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深海系泊系统松弛—张紧过程缆绳的冲击张力研究

张素侠  
【摘要】: Spar平台是目前深海油气资源开发的主要装备之一,其中的系泊系统是深海平台的定位系统,当系泊的平台浮体发生大幅运动时,系泊系统会出现松弛-张紧状态的改变,引起系缆张力的迅速增大,可能危及深海平台的安全生产。本文针对深海系泊系统松弛-张紧过程的冲击张力进行了研究,主要工作和结论如下: (1)在Mohammad Behbahani Negad研究工作的基础上,考虑缆绳内水平张力和位置,用泰勒级数展开,得到缆绳的曲率和张力的表达式,建立包含松弛和张紧两种情况的连续模型,采用应力波理论分析了缆绳内水平张力、波数、缆索坐标等参数对缆绳内应力波传播特性的影响,证明了本文考虑缆绳张力和曲率变化的合理性。 (2)根据应力波基本理论和非线性动力学基本理论,计算得到缆绳在松弛、松弛-张紧和张紧三种状态下缆绳的运动和张力,比较分析了缆绳三种运动状态的区别,发现三种状态下,缆索结构的运动特点、最大张力和对结构的破坏程度都不相同。在松弛-张紧状态,缆绳的横向运动出现跳跃,张力中出现突变的尖峰和倍频成分。松弛-张紧时产生的冲击张力是松弛情况的5倍,是张紧情况的2.4倍,容易引起缆绳的强度破坏,缩短疲劳寿命。 (3)根据冲击动力学理论,对系泊平台浮体-缆绳系统进行了耦合分析,给出系统的松弛区域和张紧区域的边界曲线,并对影响因素进行了分析。结果表明,缆绳-浮体本身的系统参数和外部载荷条件的改变,例如无量纲的位移比,或阻尼比发生改变,会引起系统在松弛-张紧区域间的转变,从而引起缆绳内的冲击张力。缆绳内的最大动态张力随波高、波浪频率、预张力的增大而增大,随缆绳长度的增大而减小。 (4)采用实验方法,对浸没在准静态流体中的绳索的冲击张力问题进行研究,观察到缆绳中的冲击张力,证明了冲击张力的存在性和此问题研究的必要性。同时,还研究了缆绳内最大张力的影响因素。结果表明,在相同的条件下,缆绳的最大张力随端点激励频率和激励幅值、缆绳刚度、缆绳直径、缆绳弹性模量的增大而增大,随缆绳长度的增大而减小。实验验证了理论计算的正确性。 (5)对空气中的冲击张力实验和水中的冲击张力实验进行比较分析,给出缆绳发生冲击载荷时缆绳内张力的特点:冲击载荷发生在激励端,冲击张力迅速变大,张力中出现高频成分,同时出现负张力。这些可以作为缆索中是否出现冲击载荷的判断依据。另外,冲击载荷发生在激励端,这就要求实际的设计中要加强系缆点附近缆绳的强度,以保证系泊系统的安全。


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