基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 39卷 增刊 ( II) 2009年 11月 　 东南大学学报 (自 然 科 学 版 ) JOURNAL O F SOU THEAST UN IV ERS ITY (N atural Science Edition) 　 V ol. 39 Sup ( II) N ov. 2009 　　　　　　 基于 AQWA的张力腿平台动力响应 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 闫功伟 1 　　欧进萍 1, 2 (1哈尔滨工业大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 , 哈尔滨 150090) (2大连理工大学建设工程学部 , 大连 116024) 摘要 : 为研究极端海况下张力腿平台 ( TL P)的动力响应性能 ,对一典型传统式 TL P平台进行整 体 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,并应用势流理论和波浪的辐射 /衍射理论 ,结合水动力分析软件 AQW A ,考虑随机波浪 载荷及风、流载荷的共同作用 ,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析 ,计算在多 个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子 ( RAO s) ,模拟分析在极端 海况 P2M 波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应. 结果表明 :波浪入射角的不同对 平台垂荡运动的 RAO s没有明显的影响 ,对另外 5个方向运动 RAO s的幅值有明显影响 ;张力腿 提供的附加刚度 ,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显 ,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限 制作用 ;平台的动力响应主要由波浪荷载引起 ;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较 大幅度运动. 总之 ,在张力腿的有效约束下 TL P平台可以避开能量集中的波浪频率 ,表现出良好 的纵、横摇及垂荡性能 ,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标. 关键词 : 张力腿平台 ; AQW A; 幅值响应算子 ; 动力响应 ; 数值模拟 ; 极端海况 中图分类号 : TV 13912+ 6　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 1001 - 0505 (2009)增刊 ( II) 20304207 Dynam ic response ana lysis of TLP based on AQWA Yan G ongw ei1 　　O u J inp ing1, 2 ( 1 School of C iv il Engineering, Harb in Institute of Technology, Harb in 150090, China) ( 2 Faculty of Infrastructure Engineering, D alian U niversity of Technology, D alian 116024, China) Abstract: A classica l tension leg p la tfo rm ( TL P) is g loba lly designed in order to study the dynam ic resp onse of TL P in ex trem e offshore env ironm ent. The theo ries of po ten tia l f low and d iff rac tion / rad ia tion a re used to ca lcu la te the w ave loads of TL P in hydrodynam ic ca lcu la tion sof tw are AQW A. The random w ave loads, w ind loads and cu rren t loads are considered to ana lyze the dynam ic resp onse of a conven tional TL P in ex trem e offshore env ironm en t, and the RAO s ( response am p litude op era to r) of su rge, sw ay, heave, ro ll, p itch and yaw are ob ta ined under severa l d iffe ren t d irec tions of w ave. The dynam ic responses of tendon and p la tfo rm are a lso ob ta ined conside ring the effec ts of P2M ocean w ave spec tra in ex trem e