中深水半潛式鉆井平臺(tái)系泊方案設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究說(shuō)明書(shū)帶開(kāi)題

中深水半潛式鉆井平臺(tái)系泊方案設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究說(shuō)明書(shū)帶開(kāi)題,深水,半潛式,鉆井平臺(tái),系泊,方案設(shè)計(jì),參數(shù),優(yōu)化,研究,鉆研,說(shuō)明書(shū),仿單,開(kāi)題 一、選題依據(jù) 課題來(lái)源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值 課題來(lái)源、選題依據(jù)和背景情況 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(guó)的目前情況而言，石油的需求量日益增大，2003年中國(guó)石油消費(fèi)超過(guò)日本成為世界第二大石油消費(fèi)國(guó)，消費(fèi)量達(dá)2.74億噸；2015年我國(guó)石油消費(fèi)量已突破5億噸，對(duì)外依存度高達(dá)60%，因此石油的開(kāi)采已成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)安全和發(fā)展的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。我國(guó)陸上油氣田從上世紀(jì)開(kāi)采至今，大多已具有近50年的開(kāi)采歷史，油田已接近最大開(kāi)采程度，開(kāi)采成本較高，產(chǎn)量也很難提高，因此人們漸漸的把能源戰(zhàn)略的選擇方向放在海上。2012年，黨的十八大會(huì)議提出海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。 我國(guó)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(guó)海域有30個(gè)左右的沉積盆地，石油儲(chǔ)量可觀，盆地面積達(dá)70萬(wàn)平方千米。上世紀(jì)60年代，中國(guó)開(kāi)始對(duì)海洋石油進(jìn)行自主勘探開(kāi)發(fā)，目前已取得一些重要技術(shù)突破和成果。中國(guó)黃海、渤海、東海和南海具探測(cè)均有油氣，渤海埕島油田已成為北方重要的能源生產(chǎn)基地。東海由于和日本存在海上爭(zhēng)端，石油開(kāi)發(fā)和探測(cè)阻力較大。南海地區(qū)根據(jù)現(xiàn)有資料推測(cè)石油儲(chǔ)量約230億~300億噸，約占我國(guó)總資源的1/3，具有非常大的開(kāi)采潛力。 我國(guó)海洋石油儲(chǔ)量大，但我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)起步較晚，海洋裝備與國(guó)外相比仍比較落后，目前我國(guó)海洋石油開(kāi)采多數(shù)還局限在近海，采用傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)。但隨著海洋石油開(kāi)發(fā)，向深海進(jìn)軍已是大勢(shì)所趨，傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)難易在深海環(huán)境條件下作業(yè)，浮式平臺(tái)成為不可或缺的裝備，目前浮式平臺(tái)主要有張力腿平臺(tái)、Spar平臺(tái)、FPSO和半潛式平臺(tái)。張力腿平臺(tái)由張力筋腱張力提供回復(fù)力，具有升沉運(yùn)動(dòng)小的特點(diǎn)，適用于干式采油樹(shù)，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(tái)的適用水深受到限制；Spar平臺(tái)由于本身構(gòu)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(kāi)發(fā)；FPSO為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船，其可變荷載大，抗風(fēng)能力強(qiáng)，適用水深范圍廣，可轉(zhuǎn)移重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)；半潛式平臺(tái)甲板面積較大，由系泊系統(tǒng)提供回復(fù)力，穩(wěn)性較好，幾乎不受水深限制，適用范圍廣，但其升沉運(yùn)動(dòng)使得半潛平臺(tái)很難采用干式采油樹(shù)。 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(huì)遇到隨機(jī)環(huán)境風(fēng)浪流甚至冰的荷載作用，從而使其在工作位置產(chǎn)生偏離，因此浮式結(jié)構(gòu)物一般都配備相應(yīng)的系泊系統(tǒng)使其具有良好定位能力，以保持儀器設(shè)備等運(yùn)行環(huán)境的需要。不同的浮式結(jié)構(gòu)物在不同工作海域需有不同的系泊方案，如何設(shè)計(jì)一個(gè)安全又使平臺(tái)具有良好定位和保持能力的系泊系統(tǒng)就變得尤為重要。 