中深水半潛式鉆井平臺系泊方案設計與參數優(yōu)化研究說明書帶開題

中深水半潛式鉆井平臺系泊方案設計與參數優(yōu)化研究說明書帶開題,深水,半潛式,鉆井平臺,系泊,方案設計,參數,優(yōu)化,研究,鉆研,說明書,仿單,開題 中深水半潛式鉆井平臺系泊方案設計與參數優(yōu)化研究 摘要 本論文以某第六代半潛式鉆井平臺為目標對象，研究其系泊系統(tǒng)的合理布置形式，采用柔性迭代的方法計算系泊線的形狀，并考慮系泊線頂端受到位移激勵而引起的動力響應，建立了平臺與系泊系統(tǒng)的頻域耦合動力分析模型。 通過兩個經典算例比較了遺傳算法和粒子群算法，綜合考慮準確性、快捷性、穩(wěn)定性和簡便性，最終選取表現優(yōu)秀的算法——粒子群算法作為半潛式鉆井平臺系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案的尋優(yōu)方法。將浮體與系泊系統(tǒng)的耦合動力分析模型在頻域內求解，利用粒子群優(yōu)化算法尋找系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案，使其既能滿足強度要求和限位要求，又能保證系泊系統(tǒng)重量最小，耗材少，經濟性好。 依據優(yōu)化得到的系泊系統(tǒng)方案，在SESAM軟件里建立浮體和系泊系統(tǒng)模型，進行時域耦合動力分析，根據分析結果對優(yōu)化方案進行評估。結果顯示優(yōu)化后的系泊系統(tǒng)設計方案滿足強度、限位和觸底要求，并且安全系數相對合理，系泊性能有所提高。 關鍵詞：系泊系統(tǒng)；中深水半潛式鉆井平臺；耦合動力分析；粒子群算法 Mooring System Design Optimization of Semi-submersible Drilling Platform in Middle-Depth Water Abstract This research was undertaken to provide a simple but feasible approach to aid in the design and optimization of offshore mooring system installed in deep sea with a large semi-submersible drilling platform. Initially, a coupled frequency-domain model of floating system was presented for the following numerical simulation by an improved flexibility iteration method and Sandvik’s efficient dynamic method. The given top end excitation and drag induced tension part of mooring lines were considered into an equivalent stiffness matrix to give more accurate estimates of the expected, extreme dynamic response amplitudes for both combined chain/wire lines and floating vessel. Then the latest evolutionary optimization techniques were reviewed to offer new prospects for designing and analyzing mooring system. Genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) have been investigated in terms of their capability, strengths, and limitations. The GA and PSO have been benchmarked against each other via two classical numerical cases, and PSO was found to be more efficient in the engineering applications considered. To make further verification to the ability of PSO based mooring optimization method, a study on the penalty functions was performed and it revealed that the quality of the solution is heavily related to the form of penalty functions. Only superior penalty functions can help PSO to draw an excellent variable set. As a result, this type of penalty function was selected to promote performance in mooring optimization searching to meet the multi-constrained offshore application in a high quality optimization scheme. At last, the obtained mooring