offshore env ironm ent. The resu lts show tha t changes of w ave d irec tions have no effec t on the RAO s of heave, bu t they have obv ious effec t on the m ovem ent am p litude of o the r f ive d irec tions; the add itiona l s tiffness from tendons to p la tfo rm has obv ious effec t on the RAO s of ro ll, p itch and heave, and it has obv ious restric tion on the surge, sw ay and yaw of p la tfo rm; the dynam ic response of p la tfo rm is m ain ly caused by w ave loads; tendons have large am p litude m otions caused by the reac tion of the m otion of p la tfo rm and the effec ts of env ironm enta l loads. In a w ard, TL P can be kep t aw ay from w ave frequencies of concen tra ted ene rgy depend ing on the restric tion of tendons; therefo re TL P can have exce llen t p erfo rm ance of ro ll, p itch and heave, bu t the safe ty and perfo rm ance of tendon becom es m ain targe t of TL P. Key words: tension leg p la tfo rm; AQW A; resp onse am p litude opera to r; dynam ic response; num erica l s im ula tion; ex trem e offshore env ironm ent 　收稿日期 : 2009211227. 　作者简介 : 闫功伟 (1983—) , 男 , 博士生 ; 欧进萍 (联系人 ) , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 ,中国工程院院士 , oujinp ing@dlu t. edu. cn. 　基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50538050)、国家高技术研究发展计划 (863计划 )资助项目 (2006AA 09A 103, 2006AA 09A 104) . 自 1984年第一座实用化张力腿平台 H utton TL P建成至今 ,世界上已建有 20多座这种形式的平台. 张力腿平台以其成熟的技术和良好的运动特性成为目前深海油气开采选用的主要平台型式之一. © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 目前众多学者已经对张力腿平台做了广泛的研究 ,主要集中在以下几个方面 : ①平台结构形式的创 新及优化设计 [ 1 ] ; ②平台的动力响应特性分析 [ 2 - 3 ] ; ③平台的施工与安装方法 ; ④平台性能健康检测等. 其中 ,平台的动力响应特性分析是张力腿平台相关研究中的重点及难点 ,它不仅是结构形式创新及优化设 计的重要内容 ,同时也为平台的施工、安装及检测提供了支持. 本文结合水动力计算软件 AQW A ,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的作用 ,对一座经过整体设计的传 统式张力腿平台在极端海况下的动力响应进行了模拟分析 ,对典型张力腿平台的动力特性做了进一步的 研究. 计算主要用到了 AQW A 2L IN E, AQW A 2L IB R IUM 和 AQW A 2NAU T模块. 下面对这几个模块的主要 功能作下简介 : AQW A 2L IN E用于计算浮体结构在常规波中响应问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,主要分析技术是水波的辐射 /衍射理论 ,可以 计算浮体结构的一阶或二阶波浪力以及浮体的附加质量和辐射阻尼 ; AQW A 2L IB R IUM 用于确定浮体系统的静态平衡位置 ,计算张力腿张力 ,并确定浮体在相应位置的静 动态稳定性 ; AQW A 2NAU T用于计算在特定波浪条件下 , 浮体结构的载荷和运动响应时间历程. 其中应用 STO KES二阶波浪理论计算浮体表面的波浪力 ,通过输入风、流经验系数模拟流和风载荷的影响. 1　数值模拟 1. 