課題研究的目的、學(xué)術(shù)價(jià)值： （1） 通過(guò)本畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程及包含的內(nèi)容有大致的了解，能夠?qū)Π霛撈脚_(tái)進(jìn)行合理的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （2） 對(duì)系泊纜索的力學(xué)分析有初步的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，對(duì)系泊纜索的靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析做出合理的比較，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題的能力。 （3） 掌握專業(yè)軟件，熟練使用分析工具，幫助對(duì)系泊設(shè)計(jì)研究和驗(yàn)證。 二、文獻(xiàn)綜述 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn) 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)： 半潛式平臺(tái)具有相對(duì)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(chǎn)能力強(qiáng)，無(wú)需在海上安裝，安裝周期短，可以長(zhǎng)期工作等優(yōu)點(diǎn)。目前半潛平臺(tái)主要由上部組塊、立柱、浮箱組成。上部組塊是必要的生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)于鉆井平臺(tái)，上部組塊主要有井架，鉆井設(shè)備和生活組塊等組成，生產(chǎn)平臺(tái)則有采油樹(shù)（對(duì)于深吃水的半潛平臺(tái)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(chǎn)平臺(tái)也會(huì)有井架存在，目的是為了修井方便或由鉆井平臺(tái)改造而來(lái)；平臺(tái)與浮箱連接的立柱，剖面較小，具有小水面的特點(diǎn)，平臺(tái)工作時(shí)，浮箱沉于水面以下，由于立柱具有較小的水線面，平臺(tái)工作時(shí)受到波浪作用的荷載較小，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(tái)具有較好的穩(wěn)性；浮箱用于提供上部平臺(tái)，系泊，立管預(yù)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(tái)具有范圍較廣的可變甲板荷載，浮箱提供的浮力使得平臺(tái)與水面保持一定的氣隙，避免甲板上浪，從而影響平臺(tái)作業(yè)，；同時(shí)，由于波浪作用在半潛平臺(tái)時(shí)，尤其是當(dāng)波浪與半潛平臺(tái)尺寸接近時(shí)，會(huì)使兩浮箱向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)，從而在立柱與平臺(tái)之間產(chǎn)生較大彎矩，一般在浮箱之間有必要的連接撐桿。平臺(tái)整體寬度較大，具有良好的穩(wěn)性，使得其具有良好鉆井和生產(chǎn)能力。 目前半潛式平臺(tái)已發(fā)展至第七代，作業(yè)水深在3000米左右，鉆井深度已達(dá)10000米，現(xiàn)今的半潛平臺(tái)一般配備有動(dòng)力定位系統(tǒng)，具有一定的自航能力；設(shè)計(jì)要求愈加嚴(yán)格從以往的極端環(huán)境重現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式逐漸趨于簡(jiǎn)單化和大型化，半潛平臺(tái)由以往的三角形，六邊形，五邊形等變?yōu)楝F(xiàn)在固定矩形形式，立柱的個(gè)數(shù)也從以往的八立柱，六立柱、四立柱變?yōu)楝F(xiàn)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(shù)目也由以前14~20根變?yōu)楝F(xiàn)在的2~4根，有些半潛平臺(tái)甚至取消了撐桿，這些改變減少了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而降低了平臺(tái)的疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，方便建造，降低了生產(chǎn)周期和建造費(fèi)用；半潛平臺(tái)主體采用高強(qiáng)鋼，降低了結(jié)構(gòu)本身的自重和生產(chǎn)成本，提高了甲板可變荷載與結(jié)構(gòu)自重比，排水量與結(jié)構(gòu)自重比。“海洋石油981”平臺(tái)是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)，由中國(guó)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(shè)計(jì)，可抵御重現(xiàn)期200年一遇的極端海況，最大作業(yè)水深達(dá)3000米，最大鉆井深度達(dá)10000米，平臺(tái)自重3萬(wàn)噸，承重能力12.5萬(wàn)噸，可變甲板荷載9000噸，配備DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，刻在南海、東南亞、西非等深水海域作業(yè)，設(shè)計(jì)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(dá)5030米，順利完成首次海外深水井鉆井作業(yè)。 