optimization case was extensively tested in time domain coupled analysis by SESAM software. Within the comparison with a feasible reference scheme, improved solutions were provided with a satisfactory performance in terms of anchor tension, vessel motion, material cost, and other requirements. In summary, this proposed optimization process has been successfully tested and potential improvement may be researched in the future work. . In this thesis, for the target object which is the mooring system of a sixth generation semi-submersible drilling platform, the following jobs have been finished such as searching a reasonable arrangement of the mooring system, calculating the shape of mooring line with flexibility iteration method, and establishing a coupled dynamic model of the platform and mooring system in frequency domain accounting for the dynamic response at the top end of mooring line induced by displacement. Two optimization methods, including Genetic Algorithms (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO), have been investigated on their capability, strengths, and limitations. And they are benchmarked against each other, and it is found that the PSO has more efficiency in the engineering applications. So, the PSO is selected and implemented in the evolutionary mooring design to find the optimization scheme, which can not only meet the requirements of strength and position keeping but also cost lowest. According to the optimization scheme obtained above, the model of platform and mooring system is built in SESAM software and the coupled dynamic analysis in time domain is executed to verify the effectiveness of the optimization scheme. The results show that the optimization design of the mooring system meet the requirements of strength, position keeping and position of touch-down point. Further more, the safety factor is relatively reasonable. In summary, the optimization scheme has good performances. Key words: mooring system; semi-submersible drilling platform in middle-depth water; coupled dynamic analysis; Particle Swarm Optimization (PSO) 目錄 第一章緒論 1 1.1研究的背景與意義 1 1.2 半潛式鉆井平臺的特點和發(fā)展現狀 2 1.2.1 半潛式鉆井平臺的特點 2 1.2.2 半潛式鉆井平臺的發(fā)展現狀 3 1.3系泊系統(tǒng)的設計及研究進展 5 1.3.1系泊系統(tǒng)的組成和分類 5 1.3.2系泊系統(tǒng)的研究方法及現狀 7 1.3.3 系泊系統(tǒng)設計中的難點與挑戰(zhàn) 8 1.4 優(yōu)化算法在海洋工程中的應用 9 1.5 論文的研究內容 11 1.5.1 主要研究問題 11 1.5.2 研究內容與方向 11 第二章系泊浮體頻域耦合動力分析模型建立 13 2.1 系泊系統(tǒng)動力響應模型 13 2.1.1 傳統(tǒng)懸鏈線方程的推導 13 2.1.2考慮軸向變形的控制方程的推導 14 2.1.3多成分系泊線的柔性迭代 16 2.1.4系泊線的簡化動力響應模型 21 