1　数值模拟流程 对张力腿平台动力响应分析按如下 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 进行 : 1) 张力腿平台整体设计 ,根据张力腿平台设计要求及环境条件进行张力腿平台整体设计 ,以确定平 台的总体尺度 ,规划设备位置 ,均衡平台重心 ,确定张力腿的张力及尺寸 ; 2) AN SYS有限元模型建立 ,根据平台整体设计得到的平台主要参数 ,建立张力腿平台 AN SYS有限 元模型 ,并进行网格划分 ; 3) AQW A 计算文件导出及修改 ,在 AN SYS中输入命令 anstoaqw a,弹出界面设定参数及对称面 ,导 出模型文件 ,并根据环境条件及需要修改计算文件中相应卡片 ; 4) 在平台上附加张力腿 ,根据设计张力腿参数 ,在计算文件相应卡片处加入张力腿的单元信息 ; 5) 数值模拟及结过处理 ,分别调用 AQW A 2L IN E和 AQW A 2NAU T进行数值计算 ,用 AQW A GS进行 计算结果的图形显示及后处理. 1. 2　模型建立 对传统四柱式张力腿平台进行整体设计 ,得到平台主要参数为设计吃水 22 m、上体总重 17. 355 k t和 总排水量 2. 94 ×105 kN ,平台的其他参数如表 1所示 [ 4 ] . 表 1　张力腿平台的设计参数 名称 设计参数 平台立柱 外径 16 m ,内径 7 m ,高度 35 m ,数量 4个 ,中心距 50 m 张力腿 外径 1. 2 m ,内径 1. 12 m ,就位长度 978 m ,数量 4 ×2根 ,总预张力 1. 02 ×105 kN 浮箱 高度 7 m ,宽度 12 m ,长度 34 m ,数量 4个 甲板 直升机甲板 22 m ×22 m ,上层甲板 54 m ×52 m ,下层甲板 52 m ×52 m 　　根据表 1中参数建立张力腿平台的分析模型并划分网格 ,如图 1和图 2所示. 图 1　张力腿平台运动响应计算模型 　　　 图 2　平台模型网格划分 网格要求 1个波长至少要覆盖 7个最大单元尺寸才能计算 ,所以划分网格时要根据需要计算的最大 波浪频率设定网格的控制尺寸 ,网格越细 ,可计算的波浪频率越大 ,同时对应着计算耗时的增加. 503增刊 ( II) 闫功伟 ,等 :基于 AQWA的张力腿平台动力响应分析 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 3　波浪对平台上体的作用 2　模拟及结果 通过 AQW A 调用提前准备好的计算文件就可以进行平台运动响应 的模拟计算. 本文分别模拟分析了 TL P平台上体自由状态下 RAO s, TL P 平台上体附加各方向张力腿刚度后的 RAO s以及在选定风、流和随机波 浪载荷作用下的动力响应. 图 3所示为圆频率 1. 4 rad / s、45°入射、波幅 2 m 的波浪对平台的作用. 2. 1　自由运动状态下平台运动响应的 RAO s 波浪作用下平台的运动响应可由幅值响应算子 ( resp onse am p litude opera to r, RAO )描述. 它是波浪波 幅到平台各位置参数的传递函数 [ 5 ] ,即 RAO = ηi ξ (1) 式中 ,ηi 为平台运动第 i个自由度的值 ;ξ为某一频率波浪高度的幅值. 一般认为海洋中波浪高度是一个具有零均值、各态历经的高斯随机过程 ,平台对任一波浪成分的响应 是这个成分波波幅的线性函数并且与它对其他波浪成分的响应独立无关 [ 6 ] ,利用平台各自由度的运动 RAO s给出在每一个波浪频率下的平台响应 ,再叠加求和 ,可以得到在多个波浪作用下的平台运动方程. 平台运动的 RAO s可由计算或者试验确定 ,图 4是通过建模调用 AQW A 2L IN E模块计算所得平台各 自由度的 RAO s,由计算结果可知 : 　　 　　 　　 图 4　平台上体自由状态下的 RAO s 603 　　　　　　东南大学学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　　　　　第 39卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1) 平台纵、横荡响应及纵、横摇响应是相对称的 ,如 15°的横荡还可以表示 75°的纵荡. 这是由于结构 的对称性决定的 ; 2) 平台垂荡响应在频率为 0. 4～0. 6 rad / s的波浪作用下出现峰值 ,纵横摇在频率为 0. 5～0. 65, 1. 1 rad / s的波浪作用下出现峰值 ,而首摇在频率为 1. 0～1. 1 rad / s,入射角为 30°( 60°)和 15°( 75°)的波浪作 用时出现峰值 ; 3) 应该注意的是 ,此处模拟的是平台上体自由飘浮状态 ,尚没有考虑张力腿的影响. 一般考虑张力腿 的影响后 ,平台固有周期为垂荡 3～4 s (1. 57～2. 09 rad / s)、纵横荡 100～200 s ( 0. 03～0. 06 rad / s)、纵横 摇低于 4 s (1. 57 rad / s)、首摇高于 40 s (0. 157 rad / s) . 可见张力腿对平台的纵横摇及首摇还有垂荡作用效 果明显 ,同时能够限制平台的慢漂运动. 2. 2　附加张力腿各方向刚度后平台上体运动 RAO s 根据整体设计出来的平台参数 ,采用拟静态分析的方法计算出附加张力腿在平台上体运动过程中产 生的刚度 ,并附加在程序计算文件的卡片 7中 ,如表 2所示. 表 2　附加张力腿各方向上刚度贡献 纵荡 / (N ·m - 1 ) 横荡 / (N ·m - 1 ) 垂荡 / (N ·m - 1 ) 8. 152 ×10 - 4 8. 152 ×10 - 4 8. 753 ×107 横摇 / (N ·m ·rad - 1 ) 纵摇 / (N ·m ·rad - 1 ) 首摇 / (N ·m ·rad - 1 ) 5. 471 ×1010 5. 