半潛式平臺(tái)從投資成本，施工周期，適應(yīng)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(tái)主要有以下特點(diǎn)： （1）半潛式平臺(tái)的波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，作業(yè)穩(wěn)定性好。半潛式平臺(tái)工作時(shí)，浮箱下沉，水面與立柱接觸，半潛式平臺(tái)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(tái)相匹配的系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)，使得半潛平臺(tái)具有全天候作業(yè)的能力。 （2）半潛式平臺(tái)的適用工作水深范圍廣。半潛式平臺(tái)屬于浮式結(jié)構(gòu)物，不同于固定式導(dǎo)管架平臺(tái)，其作業(yè)水深的增大不會(huì)帶來(lái)造價(jià)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(tái)工作水深已達(dá)4000米，鉆井深度達(dá)15000米。 （3）半潛式平臺(tái)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(tái)具有更強(qiáng)的鉆井作業(yè)能力，目前半潛式平臺(tái)的可變甲板荷載可達(dá)10000噸。 （4）半潛式平臺(tái)具有可移動(dòng)性?，F(xiàn)今的半潛式平臺(tái)一般具有動(dòng)力定位系統(tǒng)，因此平臺(tái)具有一定的自航能力。半潛式鉆井平臺(tái)在一個(gè)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(tái)由于其較優(yōu)良的性能，使得半潛平臺(tái)的應(yīng)用也日趨廣泛，半潛式平臺(tái)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。近年來(lái)，為防止內(nèi)陸和沿海的環(huán)境污染，更是提出了利用半潛平臺(tái)建立離岸較遠(yuǎn)的海上電場(chǎng)、海上核電站等，有些新的概念也得以提出運(yùn)用，如用半潛平臺(tái)建造人工島等。使得半潛式平臺(tái)在加大海洋資源利用和海洋環(huán)境開(kāi)發(fā)上都有非常重要的意義。 半潛式平臺(tái)在工作時(shí)，其浮心低于重心，在風(fēng)浪流作用下，自身不具有恢復(fù)力矩，因此半潛平臺(tái)的工作保障離不開(kāi)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?zhǔn)较挡?、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(dòng)式系泊、動(dòng)力定位系統(tǒng)和推進(jìn)器輔助系泊系統(tǒng)。被動(dòng)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(lái)提供相應(yīng)的回復(fù)力；動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制的系泊系統(tǒng)，當(dāng)浮式結(jié)構(gòu)物在波浪等荷載作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的大小，使推進(jìn)器產(chǎn)生一定大小和方向的推力，從而使浮式結(jié)構(gòu)物保持定位；推進(jìn)器輔助系泊系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的被動(dòng)系泊的基礎(chǔ)上配備相應(yīng)動(dòng)力推進(jìn)器來(lái)使浮式結(jié)構(gòu)物定位的系泊方式。按系泊點(diǎn)的個(gè)數(shù)又可分為單點(diǎn)系泊和分布式系泊，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)常用于FPSO，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)塔，外轉(zhuǎn)塔或者浮筒將FPSO系于一點(diǎn)，此時(shí)FPSO在外部環(huán)境的作用下，可繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而具有“風(fēng)向標(biāo)”的作用，使得船首方向始終沿著浪流方向，從而減少FPSO對(duì)荷載的響應(yīng)。分布式系泊一般用于張力腿平臺(tái)、Spar平臺(tái)和半潛平臺(tái)。 一般來(lái)說(shuō)，選用什么樣的系泊方式應(yīng)根據(jù)系泊力的大小、水深、纜繩的長(zhǎng)度、海底地形等來(lái)確定。