2.2耦合動力分析模型的建立 22 2.2.1定常載荷作用下浮體平衡位置狀態(tài)的計算 22 2.2.2耦合動力分析模型的建立 23 2.2.3響應極值求解 24 2.3本章小結 25 第三章智能優(yōu)化算法的對比分析 26 3.1智能優(yōu)化算法 26 3.2遺傳算法和粒子群算法 26 3.2.1遺傳算法（GA） 26 3.2.2粒子群優(yōu)化算法（PSO） 28 3.3基于算例的兩種智能優(yōu)化算法的對比 30 3.3.1多元函數的極小值問題算例 31 3.3.2十桁架問題算例 41 3.4本章小結 49 第四章 基于粒子群算法的系泊系統(tǒng)優(yōu)化設計 50 4.1平臺模型的基本信息 50 4.2環(huán)境條件 51 4.2.1環(huán)境資料 51 4.2.2不同環(huán)境條件的方向組合 54 4.2.3設計工況的選取 54 4.3平臺水動力分析結果 55 4.3.1水動力模型 55 4.3.2附加質量和阻尼 56 4.3.3波浪力和運動響應傳遞函數 58 4.4系泊系統(tǒng)優(yōu)化設計方案 60 4.4.1優(yōu)化信息介紹 60 4.4.2系泊系統(tǒng)優(yōu)化設計的方案 64 4.5本章小結 68 第五章 時域耦合動力分析驗證系泊優(yōu)化方案 69 5.1 SESAM軟件介紹 69 5.2模型的建立 70 5.3時域分析結果 71 5.3.1張力分析結果（正常、斷錨穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)） 71 5.3.2平臺運動分析結果 85 5.3.3錨索觸底判斷 86 5.4本章小結 88 第六章總結與展望 89 6.1本論文完成的主要工作 89 6.2進一步研究展望 90 參考文獻 91 第一章、緒論 1.1、背景及意義 目前，石油、天然氣等化石能源與人們的生活密不可分，但隨著陸上資源的日益枯竭，人們不得不把解決能源需求的目光投向海上。就我國的目前情況而言，石油的需求量日益增大，2003年中國石油消費超過日本成為世界第二大石油消費國，消費量達2.74億噸；2015年我國石油消費量已突破5億噸，對外依存度高達60%，因此石油的開采已成為了我國經濟安全和發(fā)展的一個非常重要的問題。我國陸上油氣田從上世紀開采至今，大多已具有近50年的開采歷史，油田已接近最大開采程度，開采成本較高，產量也很難提高，海洋石油開采日益迫切。2012年，黨的十八大會議提出海洋強國戰(zhàn)略，提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。 我國海域廣袤，自然環(huán)境優(yōu)美，資源豐富。目前已初步探得我國海域有30個左右的沉積盆地，石油儲量可觀，盆地面積達70萬平方千米。上世紀60年代，中國開始對海洋石油進行自主勘探開發(fā)，目前已取得一些重要技術突破和成果。中國黃海、渤海、東海和南海具探測均有油氣，渤海埕島油田已成為北方重要的能源生產基地。東海由于和日本存在海上爭端，石油開發(fā)和探測阻力較大。南海地區(qū)根據現有資料推測石油儲量約230億~300億噸，約占我國總資源的1/3，具有非常大的開采潛力。 我國海洋石油儲量大，但我國海洋石油開發(fā)起步較晚，海洋裝備與國外相比仍比較落后，目前我國海洋石油開采多數還局限在近海，采用傳統(tǒng)的固定式平臺。但隨著海洋石油開發(fā)，向深海進軍已是大勢所趨，傳統(tǒng)的固定式平臺難易在深海環(huán)境條件下作業(yè)，浮式平臺成為不可或缺的裝備。目前浮式平臺主要有張力腿平臺、Spar平臺、FPSO和半潛式平臺，如圖1.1。張力腿平臺由張力筋腱張力提供回復力，具有升沉運動小的特點，適用于干式采油樹，但隨著水深的增加，張力筋腱自身重力不斷增大，使得張力腿平臺的適用水深受到限制；Spar平臺由于本身構造等原因，不適用于淺水和大型的整裝油田，一般用于深水邊際油田的開發(fā)；FPSO為浮式生產儲油船，其可變荷載大，抗風能力強，適用水深范圍廣，可轉移重復利用等優(yōu)點；半潛式平臺甲板面積較大，由系泊系統(tǒng)提供回復力，穩(wěn)性較好，幾乎不受水深限制，適用范圍廣，但其升沉運動使得半潛平臺很難采用干式采油樹。 （a）半潛式平臺示意圖 （b）張力腿平臺示意圖 （c）FPSO示意圖 （d）Spar平臺示意圖 圖1.1、浮式結構物示意圖 系泊系統(tǒng)是深海浮式建筑物不可缺少的組成部分。在海上工作的浮式建筑物不可避免會遇到隨機環(huán)境風浪流甚至冰的荷載作用，從而使其在工作位置產生偏離，因此浮式結構物一般都配備相應的系泊系統(tǒng)使其具有良好定位能力，以保持儀器設備等運行環(huán)境的需要。不同的浮式結構物在不同工作海域需有不同的系泊方案，如何設計一個安全又使平臺具有良好定位和保持能力的系泊系統(tǒng)就變得尤為重要。半潛式平臺是典型的海上浮式結構物，適用水深廣，應用潛力大，也是我國近年大力發(fā)展的海洋裝備，本文針對半潛式鉆井平臺進行設計。 1.2、半潛式平臺的組成及特點 半潛式平臺具有相對投資少，適用水深范圍廣，甲板面積大，可變甲板荷載范圍廣，生產能力強，無需在海上安裝，安裝周期短，可以長期工作等優(yōu)點。目前半潛平臺主要由上部組塊、立柱、浮箱組成，如圖1.2。對于鉆井平臺，上部組塊主要有井架，鉆井設備和生活組塊等組成，生產平臺則有采油樹（對于深吃水的半潛平臺采用干式采油）、油氣處理系統(tǒng)，生活組塊等等組成，一些生產平臺也會有井架存在，目的是為了修井方便或由鉆井平臺改造而來；平臺與浮箱連接的立柱，剖面較小，具有小水面的特點，平臺工作時，浮箱沉于水面以下，由于立柱具有較小的水線面，平臺工作時受到波浪作用的荷載較小，運動響應較小，立柱與立柱之間的距離不僅使得甲板面積寬廣，而且使得半潛平臺具有較好的穩(wěn)性；浮箱用于提供上部平臺，系泊，立管預張力等所需的浮力，浮箱體積較大，具有良好的壓載系統(tǒng)，使得半潛平臺具有范圍較廣的可變甲板荷載，浮箱提供的浮力使得平臺與水面保持一定的氣隙，避免甲板上浪，從而影響平臺作業(yè)；同時，由于波浪作用在半潛平臺時，尤其是當波浪與半潛平臺尺寸接近時，會使兩浮箱向內或向外運動，從而在立柱與平臺之間產生較大彎矩，一般在浮箱之間有必要的連接撐桿。