471 ×1010 1. 091 ×108 　　用 AQW A 2L IN E模块重新调用修改后的计算输入文件对平台进行水动力分析 ,得出平台的各方向运 动 RAO s,如图 5所示. 由图可知 :附加张力腿对平台上体各自由度上的 RAO s都有较明显的影响 ;平台纵 横荡及纵横摇对波浪周期更加敏感 ,呈现明显的自振周期 ;垂荡响应呈现出明显的随波浪频率周期性变化 的特点且幅值降低 ;首摇的幅值也有所变化. 　　 　　 　　 图 5　附加张力腿刚度后平台的 RAO s 703增刊 ( II) 闫功伟 ,等 :基于 AQWA的张力腿平台动力响应分析 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2. 3　附加质量及辐射阻尼 平台在波浪载荷作用下将产生多自由度的运动响应 ,从而激发一个散射速度势改变流体速度场分布 , 使平台本身受到一个附加水动力荷载. 此荷载与平台运动的速度和加速度成正比 ,通常以附加质量和附加 阻尼的形式表示 [ 7 ] . 由于结构的对称性 ,平台运动的附加质量矩阵及辐射阻尼矩阵具有如图 6所示形式 , 对应不同的波浪频率 , N i 取值会有不同 ,计算结果如图 7和图 8所示. 结果表明 :平台附加质量受波浪频率影响较小 ,平台的运动方向对其影响明显 ;辐射阻尼对波浪频率 的变化较为敏感 ,在平台个方向运动上也明显不同. 　　　　　X　　Y　 Z　RX　 RY　RZ X Y Z RX RY RZ N1 0 0 0 - N2 0 0 N1 0 N2 0 0 0 0 N3 0 0 0 0 N2 0 N4 0 0 - N2 0 0 0 N4 0 0 0 0 0 0 N5 图 6　平台运动的附加质量矩阵及辐射阻尼矩阵形式 　　 图 7　平台运动过程中的附加质量 图 8　平台运动过程中的辐射阻尼 　　 图 9　张力腿中间节点的位移响应时程 2. 4　平台整体动力响应分析 P2M 谱在工程上经常用来描述相对缓慢成长较充分的海浪 ,是一个较经典的海浪经验谱形 [ 8 ] ,其谱 密度可以表示为 S (ω) =αg 2 ω5 exp -β g Uω 4 (2) 式中 , U 为海面 19. 5 m 高处的风速 ;α和β为无因次常数 ,可由波浪谱的统计参数确定. 本文计算选用定常海上风速 30. 1 m / s和海面流速 1. 04 m / s,均沿 X轴方向入射 ;波浪谱参数取圆频 率范围 0. 1～3. 5 rad / s,波幅 7. 7 m ,跨零周期 9. 5 s,沿 X轴方向入射. 由于平台的对称性和风、浪及流均 沿 X轴方向入射 ,平台所受荷载及重心位置只在 X轴、Z轴和绕 Y轴 (RY )三个自由度上变化. 模拟结果如 图 9～图 11所示. 3　结论 1) 波浪入射角的不同对平台各方向运动 RAO s规律和垂荡 RAO s幅值没有明显的影响 ,但会影响其 他方向上的运动 RAO s幅值. 2) 附加张力腿对平台上体除首摇外各自由度上的运动 RAO s都有较明显的影响. 平台纵横荡及纵横 摇对波浪周期更加敏感 ,呈现明显的固有周期. 垂荡趋于稳定 ,幅值降低. 803 　　　　　　东南大学学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　　　　　第 39卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 10　平台重心的位移响应时程 图 11　平台上体所受各方向荷载大小的变化时程 3) 平台的动力响应主要由波浪荷载引起 ,流荷载将使平台沿流方向偏离初始就位位置一定距离 ,风 荷载作用效果不明显 ,这和平台模型简化了上体甲板布置有一定关系. 4) 张力腿在流荷载作用下会产生大幅度变形 ,在平台上体带动下会产生较大幅度往复运动 ,张力腿 内张力会有明显变化 ,应进一步考虑张力腿的疲劳安全性. 总之 ,张力腿平台是深海油气开发中广泛应用的平台型式之一. 在张力腿的有效约束下张力腿平台可 以避开波浪能量集中的频率 ,使得平台在纵、横摇及垂荡性能上明显改善 ,大大提高了平台的适用范围、舒 适度和安全性 ,而张力腿的安全和性能将成为张力腿平台安全和性能的重要指标. 903增刊 ( II) 闫功伟 ,等 :基于 AQWA的张力腿平台动力响应分析 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 参考文献 ( References) [ 1 ] L ee J Y, L im S J. H ull form op tim iza tion of a tens ion2leg p la tfo rm based on coup led analysis [ C ] / / Proceeding of the 18 th ISO PE Conf. V ancouver, BC, C anada, 2008: 1002107. [ 2 ] Ross it C A , L aura P A A , B am bill D V. D ynam ic response of the leg of a tension leg p la tform subjec ted to an axial, sudden ly app lied load a t one end [ J ]. O cean Engineering, 1996, 23 (3) : 2192224. 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