting the fatigue life of taut-wire mooring systems has become an interesting and important problem for scientists and engineers since there are still difficulties in the inspection and maintenance of mooring lines in a rough sea environment especially in deep waters. In this paper, a comprehensive fatigue analysis is performed for a polyester taut-wire mooring system of an FPSO based on the time domain dynamic theory, rainflow cycle counting method and linear damage accumulation rule of Palmgren-Miner. Three influential factors in the fatigue analysis including the pre-tension, dynamic stiffness and T-N curve are investigated in detail. Two polyester T-N curves, one is from the DNV- OS-E301 and the other is from the API-RP-2SM, are adopted in the calculation. The fatigue analysis of the mooring system after one-line failure is also carried out. The calculation results indicate that the fatigue life is significantly affected by the T-N curve. The fatigue life decreases with increasing pre-tension, and is largely reduced if taking into account the dynamic stiffness caused by cyclic loading. The analysis also proves that one-line failure has remarkable effects on the fatigue lives of other mooring lines. The present parametric and comparative study is believed to be meaningful to further understanding of the taut-wire mooring system for deepwater applications.     

基于有限差分法的复合系泊链缆动力模型及其验证

具有链—缆—链结构的复合系泊链缆因其相对于全钢链质量和成本上的优势而在深水系泊中得以广泛应用。基于细长杆理论采用有限差分法建立了可以考虑链—缆—链结构的复合系泊缆数值模型,将其应用于不同工况下全钢链和复合链缆运动的数值模拟中,并开展了验证。首先,将单根钢链顶张力数值模拟结果与不同工况下的模型试验结果进行了对比,验证了数值预报程序应用于全钢链的准确性。然后,对于复合系泊链缆开展了静刚度和动刚度迭代数值模拟,并将模拟结果同已发表文章中的算例结果进行比较,验证了该数值模型在复合链缆模拟上的准确性。发现对于单根钢锚链的验证,激励半径越大,激励周期越小,一个周期内顶张力幅值及其极差越大,钢链运动就越剧烈。对于链—缆—链式复合系泊链缆的验证,发现静刚度迭代中数值模拟结果与算例结果差异较小;对于动刚度迭代,除个别大幅慢漂工况外,两者有较高的吻合;且激励周期越小,激励半径越大,复合系泊链缆顶张力越大,弹性模量越小,运动越剧烈。对于聚酯缆刚度的敏感性分析,发现改变动刚度经验公式参数的情况下,杨氏模量的静刚度迭代和动刚度迭代结果误差分别最大达到了60.81%和68.21%,因此合成纤维材料特性对复合系泊链...     

顺应式海洋平台慢漂运动物理模型试验研究

为研究顺应式海洋平台慢漂运动的影响因素,以截断圆柱和漂浮方箱为例进行了不规则波作用下的慢漂运动模型试验。测量了不同系泊刚度条件下的漂浮方箱以及相同系泊刚度条件下的截断圆柱和漂浮方箱在静水中自由衰减运动和在不规则波中的运动响应,并将运动响应分解成一阶波频运动响应和二阶低频运动响应,分析了系泊刚度和浮体形状对浮体运动的影响。通过物理模型试验发现了系泊刚度及浮体形状对顺应式系泊浮体一阶运动标准差和二阶低频运动平均漂移值和标准差的关系。结果表明由于顺应式浮体的固有周期远离波浪谱峰周期时,系泊刚度以及浮体形状对慢漂运动的一阶运动响应影响不大;二阶低频运动相对偏离平衡位置的平均值和标准差均随系泊刚度增大而减小,浮体形状同样对慢漂运动的二阶低频纵荡运动响应影响较大。试验结果为实际海洋工程的外形选择和系泊刚度选择提供数据支持。     

Coupled-dynamic analysis of floating structures with polyester mooring lines

A theory and numerical tool are developed for the coupled-dynamic analysis of a deepwater floating platform with polyester mooring lines. The formulas allow relatively large elongation and nonlinear stress–strain relationships, as typically observed in polyester fibers. The mooring-line dynamics are based on a rod theory and the finite element method (FEM), with the governing equations described in a generalized coordinate system. The original rod theory [Nordgren, R.P., 1974. On Computation of the Motion of Elastic Rods. Journal of Applied Mechanics, 41, 777–780] is generalized to allow larger elongation and nonlinear stress–strain relationship. The dynamic modulus of polyester is modeled following an empirical regression formula suggested by [Bosman, R.L.M., Hooker, J., 1999. The Elastic Modulus Characteristic of Polyester Mooring Ropes. In: Proceedings of the Offshore Technology Conference, OTC 10779. Houston, Texas], in which the axial stiffness is not constant, but depends on loading conditions. Two case studies, the static and dynamic behavior of a tensioned buoy and a classic spar with polyester mooring lines, are conducted. The time-domain simulation results are systematically compared with those from the original rod theory. The effects of large elongation and nonlinear stress–strain relations are separately assessed. It is seen that the mean offset, motions, and tension with polyester lines can be different from those by original rod theory with linear elastic lines.     

随机波浪中张力腿平台耦合运动及系泊系统特性研究

张力腿平台(TLP)是一种垂直系泊的半顺应半刚度式平台,预报平台的运动响应及锚泊系统的张力是张力腿平台结构设计的重要基础。应用挪威船级社SESAM软件在频域和时域内研究了张力腿平台在随机波浪中的非线性运动响应及系泊系统特性,并在试验室中通过缩尺比为1∶40的模型进行了试验验证。在试验验证的基础上,将仅考虑浪与考虑浪、流联合作用下的张力腿的张力平均值、幅值及标准差作了对比。结果表明,在较低海况时,考虑浪和流时的张力腿与不考虑流的情况变化不大;在较大海况时,流的影响不可忽略,考虑流的张力腿变化幅度要略大于不考虑流的情况。