半潛式平臺優(yōu)良的性能使其具有良好的鉆井和生產能力。 圖1.2、半潛式鉆井平臺示意圖 目前半潛式平臺已發(fā)展至第七代，作業(yè)水深在3000米左右，鉆井深度已達10000米，現今的半潛平臺一般配備有動力定位系統(tǒng)，具有一定的自航能力；設計要求愈加嚴格從以往的極端環(huán)境重現期一百年，逐漸提高到二百年，在一些情況下甚至要求可以抵抗千年一遇的極端環(huán)境；結構形式逐漸趨于簡單化和大型化，半潛平臺由以往的三角形，六邊形，五邊形等變?yōu)楝F在固定矩形形式，立柱的個數也從以往的八立柱，六立柱、四立柱變?yōu)楝F在單一的四立柱，立柱的截面形式多為圓形或圓角方形；撐桿的數目也由以前14~20根變?yōu)楝F在的2~4根，有些半潛平臺甚至取消了撐桿，這些改變減少了節(jié)點的數量，從而降低了平臺的疲勞破壞的風險，方便建造，降低了生產周期和建造費用；半潛平臺主體采用高強鋼，降低了結構本身的自重和生產成本，提高了甲板可變荷載與結構自重比，排水量與結構自重比?！昂Ｑ笫?81”平臺是我國自主設計建造的第六代深水半潛式鉆井平臺，如圖1.3，由中國海洋石油總公司全額投資建造，耗資60億元，按照南海惡劣海況設計，可抵御重現期200年一遇的極端海況，最大作業(yè)水深達3000米，最大鉆井深度達10000米，平臺自重3萬噸，承重能力12.5萬噸，可變甲板荷載9000噸，配備DP3動力定位系統(tǒng)，可在南海、東南亞、西非等深水海域作業(yè)，設計使用壽命30年。目前“海洋石油981”已完成陵水18-1-1、陵水17-2、陵水25-1、流花29-2-1、荔灣3-11井等處鉆井作業(yè)，2015年在孟加拉灣海域鉆井，完井深度達5030米，順利完成首次海外深水井鉆井作業(yè)。 圖1.3、“海洋石油981”平臺 半潛式平臺從投資成本，施工周期，適應水深，工作地域以及工作年限等因素考慮都是比較好的選擇。半潛平臺主要有以下特點： （1）半潛式平臺的波浪運動響應較小，作業(yè)穩(wěn)定性好。半潛式平臺工作時，浮箱下沉，水面與立柱接觸，半潛式平臺的立柱水線面小，使得其受到波浪作用較?。涣⒅g的間隔較大，使得其鉆井作業(yè)穩(wěn)定，加之與半潛平臺相匹配的系泊系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)，使得半潛平臺具有全天候作業(yè)的能力。 （2）半潛式平臺的適用工作水深范圍廣。半潛式平臺屬于浮式結構物，不同于固定式導管架平臺，其作業(yè)水深的增大不會帶來造價的劇增，因此工作適用的水深較廣。目前第七代半潛式鉆井平臺工作水深已達4000米，鉆井深度達15000米。 （3）半潛式平臺具有較大的甲板面積和可變甲板荷載。較大的甲板面積使得鉆井作業(yè)更為穩(wěn)定安全，較大的可變甲板荷載使得半潛式平臺具有更強的鉆井作業(yè)能力，目前半潛式平臺的可變甲板荷載可達10000噸。 （4）半潛式平臺具有可移動性?，F今的半潛式平臺一般具有動力定位系統(tǒng)，因此平臺具有一定的自航能力。半潛式鉆井平臺在一個井口位鉆井完畢，即可自航或拖航到另一井口位，作業(yè)高效。 半潛式平臺由于其較優(yōu)良的性能，使得半潛平臺的應用也日趨廣泛，半潛式平臺不僅可以用于鉆井采油等用途，還可以做鋪管船、起重船使用，如圖1.4為半潛式起重船。近年來，為防止內陸和沿海的環(huán)境污染，更是提出了利用半潛平臺建立離岸較遠的海上電場、海上核電站等，有些新的概念也得以提出運用，如用半潛平臺建造人工島等。使得半潛式平臺在加大海洋資源利用和海洋環(huán)境開發(fā)上都有非常重要的意義。 圖1.4、半潛式起重船 1.3、系泊系統(tǒng)的特點及現狀 1.3.1、系泊系統(tǒng)簡介 半潛式平臺在工作時，其浮心低于重心，在風浪流作用下，自身不具有恢復力矩，因此半潛平臺的工作保障離不開系泊系統(tǒng)。 目前用于海上浮式建筑物的系泊系統(tǒng)多樣，按照系泊方式可分為懸鏈線系泊、懸鏈線錨腿系泊、單錨腿系泊、張力腿系泊和系纜樁-緩沖系泊等；按在水中鏈態(tài)情況可以分為懸鏈式系泊、半張緊式系泊和張緊式系泊；按系泊力的提供方式分為被動式系泊、動力定位系統(tǒng)和推進器輔助系泊系統(tǒng)。被動式系泊是最為傳統(tǒng)的系泊方式，通常采用錨鏈或系泊纜繩將浮體與海底連接，由錨鏈和系泊纜來提供相應的回復力；動力定位系統(tǒng)是一種自動控制的系泊系統(tǒng)，當浮式結構物在波浪等荷載作用產生運動時，控制系統(tǒng)根據運動的大小，使推進器產生一定大小和方向的推力，從而使浮式結構物保持定位；推進器輔助系泊系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的被動系泊的基礎上配備相應動力推進器來使浮式結構物定位的系泊方式。按系泊點的個數又可分為單點系泊和分布式系泊，單點系泊系統(tǒng)常用于FPSO，單點系泊系統(tǒng)通過內轉塔，外轉塔或者浮筒將FPSO系于一點，此時FPSO在外部環(huán)境的作用下，可繞該點轉動，從而具有“風向標”的作用，使得船首方向始終沿著浪流方向，從而減少FPSO對荷載的響應。分布式系泊一般用于張力腿平臺、Spar平臺和半潛平臺。 一般來說，選用什么樣的系泊方式應根據系泊力的大小、水深、纜繩的長度、海底地形等來確定。