浮式結(jié)構(gòu)物工作環(huán)境在淺海，采用錨鏈構(gòu)成的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，但當(dāng)水深增加，錨鏈構(gòu)成的系泊系統(tǒng)的重量和造價(jià)不斷增加，因此在水深超過(guò)1000米，懸鏈?zhǔn)较挡床辉龠m用。深水浮式結(jié)構(gòu)的系泊系統(tǒng)，目前大多采用具有預(yù)張力的復(fù)合纜系泊，具有比較好的經(jīng)濟(jì)性能，拖運(yùn)施工可行，更適合深海平臺(tái)的應(yīng)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(fù)合材料系泊纜系泊，如：錨鏈-鋼纜-錨鏈；錨鏈-尼龍纜-錨鏈。 半潛式平臺(tái)采用分布式系泊，系泊系統(tǒng)主要由四部分組成：導(dǎo)纜器、系泊纜、起鏈機(jī)和錨組成所示。系泊纜繩上端與平臺(tái)主體的導(dǎo)纜器相連，下端連接錨，用起鏈機(jī)來(lái)控制系泊纜的預(yù)張力。導(dǎo)纜器一般位于半潛平臺(tái)的浮心位置的水平面上，已獲得較大的回復(fù)力矩，錨根據(jù)海底的地質(zhì)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(tái)可采用懸鏈?zhǔn)较挡?，也可采用張緊式或半張緊式系泊，這和半潛平臺(tái)工作的水深有關(guān)。懸鏈線式系泊主要由錨鏈和系泊纜索組成，回復(fù)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(huì)有一部分躺底段，當(dāng)平臺(tái)發(fā)生運(yùn)動(dòng)后，水下纜索的形態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，給結(jié)構(gòu)物提供的回復(fù)力也會(huì)發(fā)生變化；張緊式系泊一般采用復(fù)合纜進(jìn)行系泊，回復(fù)力主要靠系泊纜發(fā)生形變提供，系泊纜工作一定時(shí)間會(huì)發(fā)生一定量的蠕變，因此需每隔一段時(shí)間通過(guò)絞輪機(jī)適當(dāng)收纜，在海底沒(méi)有所謂的躺底段，與懸鏈?zhǔn)较挡聪啾?，張緊式系泊所用纜索密度小，便于運(yùn)輸，同時(shí)系泊半經(jīng)較小，纜繩短，更適用于深海系泊。 為了保障浮式結(jié)構(gòu)物的安全和保障海上施工的進(jìn)行，正確有效的進(jìn)行海洋系泊系統(tǒng)計(jì)算分析至關(guān)重要。從材料屬性上來(lái)看，系泊纜索是一個(gè)完全撓性構(gòu)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(huì)產(chǎn)生明顯的動(dòng)力響應(yīng)。為了進(jìn)行有效準(zhǔn)確的分析，國(guó)內(nèi)外眾多專家對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。按照對(duì)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(xué)分析法和動(dòng)力學(xué)分析方法。 靜力學(xué)分析方法在設(shè)計(jì)初級(jí)階段被廣泛應(yīng)用，靜力分析與動(dòng)力分析相比較，靜力分析簡(jiǎn)單有效，耗時(shí)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(jié)構(gòu)物的偏移、恒定海流的影響等，但靜力分析時(shí)，建立的靜力平衡方程沒(méi)有考慮與加速度相關(guān)的慣性力項(xiàng)等非定常項(xiàng)的影響，尤其當(dāng)外荷載的頻率與系泊系統(tǒng)的頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的響應(yīng)將變得格外顯著。靜力學(xué)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(shù)學(xué)模型，懸鏈線法模型在推導(dǎo)時(shí)假定纜索在拉力作用下的伸長(zhǎng)可以忽略，即不考慮纜索的彈性變形影響，同時(shí)，假定纜索的自重較大，相比流的作用力可以忽略不計(jì)。正是由于懸鏈線法在推導(dǎo)過(guò)程中引入了過(guò)多的假設(shè)，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(dòng)態(tài)剛度變化等情況時(shí)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(yīng)用于初步設(shè)計(jì)階段，能夠研究系泊纜索的內(nèi)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(dǎo)基礎(chǔ)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(wú)躺底端的張緊式系泊的分析，同時(shí)，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(wèn)題。 