LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。     

软刚臂系泊系统水平恢复力特性数值预报

建立软刚臂系泊系统的理论模型以及6自由度静恢复力特性计算分析的数学模型,模拟实际几何关系与力学作用机制。提出基于误差判断的变步长迭代搜索的数值逼近求解方法,以QHD32-6 FPSO软刚臂系泊系统的纵向和横向水平恢复力特性为例进行数值预报,并与国外设计公司计算结果以及模型试验结果进行比较分析。对比显示,该模型的数值计算结果符合良好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊系统静恢复力特性的预报。     

软刚臂上铰节点疲劳失效分析和现场监测方案设计

海洋环境荷载非平稳性、时变性等特点为海洋工程结构设计带来挑战。海洋工程结构设计的不准确性可导致其真实服役时间低于自身设计寿命。针对塔架软刚臂系泊系统上铰节点服役过程中出现的疲劳磨损问题,发展出一种基于原型监测技术的铰节点疲劳寿命实时预估方法。通过开展有限元模拟,建立系泊腿在指定摆动角度下摩擦系数和热点区域应力分布的对应关系,提出了软刚臂上铰节点的原型监测方案。结合不同摩擦系数对铰节点接触面损伤行为的影响,提出了软刚臂主铰结构疲劳寿命计算评估方法,能够实现铰节点疲劳的完整性分析。     

基于多体分析的浅水FPSO和水下软钢臂系泊系统运动特性研究

基于多体动力分析方法进行FPSO和水下软钢臂系泊系统的运动特性研究。相较于非线性弹簧模拟软钢臂系泊系统或者其他近似模拟方法,多体分析方法可以充分考虑系泊系统具体结构形式及其动力项对FPSO运动性能的影响,更好的预报系统运动响应和系泊力。本文将FPSO和水下钢臂结构模拟成2个具有6自由度的独立结构,两者用系泊链组进行连接。基于三维势流理论应用汇源分布法,首先在频域内进行FPSO的水动力参数分析,进而在时域内对系统进行耦合动力分析。本文重点讨论系泊系统黏性力和二阶波浪力对系统响应的影响,计算结果发现系泊系统黏性力对系泊力有一定影响,而在浅水条件下二阶波浪力的计算对准确预报系统运动及系泊力非常重要。     

圆筒形FWPSO水动力性能模型试验研究

针对一圆筒形FWPSO设计概念开展水动力性能模型试验研究,研究发现圆筒形FWPSO纵摇运动受二阶波浪力作用明显,存在显著的低频运动;同时由于垂荡固有周期与波浪周期接近,该平台在大的波浪环境中出现较大幅度的垂荡运动而在小的波浪环境下纵摇和垂荡运动性能优良。该问题应当引起设计者足够的重视。     

八角形FPSO串靠外输系统耦合动力响应分析

针对100 m作业水深的八角形FPSO,提出采用穿梭油轮串靠的外输方案,研究串靠外输在南海的适用性。建立由八角形FPSO及其系泊系统、穿梭油轮及FPSO与穿梭油轮之间的系泊大缆等组成的浮式多体动力学模型,根据多浮体动力学理论进行耦合时域模拟。在外输海况条件下,分析了串靠连接的环境适应性及研究大缆载荷的响应特性,对连接大缆的长度、刚度等关键参数进行了敏感性分析。研究表明,串靠外输的形式对于八角FPSO具有足够的安全性和可靠性,系泊大缆受到明显的冲击张力,张力的幅值受大缆的长度和刚度影响较大。     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

Multibody dynamical modeling of the FPSO soft yoke mooring system and prototype validation

The Soft Yoke Mooring System (SYMS) is a single point mooring system for shallow water. It is composed of a mooring framework, mooring legs, yoke, and single point, and is located at the Floating Production Storage and Offloading (FPSO) through 13 hinge joints, such as universal joints and thrust bearings. Mooring restoring force, motions and postures of mooring components, and mechanical behaviors of hinge joints are major criteria for the structural design of the SYMS. Aiming at the difficulties of the multibody dynamics in traditional design of the SYMS, a multi-body dynamic mathematical modeling with seven independent degrees of freedom (DOFs) which is applicable to prototype field engineering was developed in this study. The proposed mathematical modeling of the SYMS multibody dynamic system has several advantages: 1. Internal tribological behaviors in hinge joints are considered within the presented multibody dynamics model to illustrate the good dynamic effects of the SYMS. 2. The multibody dynamic model can be applied in field service. Correctness and feasibility of the proposed multibody dynamic simulation method for describing motions and postures of hinges and single-body were validated by the prototype monitoring data. 3. The horizontal restoring force of the SYMS was calculated according to field measurement data. The motion state of each single body and internal stress distributions at each hinge joint in the SYMS are given. 4. The multibody dynamics calculation program can be directly used for the real-time monitoring of mechanical behaviors of the SYMS under the service state. The simulated results can provide real-time guarantee for safety alarming of the system. The vulnerability of the mooring system in service was evaluated based on long-term monitoring data analysis.     

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。     

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。     

深海系泊系统动力特性研究进展

系泊系统设计是深海平台开发的关键问题之一。由于深海环境载荷和系泊材料物理特性及系缆构型影响,系泊系统分析涉及流固耦合非线性、非线性流体动力及整个系泊系统的运动稳定性。总结深海系泊系统关键理论和技术研究的前沿问题,包括系泊系统系缆建模、系泊系统耦合动力分析的理论和方法等,重点分析系泊系统非线性动力学问题的研究进展,并且提出了深海系泊系统需要深入研究的若干动力学问题。     

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。     

浪流作用下系泊船舶撞击力和系缆力试验研究

以某25万吨矿石码头工程为例,分别进行了单流、单浪和浪流共同作用下,系泊船舶撞击力和系缆力试验。研究了不同水位、不同船舶载度、不同浪流夹角,单流、单浪和浪流共同作用时对船舶撞击力和系缆力的影响。分析了该码头工程护舷和缆绳的布置情况,为工程设计提供了依据。     

海底对系缆运动及张力影响研究

对系缆运动及张力进行分析,并考虑海底对系缆的影响。采用细长弹性杆单元模拟系缆微段,建立系缆运动控制方程,采用有限元法对其进行离散,将海底弹性和阻尼作用力添加到离散控制方程中。利用牛顿法和Newmark-β法对离散后的系缆非线性运动方程组进行数值求解。模拟长600 m的系缆顶端受到垂向正弦激励时的运动,分别求得考虑和不考虑海底作用时系缆运动响应和动态张力。通过对比系缆的运动、速度和动态张力结果,发现海底的弹性阻尼作用对系缆的运动及张力特性有极大影响。上述研究工作为计算海底对系缆的作用力提供了新方法。