浮式結構物工作環(huán)境在淺海，采用錨鏈構成的懸鏈式系泊系統(tǒng)，但當水深增加，錨鏈構成的系泊系統(tǒng)的重量和造價不斷增加，因此在水深超過1000米，懸鏈式系泊不再適用。深水浮式結構的系泊系統(tǒng)，目前大多采用具有預張力的復合纜系泊，具有比較好的經濟性能，拖運施工可行，更適合深海平臺的應用。目前系纜的材料主要有四種[1]：全錨鏈系泊；采用全鋼纜的半張緊式系泊；采用尼龍纜的張緊式系泊；采用復合材料系泊纜系泊，如：錨鏈-鋼纜-錨鏈；錨鏈-尼龍纜-錨鏈。 圖1.5、半潛式平臺系泊系統(tǒng)示意圖 半潛式平臺采用分布式系泊，系泊系統(tǒng)主要由四部分組成：導纜器、系泊纜、起鏈機和錨組成，如圖1.5所示。系泊纜繩上端與平臺主體的導纜器相連，下端連接錨，用起鏈機來控制系泊纜的預張力。導纜器一般位于半潛平臺的浮心位置的水平面上，已獲得較大的回復力矩，錨根據海底的地質地貌情況，可選擇抓力錨、樁基或者吸力錨，使系泊纜繩固定于海底。半潛式平臺可采用懸鏈式系泊，也可采用張緊式或半張緊式系泊，如圖1.6所示，這和半潛平臺工作的水深有關。懸鏈線式系泊主要由錨鏈和系泊纜索組成，回復力主要是靠系泊纜索的自重提供，通常情況下懸鏈線式系泊會有一部分躺底段，當平臺發(fā)生運動后，水下纜索的形態(tài)會發(fā)生相應的變化，給結構物提供的回復力也會發(fā)生變化；張緊式系泊一般采用復合纜進行系泊，回復力主要靠系泊纜發(fā)生形變提供，系泊纜工作一定時間會發(fā)生一定量的蠕變，因此需每隔一段時間通過絞輪機適當收纜，在海底沒有所謂的躺底段，與懸鏈式系泊相比，張緊式系泊所用纜索密度小，便于運輸，同時系泊半經較小，纜繩短，更適用于深海系泊。 （a） 懸鏈式系泊 （b）張緊式系泊 圖1.6、半潛式平臺系泊系統(tǒng) 1.3.2、系泊線材料及特性 常用的系泊線材料有鏈條、鋼纜和合成纖維材料。鏈條主要靠自身的重力，使系泊線達到懸鏈線狀態(tài)；鋼纜是靠自身較大的剛度達到張緊式系泊線的效果，成本也比鏈條低；對于深水浮式結構張緊式系泊系統(tǒng)，質量更輕的新型纖維材料更加引起人們的研究和使用興趣。 鏈條可用于系泊線的各種部位，通常用于連接浮式結構和海底錨部分。錨鏈分為有橫檔錨鏈和無橫檔錨鏈兩種。有檔鏈易于操作，不易扭結，能夠增加鏈條的抗彎能力，但橫檔已松動，可能導致鏈條局部疲勞，橫檔脫落會對整體系泊系統(tǒng)產生難以估算的影響；無檔鏈條比有檔鏈輕，通過合理設計，也能夠具有很好的抗彎能力。目前，有檔鏈主要用于暫時性和移動式的系泊系統(tǒng)，而無檔鏈條多用于永久式的系泊系統(tǒng)。通常鏈條的直徑是指構成鏈環(huán)的鋼條直徑，也稱為有義直徑D，整個鏈條的幾何形狀、連接方式和主尺度的確定都與鋼條的直徑相關，如圖1.7為浙江雙鳥集團生產的有檔錨鏈和無檔錨鏈示意圖。 （a）、有檔錨鏈 （b）、無檔錨鏈 圖1.7、有檔鏈條和無檔鏈條 鋼纜與相同破壞強度的鏈條相比，鋼纜的質量比鏈條輕很多，彈性更高。海洋工程中有六股、螺旋股、多股式的鋼纜比較常用。六股式的鋼纜彈性好，價格低，多用于可移動式系泊系統(tǒng)。螺旋股式的鋼纜具有較強的縱向剛度和扭轉平衡，旋轉損耗低，通常用聚乙烯進行脫層，防腐能力好，深水系泊系統(tǒng)和永久性的系泊系統(tǒng)常采用此種形式的鋼纜；多股式鋼纜使用相對較少。對于鋼纜結構，一下兩個參數直接決定其特性：鋼絲繩股數，每股鋼絲繩鋼絲數。選擇鋼纜類型時，不僅要關心其破壞強度，還要考慮鋼纜的抗磨損與抗彎能力，他們直接決定了纜繩的使用壽命。但是，提高纜索的抗彎能力和纜索的抗磨損能力實際上是矛盾的關系，因此在實際的決策當中要根據實際情況折中的考慮。如圖1.8為六股式、螺旋股式和多股式鋼纜的示意圖。（EMS360公司） （a）、六股式 （b）、螺旋股 （c）、多股式 圖1.8、常用鋼纜截面示意圖 深水海洋浮式結構的系泊系統(tǒng)，一般采用合成纖維材料，合成纖維材料于傳統(tǒng)的鏈條和纜繩相比，彈性模量更大，密度小。但合成纖維材料的變形不符合彈性體的變形規(guī)律，不滿足胡克定律，合成纖維材料系泊線的彈性模量是隨纜繩的張力變化的，且合成纖維纜繩變形后有一定的蠕變，因此纖維材料即有彈性特性又有粘性特性，即所謂的粘彈性。纖維纜繩的這種性質使其在變形時產生三種應變：普通應變，這種變形和彈性體的變形一致，是在加上外力的瞬間發(fā)生，當外力去除后能夠恢復的應變；高彈性應變；不能恢復的塑性變形。目前纖維纜索的性質比較復雜，研究結果也具有一定的矛盾性，在應用時需謹慎考慮。 選擇系泊線的材料時，首先要掌握其決定自身特性的參數。決定系泊線材料特性的重要參數主要有：單位長度的濕重w，軸向剛度EA，破壞強度Fb等。對于系泊線材料的加工制作，業(yè)界基本都遵循比較一致的標準進行加工，因此也形成了基本計算公式，但對于設計者，在進行系泊系統(tǒng)設計時，已有的資料往往是非常有限的，通常會缺少關于系泊線的材料特性的準確數據，這時可參考業(yè)界認可的基本計算公式進行初步的計算分析。以下是鏈條和纜繩的計算公式，由于合成纖維的材料不一計算公式不統(tǒng)一，在此不給出相應的表達式。 有檔鏈條： （1.1） 無檔鏈條： （1.2） 中心線為鋼絲繩的六股式鋼纜： （1.3） 螺旋式鋼纜： （1.4） 1.3.2、系泊系統(tǒng)分析方法 為了保障浮式結構物的安全和保障海上施工的進行，正確有效的進行海洋系泊系統(tǒng)計算分析至關重要。從材料屬性上來看，系泊纜索是一個完全撓性構件，只能承受拉力，不能承受彎矩和剪力，在海洋波浪荷載下會產生明顯的動力響應。為了進行有效準確的分析，國內外眾多專家對此進行了大量的研究。按照對系泊纜索單元是否考慮慣性力，將系泊系統(tǒng)的研究方法分為兩類：靜力學分析法和動力學分析方法。 