目前采用靜力分析方法相對(duì)動(dòng)力分析方法，簡(jiǎn)單有效，API規(guī)范[3]推薦在系泊系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)時(shí)可采用擬靜力分析的方法進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)階段采用多種方法結(jié)合的方法進(jìn)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(guān)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(jìn)行迭代求解，將錨泊線的彈性考慮成單位質(zhì)量的不定性，并介紹了相關(guān)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(wèn)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(jié)果具有一般性。余龍和譚家華[7]對(duì)復(fù)合型系泊纜索進(jìn)行研究，提出了適合多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的分析方法。閆俊等[8]針對(duì)由三段浮容重、剛度和長(zhǎng)度都不相同的鏈索和浮筒組合而成的復(fù)合錨鏈系統(tǒng)，應(yīng)用分段外推法進(jìn)行靜力分析，研究結(jié)果為深水懸鏈?zhǔn)藉^泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一些參考。 動(dòng)力學(xué)分析方法目前比較成熟的研究方法主要是集中質(zhì)量法和細(xì)長(zhǎng)桿理論模型。集中質(zhì)量法是將水下纜索這種細(xì)長(zhǎng)的撓性構(gòu)件視為有限個(gè)彈簧質(zhì)量單元，這些單元在節(jié)點(diǎn)位置以鉸接的方式連接，不考慮系泊纜索的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，流等外力荷載作用于單元的節(jié)點(diǎn)上，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程，來(lái)模擬整個(gè)系泊纜索的特性。目前集中質(zhì)量法廣泛應(yīng)運(yùn)于拖曳纜索和系泊錨鏈的動(dòng)力性能分析。Huang Shan[9]通過(guò)集中質(zhì)量法研究提出了三維系泊纜動(dòng)力分析模型，準(zhǔn)確的模擬了系泊纜應(yīng)力突變狀態(tài)；程楠[10]采用三維集中質(zhì)量法建立了深海系纜模型，計(jì)算系纜的構(gòu)型和張力，研究了深海Spar平臺(tái)系泊纜索張力的突變規(guī)律，得到了一些有意義的結(jié)論；王磊[11]基于集中質(zhì)量法模擬了浮標(biāo)錨投放以及工作時(shí)纜索的受力情況，對(duì)于海洋觀測(cè)技術(shù)提供了借鑒；劉遠(yuǎn)傳[12]基于三維集中質(zhì)量法在OpenFOAM工具箱，開(kāi)發(fā)了船舶與海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,并詳細(xì)闡述了三維集中質(zhì)量法的數(shù)值分析方法；目前較為廣泛使用的Orcaflex系泊系統(tǒng)專業(yè)計(jì)算軟件，正是基于集中質(zhì)量法編制的[13]。 細(xì)長(zhǎng)桿理論假定構(gòu)件可以具有任意形狀，并且構(gòu)件是可變形的，最初該模型是由Garrett在經(jīng)典細(xì)長(zhǎng)桿理論基礎(chǔ)上提出的，最初細(xì)長(zhǎng)桿理論假定構(gòu)件變形前后微段弧長(zhǎng)不變即具有不可伸長(zhǎng)的特性[14],而后Mullarkey在Garrett理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展細(xì)長(zhǎng)桿理論，考慮了細(xì)長(zhǎng)桿微段的伸長(zhǎng)特性。基于可伸長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)桿理論，Ma and Webster開(kāi)發(fā)了三維整體坐標(biāo)系下的海洋撓性構(gòu)件數(shù)值分析程序CABLE3D，不過(guò)該程序并沒(méi)有考慮海底對(duì)于系泊纜索的摩擦效應(yīng)[15]。其后Chen and Zhang 在不可拉伸彈性細(xì)桿理論上，并考慮海底邊界條件對(duì)系泊纜索的摩擦，推出了Modified Cable3D 程序[16]。目前細(xì)長(zhǎng)桿理論日趨成熟，眾多學(xué)者利用該理論解決一系列的問(wèn)題，馬剛[17]基于彈性細(xì)桿理論對(duì)深海立管和系泊線動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了研究，解決了懸鏈線模型中動(dòng)態(tài)剛度問(wèn)題以及結(jié)構(gòu)極端細(xì)長(zhǎng)引起的幾何非線性問(wèn)題；唐友剛，張若瑜等[18]采用細(xì)長(zhǎng)桿理論模型很好的模擬深海聚酯纜的力學(xué)性能，得到了深海系泊纜的動(dòng)張力變化規(guī)律和力學(xué)特性；Ormberg and Larsen 基于細(xì)長(zhǎng)桿理論對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO的動(dòng)力耦合進(jìn)行了分析，介紹了耦合分析和不耦合分析對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響[19]。