深海半潜式平台浪激响应分析及垂荡响应控制

【摘要】： 半潜式海洋平台由于具有相对总投资少、可移动性高,多种工作功能以及较好的运动性能等特点,是我国进军南海深海海域进行油气开采的首选装备。海洋石油钻探、开采等工艺对半潜式平台运动具有苛刻的要求,尤其是半潜式平台的垂荡运动响应幅值是平台作业的制约因素。本文以南海某半潜式平台为研究对象,通过对该平台进行水动力数值分析和模型实验,研究了其在波浪荷载作用下的运动特性,并在此基础上在Matlab中建立半潜式平台垂荡、横摇以及纵摇的一阶运动模型,对垂荡特性影响因素进行进一步分析,提出基于被动调谐质量阻尼和磁流变阻尼原理的的活动式垂荡板结构对半潜式平台进行垂荡控制。 首先,在AQWA平台对该半潜式平台进行频域水动力参数分析和波浪荷载作用下的时间域平台整体运动响应分析;根据静水衰减实验结果对数值模型进行粘性阻尼力修正;对比数值模拟和规则波实验获得的振幅响应算子(Response Amplitude Operator)曲线,分析平台横摇、纵摇和垂荡三个运动在波频区域的运动特性;对比数值模拟和不规则波实验,计算分析平台在工作海况和百年自存海况下的运动响应,在频率域内分析各自由度在波频段和低频段的运动特性。 然后,根据AQWA软件在频率域计算的水动力参数结果,在Matlab平台上建立了半潜式平台垂荡、纵摇和横摇的三自由度的一阶水动力时域模型。以Jonswap谱为靶谱,合成了波面时程曲线和不规则波作用下的一阶波激力时程曲线;采用卷积积分法对一阶辐射力进行预报;在Matlab平台上进行不同海况下平台运动响应的时域分析,并与AQWA-Drift计算结果进行比较。 最后,采用AQWA软件分析了吃水深度和垂荡板布置深度对半潜式平台的垂荡特性的影响;提出采用基于调谐质量阻尼(Turned Mass Damper)原理的活动式垂荡板,对传统半潜式平台进行垂荡控制;优化设计了垂荡板结构与平台的主体结构的连接参数;为进一步提高控制效果,采用磁流变阻尼器对半潜式平台进行垂荡运动控制。 随着海洋石油工业向更深的海域进军,势必对海洋平台的运动性能提出更高的要求。本文提出的活动式垂荡板结构,可以改善传统平台的运动特性,能够带来潜在的经济效应,具有重要的意义。