靜力學分析方法在設計初級階段被廣泛應用，靜力分析與動力分析相比較，靜力分析簡單有效，耗時較短，且具有一定的精度。它可以近似模擬系泊系統(tǒng)所受的恒定荷載條件，如結構物的偏移、恒定海流的影響等，但靜力分析時，建立的靜力平衡方程沒有考慮與加速度相關的慣性力項等非定常項的影響，尤其當外荷載的頻率與系泊系統(tǒng)的頻率接近時，結構對外荷載的響應將變得格外顯著。靜力學分析方法主要包括懸鏈線法和分段外推法。 懸鏈線法是最早提出的一種數學模型，懸鏈線法模型在推導時假定纜索在拉力作用下的伸長可以忽略，即不考慮纜索的彈性變形影響，同時，假定纜索的自重較大，相比流的作用力可以忽略不計。正是由于懸鏈線法在推導過程中引入了過多的假設，使得它的模型本身存在局限性，它很難研究考慮流速存在以及動態(tài)剛度變化等情況時的影響，但它求解方便，速度較快，并能保持一定的精度，可以有效地應用于初步設計階段，能夠研究系泊纜索的內外受力以及位置形態(tài)[2]。分段外推法是基于懸鏈線法推導基礎上考慮流荷載和彈性變形的一種方法，它可以適用于有躺底端的懸鏈線系泊分析，也可用于無躺底端的張緊式系泊的分析，同時，可以考慮海底斜坡地形，有浮筒情況以及多種材料系泊纜的靜力分析問題。 目前采用靜力分析方法相對動力分析方法，簡單有效，API規(guī)范[3]推薦在系泊系統(tǒng)初步設計時可采用擬靜力分析的方法進行分析，最終設計階段采用多種方法結合的方法進行分析。Reba和Hebert[4]利用懸鏈線理論分析了系泊纜張力與位移之間的關系；R.J.Smith et al [5]研究了系泊系統(tǒng)兩成分系泊纜索的懸鏈線方程，采用Lagrange方法進行迭代求解，將錨泊線的彈性考慮成單位質量的不定性，并介紹了相關的四種求解方法；Y.T. Chai et al[6]基于懸鏈線公式研究了三維部分著地和完全懸垂的多條錨泊線問題,所研究的方法可以處理有斜坡情況下與海床的相互影響，結果具有一般性。余龍和譚家華[7]對復合型系泊纜索進行研究，提出了適合多點系泊系統(tǒng)的分析方法。閆俊等[8]針對由三段浮容重、剛度和長度都不相同的鏈索和浮筒組合而成的復合錨鏈系統(tǒng)，應用分段外推法進行靜力分析，研究結果為深水懸鏈式錨泊系統(tǒng)設計提供了一些參考。 動力學分析方法目前比較成熟的研究方法主要是集中質量法和細長桿理論模型。集中質量法是將水下纜索這種細長的撓性構件視為有限個彈簧質量單元，這些單元在節(jié)點位置以鉸接的方式連接，不考慮系泊纜索的彎曲和扭轉剛度，流等外力荷載作用于單元的節(jié)點上，在此基礎上，根據達朗貝爾原理得到各個節(jié)點的運動微分方程，來模擬整個系泊纜索的特性,如圖1.9為集中質量法分析模型。目前集中質量法廣泛應運于拖曳纜索和系泊錨鏈的動力性能分析。Huang Shan[9]通過集中質量法研究提出了三維系泊纜動力分析模型，準確的模擬了系泊纜應力突變狀態(tài)；程楠[10]采用三維集中質量法建立了深海系纜模型，計算系纜的構型和張力，研究了深海Spar平臺系泊纜索張力的突變規(guī)律，得到了一些有意義的結論；王磊[11]基于集中質量法模擬了浮標錨投放以及工作時纜索的受力情況，對于海洋觀測技術提供了借鑒；劉遠傳[12]基于三維集中質量法在OpenFOAM工具箱，開發(fā)了船舶與海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,并詳細闡述了三維集中質量法的數值分析方法；目前較為廣泛使用的Orcaflex系泊系統(tǒng)專業(yè)計算軟件，正是基于集中質量法編制的[13]。 圖1.9、集中質量法分析模型示意圖 細長桿理論假定構件可以具有任意形狀，并且構件是可變形的，該模型是由Garrett在經典細長桿理論基礎上提出的，最初細長桿理論假定構件變形前后微段弧長不變即具有不可伸長的特性[14],而后Mullarkey在Garrett理論的基礎上，進一步發(fā)展細長桿理論，考慮了細長桿微段的伸長特性。基于可伸長的細長桿理論，Ma and Webster開發(fā)了三維整體坐標系下的海洋撓性構件數值分析程序CABLE3D，不過該程序并沒有考慮海底對于系泊纜索的摩擦效應[15]。其后Chen and Zhang 在不可拉伸彈性細桿理論上，并考慮海底邊界條件對系泊纜索的摩擦，推出了Modified Cable3D 程序[16]。目前細長桿理論日趨成熟，眾多學者利用該理論解決一系列的問題，馬剛[17]基于彈性細桿理論對深海立管和系泊線動力學模型進行了研究，解決了懸鏈線模型中動態(tài)剛度問題以及結構極端細長引起的幾何非線性問題；唐友剛，張若瑜等[18]采用細長桿理論模型很好的模擬深海聚酯纜的力學性能，得到了深海系泊纜的動張力變化規(guī)律和力學特性；Ormberg and Larsen 基于細長桿理論對內轉塔式FPSO的動力耦合進行了分析，介紹了耦合分析和不耦合分析對運動響應的影響[19]。細長桿模型是在三維笛卡爾整體坐標系下建立的，可以對任意空間形狀的構建進行分析，分析簡便，具有較廣的應用前景，如圖1.10為細長桿理論的分析模型。 圖1.8、細長桿理論模型 1．4、本文主要工作 本文主要對目前系泊纜索的分析理論進行學習，并借助 和 軟件來實現數值模擬，驗證理論的合理性，加深對系泊系統(tǒng)影響因素的分析。最后針對某一目標平臺和某一海域的環(huán)境條件進行系泊系統(tǒng)設計，根據規(guī)范校核系泊系統(tǒng)設計的合理性。本論文的構思如下： 第一章，查閱文獻，了解半潛式鉆井平臺的有點和組成；系泊系統(tǒng)的分類、組成和分析理論。 第二章，分析了半潛平臺在海洋中主要受到的海洋環(huán)境荷載。詳細介紹了風、浪和流環(huán)境的描述方法和環(huán)境荷載計算方法，針對環(huán)境要素波浪的波浪理論和大型浮體的在波浪中的運動響應理論進行了敘述。 