細(xì)長(zhǎng)桿模型是在三維笛卡爾整體坐標(biāo)系下建立的，可以對(duì)任意空間形狀的構(gòu)建進(jìn)行分析，分析簡(jiǎn)便，具有較廣的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： [1] 向溢，譚家華 碼頭系泊船舶纜繩張力的混沌解法[J],武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) [2] 余龍，譚家華 深水中懸鏈線錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展中國(guó)海洋平臺(tái)2004.6 24-28 [3] API Recommended Practice 2SK Third Edition for Design and Analysis of station keeping Systems for Floating Structures. OCT 2005 [4] Korkut M Dand Hebert E J, Some Notes on static Anchor chin curves. OTC 1160,1970.4 [5] Russell J Smith, Colin J Mac Farlane. Statics of a three component mooring line[J].Ocean Engineering,2001(28):899 [6] Chai Y T , Varyani K S , Barltrop N D P . Semi-analytical quasi-static formulation for three-dimensional partially grounded mooring system problems[J].Ocean Engineering,2002(29):627-649 [7] 余華 譚家華 基于準(zhǔn)靜定方法的多成分錨泊線優(yōu)化 海洋工程2005 23（1）：69-73 [8] 閆俊 喬?hào)|生 歐進(jìn)萍，深水懸鏈錨泊線串聯(lián)浮筒系泊靜力特性分析，第十六屆中國(guó)海洋工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2013.8 [9] S. Huang and D. Vassalos, Snap Loading of Marine Cables [C], Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, Osaka, Japan, International Offshore and Polar Engineers, 1994.Vol.11:304~31 [10] 程楠，集中質(zhì)量法在深海系泊沖擊張力計(jì)算中的應(yīng)用研究，中國(guó)碩士學(xué)位論文 [11] 王磊，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究，中國(guó)碩士學(xué)術(shù)論文 [12] 劉遠(yuǎn)傳，浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)數(shù)值分析模塊naoeFOAM-ms開(kāi)發(fā)，中國(guó)碩士學(xué)位論文 [13] Orcina. Ltd Orcaflex Manu, 2005 [14] Garret.D.L. Dynamic analysis of slender rods, Journal of Energy Resources Technology, Transaction of ASME, 1982, 104:302-307P [15] Ma W, Webster W C, An Analytical Approach to Cable Dynamics Theory and User Manual:SEA GRANT PROJECT R/OE-26,1994 [16] Chen X, Zhang J, Iranib P J A M. Dynamic analysis of mooring lines with inserted Springs. Applied Ocean Research,2002,23(5) [17] 馬剛，基于彈性細(xì)桿理論的深海立管和系泊線動(dòng)力學(xué)模型研究，中國(guó)碩士學(xué)位論文 [18] 唐友剛，張若瑜，劉利琴，胡楠，深海系泊系統(tǒng)動(dòng)張力有限元計(jì)算，海洋工程2009.11 10~17P [19] H. Ormberg, K. Larsen, Coupled analysis of floater motion and mooring dynamics for a turret-moored ship. Applied Ocean Research 20(1998)55-67 三、研究?jī)?nèi)容 1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（或技術(shù)） 學(xué)術(shù)構(gòu)思與思路主要如下： 對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要有明確的半潛平臺(tái)模型，首先根據(jù)已有平臺(tái)在SESAM軟件的GeniE模塊中進(jìn)行建模，依據(jù)API規(guī)范，選取合理的環(huán)境參數(shù)，在SESAM軟件中的HydroD模塊中計(jì)算相應(yīng)的水動(dòng)力參數(shù)，以這些水動(dòng)力參數(shù)作為輸入，利用SESAM軟件中DeepC模塊進(jìn)行耦合動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合API規(guī)范，進(jìn)行強(qiáng)度校核和定位校核，給出合理的系泊設(shè)計(jì)方案，然后改變系泊纜索的位置參數(shù)，進(jìn)行一定的優(yōu)化。通過(guò)學(xué)習(xí)現(xiàn)有的研究理論，基于靜力分析和動(dòng)力分析方法，對(duì)系泊纜索進(jìn)行研究，并以SESAM軟件中某一纜索的頂端節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程作為已知邊界條件，進(jìn)行張力分析，并與SESAM軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的問(wèn)題： （1） 依靠SESAM軟件進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。在SESAM軟件的GE模塊中，建立水動(dòng)力計(jì)算模型，生成T*.FEM文件，該文件包含半潛式鉆井水動(dòng)力計(jì)算所需的幾何信息；在HydroD模塊中計(jì)算結(jié)構(gòu)物的波浪荷載和運(yùn)動(dòng)相應(yīng)，生成相應(yīng)的G*.sif文件，該文件包含有結(jié)構(gòu)物的重量、附加質(zhì)量、流力和風(fēng)力系數(shù)，一階波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)和波浪漂流力系數(shù)數(shù)據(jù)；在DeepC模塊中進(jìn)行系泊與結(jié)構(gòu)物的耦合動(dòng)力分析，提取關(guān)鍵點(diǎn)的張力和位移時(shí)程信息，驗(yàn)算系泊系統(tǒng)強(qiáng)度是否滿足要求，驗(yàn)算平臺(tái)的水平偏移能否滿足鉆井作業(yè)要求。 （2） 系泊系統(tǒng)纜索屬于撓性構(gòu)件，不能承受剪力和彎矩，調(diào)研現(xiàn)今的系泊纜的分析理論，包括靜力學(xué)分析理論和動(dòng)力學(xué)分析理論，對(duì)一條系泊纜索做數(shù)值模擬，模擬的結(jié)果與SESAM軟件計(jì)算的結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值方法的正確性。 2． 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析 研究方法： （1） 查閱文獻(xiàn)，查閱現(xiàn)今系泊纜索的分析理論，為數(shù)值模擬程序的編寫(xiě)做準(zhǔn)備；查閱系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，包括環(huán)境條件的選取、分析方法、校核方法等，為驗(yàn)證系泊系統(tǒng)的合理性提供評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。 （2） 借助SESAM軟件專業(yè)的分析工具，計(jì)算系泊系統(tǒng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比，驗(yàn)證系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。 （3） 基于MATLAB軟件語(yǔ)言，對(duì)系泊纜索的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，在利用SESAM軟件來(lái)驗(yàn)證編寫(xiě)程序的正確性。 技術(shù)路線： 主要分為以下幾個(gè)步驟： （1） 查閱文獻(xiàn)，掌握和了解系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的必要數(shù)據(jù)和判斷標(biāo)準(zhǔn)。 （2） 總結(jié)現(xiàn)今系泊系統(tǒng)的分析理論，并編寫(xiě)相應(yīng)的程序，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)值算例驗(yàn)證。 （3） 根據(jù)查找得到的數(shù)據(jù)，給出初步的系泊設(shè)計(jì)方案，利用SESAM軟件對(duì)系泊設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，并與文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)算設(shè)計(jì)是否合理。 （4） 對(duì)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行有目的的改變，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。 