第三章，基于第二章的海洋荷載計算分析理論，針對目標平臺，借助 軟件中的 模塊，基于三維勢流理論和 公式計算得到了目標平臺的附加質量系數、阻尼系數和目標平臺六自由度的幅值響應算子，為系泊系統(tǒng)的耦合動力分析做準備。 第四章，從單根系泊纜索的靜力分析理論入手，通過 軟件，得到了單根系泊纜索的靜力特性，初步探索了部分海洋環(huán)境對系泊纜索靜力特性的影響。對單根系泊纜索基于三維集中質量法進行了動力分析理論的學習，通過數值模擬得到了浮式結構物振蕩頻率對系泊張力影響關系。最后對系泊系統(tǒng)整體分析理論進行了總結學習。 第五章，基于第二章和第四章的理論，初步設計時基于單根纜索的靜力分析理論，給出了系泊系統(tǒng)的初步設計方案，利用第三章借助 軟件得到的目標平臺附加質量系數、阻尼系數矩陣和幅值響應算子，進行耦合動力學分析，參考 設計規(guī)范，驗算系泊系統(tǒng)設計的合理性，給出系泊設計方案。 全文理論和實踐相結合，從學術研究上，對系泊系統(tǒng)涉及到的內在機理進行了詳細的探討，具有很好的學習和參考意義；從工程設計上，本文進行的系泊系統(tǒng)設計思路能夠給出很好的參考意義。 第二章、海洋環(huán)境和環(huán)境荷載計算 海上結構物與陸上結構物相比，海洋工程結構物所處環(huán)境更加惡劣，如何準確的給出環(huán)境資料，直接關系到系泊系統(tǒng)的設計和計算。通常人們不能給出特定海域每一時刻的環(huán)境資料，當然這樣做也是毫無意義的，人們通過觀測統(tǒng)計，得到了能夠表征環(huán)境的特征資料，根據數值模擬來模擬現實情況下的海洋環(huán)境情況，這對工程起了很大的幫助。海洋工程中對半潛式平臺影響較大的海洋環(huán)境包括風、波浪和海流（無冰區(qū)，有冰區(qū)應考慮冰環(huán)境的影響），三者的觀測統(tǒng)計是分別進行的，在工程中如何將三者進行工況組合至關重要。根據海洋環(huán)境資料可分別按照不同的計算理論計算得到響應環(huán)境荷載，將荷載施加到海洋工程結構物中，建立運動平衡方程，即可求得海洋工程結構的運動響應。 2.1、風 風是空氣由高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動，風的特征可以用風速和風向來表示，風速是一個隨機變量，它隨著建筑物所在位置、觀測設備所處的高度、觀測時距等因素的變化而變化。因此風速的資料取值具有一定的標準包括風速觀測設備距海平面的標準高度，風速觀測的時距等等；風向一般取所在地點的氣候有關，每個地點風向具有一定盛行風向，為了工程設計和使用的方便，人們根據風向的統(tǒng)計資料，常常繪制成外形酷似盛開的風玫瑰圖。本文采用 規(guī)范選取設計風速，按盛行方向選取風速方向。 2.1.1、風譜 API規(guī)范在計算風荷載的作用時，一般采取以下兩種方法：（1）將風的大小和方向作為定值處理時，應采用1分鐘的平均風速；（2）脈動風速應基于1小時的平均風速加上隨時間變化的陣風風譜。對于永久性系泊系統(tǒng)，應采用方法二進行設計，對于本文半潛式鉆井平臺屬移動式平臺，兩種方法皆可，本文采用第二種方法。 風譜可選擇NPD風譜和API風譜，NPD風譜在長周期超過500秒的計算中有顯著的不確定性，API規(guī)范規(guī)定，對于系泊系統(tǒng)的動力計算應計算至少3小時，因此本文采用API風譜。API風譜的計算如下： API風譜計算陣風因子等都由一個參數確定，但在確定API風譜時，應引入另一參數 。在 處一小時的平均風速由下式確定： （2.1） 其中： ：海平面以上 處一小時的平均風速（ ）。 ：海平面以上10米處一小時的平均風速（ ）。 ：距海平面的距離（ ）。 ：測試距離，海平面以上10米處。 陣風風速在海平面以上 處隨時間的變化的關系由下式確定： （2.2） 其中： ：距海平面的距離（ ）。 ：距海平面以上 處， 時刻的平均陣風風速（ ）。 風譜是風在某一頻率的能量密度，由下式確定： （2.3） 如圖2.1、所示為海平面以上10米處1小時持續(xù)風速11m/s的風譜圖： 圖2.1、API風譜圖 2.1.2、風載荷的計算 作用在半潛式海洋平臺的風載荷可按下式計算： （2.4） 式中： 為受風設備表面上的風壓， ， 為受風面積， ， 受到的風載荷大小， 。 一般計算風壓時，通常是以某一標準高度的風速對指定形狀的受風構件產生的風壓作為基本風壓，再對受風高度和形狀進行修正，依據 定理得基本風壓計算公式： （2.5） 式中： 為基本風壓； 為空氣重度取 ；重力加速度取 ； 為基本風速，在 規(guī)范中取海平上 處的風速值，對高度和形狀進行修正后，風壓公式為： （2.6） 式中： 為風壓沿高度變化的高度系數， 為考慮受風構件形狀影響的形狀系數。 對于半潛式平臺上高聳端物，如塔架，由于其剛度較低，自振頻率較低，在不穩(wěn)定的脈動風速作用下，會發(fā)生明顯的動力響應。因此在設計高聳建筑時，除了應考慮因平均風速產生的穩(wěn)定風壓外，還應考慮因脈動風速產生的脈動風壓，工程上采用動力放大系數對風壓進行修正，此時風荷載的計算公式為： （2.7） 表2.1、2.2分別給出了計算風載荷時結構的形狀系數和高度系數。 表2.1、計算風載荷結構形狀系數 外漏面積 形狀系數Cs 圓柱形 0.5 水線面以上的船體 1 甲板室 1 獨立的結構（吊機、橫梁等） 1.5 甲板以下的面積（光滑表面） 1 甲板以下的面積（外漏的橫梁和支架） 1.3 鉆井架 1.25 表2.2、計算風載荷時的高度系數 水平面以上受風面積的中心高度 范圍/m CH 0-15.3 1 15.3-30.5 1.18 30.5-46 1.31 46.0-61 1.4 61-76 1.47 2.2、波浪 波浪是半潛式平臺結構遭受的主要荷載。波浪力不但隨著波高的增大而增加，當波周期與半潛式平臺的自振周期接近時，還會發(fā)生明顯載荷放大，從而可能對半潛平臺結構造成破壞。海洋中水體的波動是多種自然因素引起的，波浪周期分布很廣，其中能量較為巨大的是周期在1~30s,特別是在4~16s由風引起的重力波，是半潛平臺需要考慮的主要荷載來源。這種由風引起的重力波主要包括風浪和涌浪，風浪是指風直接作用下產生的波浪。風停止、轉向或離開風區(qū)后，傳播至無風水域的波浪則成為涌浪。本節(jié)將詳細講述波浪理論，波譜以及波浪載荷和響應分析理論。 2.2.1、波浪理論 波浪載荷計算的準確性，首先要選擇合適的波浪理論。目前比較常用的波浪理論有線性波理論（ 波理論）和非線性波理論（ 二階、五階波理論等）。 假設波浪運動作有勢運動，流體是無粘性不可壓縮的均勻流體，其邊界條件滿足 方程： （2.8a） 海底邊界條件： （海底水平） （2.8b） 自由液面運動邊界條件： （2.8c） 自由液面動力邊界條件： （2.8d） 上述邊界條件構成了波動方程的定解條件，線性波浪理論假定波幅和波高相對于波長是無限小，流體質點運動速度緩慢，從而將上述邊界條件進行線性化，求解上述波動方程即可一階波浪運動的速度勢函數和波剖面方程： (2.9) 對于非線性波而言，波浪的波高和波長之比不能視為無窮小，需考慮方程的非線性的影響，為了解決自由邊界條件的非線性影響，一種有效的途徑是采用攝動級數進行求解，即假定速度勢和波面可按某一小參數 進行攝動展開： (2.10) 將上述展開式帶入邊界條件，可對每一階進行求解，對二階求解的結果即為 二階波，其求解得到的波浪速度勢函數和波浪剖面方程為： (2.11) 按上述方法，可依次求出上述方程的各階速度勢函數 和波面方程 ，如圖2.2為線性波和 二階波對比圖。 圖2.2、波剖面對比圖 2.2.2、波浪譜 大量觀測數據表明，實際海面是由不同波高、周期和方向的波浪組成的，根據理論和實驗分析，可以將波浪視為無限多個隨機的簡單余弦波疊加的而結果，這樣對于某一海域的波浪在不同周期上波高也會不同，海洋工程中用海浪譜來描述其組成波的能量分布，波浪譜作為描述復雜波浪的有效手段，已應用于深水浮式平臺的強度和穩(wěn)定性的動力計算。 迄今為止，已經提出了許多風浪頻譜，下面介紹海洋工程中比較常用的波浪頻譜： （1） 譜 這種譜是由 于1952年最先提出的，在部分工程問題中得到應用。 譜是單參數譜，譜公式定義如下： (2.12) 式中， 為有效波高。 譜的譜峰頻率為 （2） 譜 該波浪譜于1963年 和 依據北大西洋的實測資料推導而來，適用于外海無限風區(qū)充分成長的波浪。 譜是經驗譜，由于所依據的資料比較充分，分析方法比較簡便，使用也比較方便，因此在海洋工程中得到了廣泛的應用。其定義式為： (2.13) 式中， 譜的譜峰頻率為： （3） 譜 1968~1969年間，英國、荷蘭、美國、德國等國家聯合進行“聯合北海波浪計劃”期間提出 譜。測站較多，由測得的2500個譜導出的風浪譜。 譜適用于中等風況和有限風距情況下測得的，多數使用經驗表明，此譜和實測結果吻合性較好，而且適用于不同成長階段的風浪。目前已被API規(guī)范所采用。它的譜公式如下： (2.14) 其中 為重力加速度， 為峰值頻率，參數 一般取： 為譜峰升高因子， 的觀測值為1.5~6，平均值為3.3。系數 為無因次風區(qū)函數和有義波高、譜峰升高因子有以下關系： 如圖為有效波高為 的 和 波浪譜。 圖2.3、 譜和 譜的對比圖 2.2.3、波浪載荷計算 半潛式平臺結構上的波浪誘導載荷主要是波浪產生的壓力場所致，一般波浪誘導載荷分為三種：拖曳力、慣性力和繞射力。【Hogben】波浪誘導載荷對于不同結構物所占的分量并不是同等重要的，其大小取決于結構物的型式和尺度，以及選取的波浪工況。在海洋工程中，一般根據構件的尺度大小來選擇計算的方法。對于小尺度的構件，波浪的拖曳力和慣性力是主要的分量，對于大尺度構件，波浪的慣性力和繞射力是主要的分量。半潛式平臺既包含有大尺度的浮箱、立柱等結構物，也包含有小尺度的撐桿，系泊纜索等，因此在半潛式平臺波浪荷載和海流荷載計算中需對兩種尺度的構件分別采用不同的方法進行計算，本節(jié)將敘述兩種計算方法的原理。 2.2.3.1、小尺度構件波浪力的計算 對于系泊纜索以及連接兩浮箱之間的橫撐都屬于小尺度的構件（ ， 結構尺寸， 波長）。目前莫里森（ ）方程已被廣泛用于計算同波長相比較小的結構物的波浪力【Morison】。該理論假定，細長柱體的存在不對波浪場產生影響，波浪對柱體的作用主要是由粘滯效應和附加質量效應引起。 將波浪力分為同加速度成正比的慣性力項和與速度的平方成正比的拖曳力項，具體表達式如下： （2.15） 式中， 單位長度的波浪力， ； 所處流場液體密度， ; ,迎流方向上的投影面積， ； 波浪誘導產生的速度和加速度， ； 迎流方向構件的體積， ； 為無量綱拖曳力系數， 附加質量系數。 在半潛式平臺中，一般浮體以及鏈索不是固定靜止的而是隨時間變化不斷運動的，因此上式的速度、加速度應采用相對速度和加速度，上式可改寫為： （2.16） 式中， 是物體運動的速度和加速度， 。對上述式，進行積分即可得波浪作用在整個物體上的波浪力： （2.17） 公式是針對光滑柱體試驗提出的，而在實際的海洋環(huán)境中，海洋工程結構物中由于銹蝕、海洋生物附著等原因，其拖曳力系數和附加質量系數會有所改變。為了確定 ， ，必須進行廣泛的試驗和分析，為了使用方便，各國船級社和有關部門對 和 的取值做出了建議，如表2.3所示。 表2.3、 和 取值推薦表 推薦數值名稱 美國API 挪威DNV 英國DTI 波浪理論 Stokes五階波，流函數 Stokes五階波 根據實際 拖曳力系數 0.6-1.0 0.5-1.2 水深 質量系數 1.5-2.0 2 的可靠 備注 , 和選用的 不同的波浪理論使用不同 實驗結果 波浪理論有關 , 的，高雷諾數時 2.2.3.2、作用在半潛平臺的波浪