實(shí)施方案： （1） 查閱的文獻(xiàn)包含具有權(quán)威性的設(shè)計(jì)規(guī)范，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的規(guī)范是API規(guī)范；系泊纜索分析理論，查閱了具有影響度較大的中英文文獻(xiàn)，保證系泊設(shè)計(jì)的合理性和理論學(xué)習(xí)的正確性。 （2） 總結(jié)理論分析，對(duì)靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行公式的推導(dǎo)，依據(jù)得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式，借助現(xiàn)今許多的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解，依托MATLAB軟件編寫(xiě)求解程序，分析數(shù)值算例與專業(yè)的SESAM軟件計(jì)算結(jié)果做比較，驗(yàn)證理論理解的正確性。 （3） 根據(jù)API規(guī)范，選擇設(shè)計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)風(fēng)、浪、流等環(huán)境數(shù)據(jù)，利用SESAM軟件的GE模塊輸出T*.FEM文件，在HydroD模塊中進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到包含有結(jié)構(gòu)物質(zhì)量、附加質(zhì)量、流力和風(fēng)力系泊、RAO等數(shù)據(jù)的G*.sif文件，在DeepC模塊中進(jìn)行耦合動(dòng)力學(xué)分析，提取平臺(tái)危險(xiǎn)點(diǎn)的張力時(shí)程信息和系泊點(diǎn)的水平位移信息，參考API規(guī)范，驗(yàn)證系泊方案的合理性。 （4） 在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，改變錨泊點(diǎn)的位置，提取相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的系泊張力和頂端的位移，依此為評(píng)判依據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 可行性分析： （1） 指導(dǎo)老師學(xué)識(shí)淵博，負(fù)責(zé)國(guó)家自然科學(xué)金項(xiàng)目，在流固耦合等方面有許多研究成果，對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)，能夠很好的指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。 （2） 目前的分析理論比較成熟，自身對(duì)本科專業(yè)的學(xué)習(xí)能夠理解本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，自身參加過(guò)許多科研項(xiàng)目比賽，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽獲山東省一等獎(jiǎng)，大學(xué)生船舶與海洋工程設(shè)計(jì)大賽全國(guó)三等獎(jiǎng)，兩次參與了SRDP項(xiàng)目，能夠完成程序編寫(xiě)和理論學(xué)習(xí)等任務(wù)。 （3） 目前商用軟件等日漸成熟，求解能力強(qiáng)大，可以有效幫助自身完成數(shù)值計(jì)算分析工作。 （4） 中國(guó)海洋大學(xué)圖書(shū)館電子書(shū)籍眾多，可滿足文獻(xiàn)查閱的需求。 四、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排 起止時(shí)間 主要內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第一周 搜集相關(guān)資料，熟悉規(guī)范 搜集到半潛式鉆井平臺(tái)的主要尺度，明確設(shè)計(jì)內(nèi)容 第二周 熟悉SESAM/GeniE模塊 建立半潛式平臺(tái)的有限元模型 第三～四周 熟悉SESAM/HydroD、DeepC模塊 計(jì)算得到半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)分析 第五周 整理分析結(jié)果 完成初步設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行相應(yīng)的系泊系統(tǒng)優(yōu)化 第六～九周 學(xué)習(xí)系泊纜索的基礎(chǔ)理論 編寫(xiě)相應(yīng)的程序進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證 第十~十一周 撰寫(xiě)論文，答辯 按要求撰寫(xiě)論文，通過(guò)答辯 五、審核意見(jiàn) 導(dǎo)師意見(jiàn) 導(dǎo)師簽字: 年 月 日 所在專業(yè)意見(jiàn) 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 注：1、表格不夠可加附頁(yè)。 11