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 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 摘要 本論文以某第六代半潛式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)對(duì)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(jì)算系泊線的形狀，并考慮系泊線頂端受到位移激勵(lì)而引起的動(dòng)力響應(yīng)，建立了平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的頻域耦合動(dòng)力分析模型。 通過(guò)兩個(gè)經(jīng)典算例比較了遺傳算法和粒子群算法，綜合考慮準(zhǔn)確性、快捷性、穩(wěn)定性和簡(jiǎn)便性，最終選取表現(xiàn)優(yōu)秀的算法——粒子群算法作為半潛式鉆井平臺(tái)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(dòng)力分析模型在頻域內(nèi)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(mǎn)足強(qiáng)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(jīng)濟(jì)性好。 依據(jù)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(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示優(yōu)化后的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足強(qiáng)度、限位和觸底要求，并且安全系數(shù)相對(duì)合理，系泊性能有所提高。 關(guān)鍵詞：系泊系統(tǒng)；中深水半潛式鉆井平臺(tái)；耦合動(dòng)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(tái)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 半潛式鉆井平臺(tái)的特點(diǎn) 2 1.2.2 半潛式鉆井平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究進(jìn)展 5 1.3.1系泊系統(tǒng)的組成和分類(lèi) 5 1.3.2系泊系統(tǒng)的研究方法及現(xiàn)狀 7 1.3.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)與挑戰(zhàn) 8 1.4 優(yōu)化算法在海洋工程中的應(yīng)用 9 1.5 論文的研究?jī)?nèi)容 11 1.5.1 主要研究問(wèn)題 11 1.5.2 研究?jī)?nèi)容與方向 11 第二章系泊浮體頻域耦合動(dòng)力分析模型建立 13 2.1 系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)模型 13 2.1.1 傳統(tǒng)懸鏈線方程的推導(dǎo) 13 2.1.2考慮軸向變形的控制方程的推導(dǎo) 14 2.1.3多成分系泊線的柔性迭代 16 2.1.4系泊線的簡(jiǎn)化動(dòng)力響應(yīng)模型 21 2.2耦合動(dòng)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(jì)算 22 2.2.2耦合動(dòng)力分析模型的建立 23 2.2.3響應(yīng)極值求解 24 2.3本章小結(jié) 25 第三章智能優(yōu)化算法的對(duì)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(duì)比 30 3.3.1多元函數(shù)的極小值問(wèn)題算例 31 3.3.2十桁架問(wèn)題算例 41 3.4本章小結(jié) 49 第四章 基于粒子群算法的系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 50 4.1平臺(tái)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(shè)計(jì)工況的選取 54 4.3平臺(tái)水動(dòng)力分析結(jié)果 55 4.3.1水動(dòng)力模型 55 4.3.2附加質(zhì)量和阻尼 56 4.3.3波浪力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù) 58 4.4系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的方案 64 4.5本章小結(jié) 68 第五章 時(shí)域耦合動(dòng)力分析驗(yàn)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(shí)域分析結(jié)果 71 5.3.1張力分析結(jié)果（正常、斷錨穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)） 71 5.3.2平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果 85 5.3.3錨索觸底判斷 86 5.4本章小結(jié) 88 第六章總結(jié)與展望 89 6.1本論文完成的主要工作 89 6.2進(jìn)一步研究展望 90 參考文獻(xiàn) 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(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，海洋石油開(kāi)采日益迫切。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)，如圖1.1。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)。 （a）半潛式平臺(tái)示意圖 （b）張力腿平臺(tái)示意圖 （c）FPSO示意圖 （d）Spar平臺(tái)示意圖 圖1.1、浮式結(jié)構(gòu)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(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。半潛式平臺(tái)是典型的海上浮式結(jié)構(gòu)物，適用水深廣，應(yīng)用潛力大，也是我國(guó)近年大力發(fā)展的海洋裝備，本文針對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.2、半潛式平臺(tái)的組成及特點(diǎn) 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，如圖1.2。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。半潛式平臺(tái)優(yōu)良的性能使其具有良好的鉆井和生產(chǎn)能力。 圖1.2、半潛式鉆井平臺(tái)示意圖 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?！昂Ｑ笫?81”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)，如圖1.3，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)，可在南海、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)。 圖1.3、“海洋石油981”平臺(tái) 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，如圖1.4為半潛式起重船。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。 圖1.4、半潛式起重船 1.3、系泊系統(tǒng)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀 1.3.1、系泊系統(tǒng)簡(jiǎn)介 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)较挡础霃埦o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。 圖1.5、半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)示意圖 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，如圖1.5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，如圖1.6所示，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)较挡聪啾龋瑥埦o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。 （a） 懸鏈?zhǔn)较挡? （b）張緊式系泊 圖1.6、半潛式平臺(tái)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(dá)到懸鏈線狀態(tài)；鋼纜是靠自身較大的剛度達(dá)到張緊式系泊線的效果，成本也比鏈條低；對(duì)于深水浮式結(jié)構(gòu)張緊式系泊系統(tǒng)，質(zhì)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(jié)構(gòu)和海底錨部分。錨鏈分為有橫檔錨鏈和無(wú)橫檔錨鏈兩種。有檔鏈易于操作，不易扭結(jié)，能夠增加鏈條的抗彎能力，但橫檔已松動(dòng)，可能導(dǎo)致鏈條局部疲勞，橫檔脫落會(huì)對(duì)整體系泊系統(tǒng)產(chǎn)生難以估算的影響；無(wú)檔鏈條比有檔鏈輕，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，也能夠具有很好的抗彎能力。目前，有檔鏈主要用于暫時(shí)性和移動(dòng)式的系泊系統(tǒng)，而無(wú)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(gòu)成鏈環(huán)的鋼條直徑，也稱(chēng)為有義直徑D，整個(gè)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(guān)，如圖1.7為浙江雙鳥(niǎo)集團(tuán)生產(chǎn)的有檔錨鏈和無(wú)檔錨鏈?zhǔn)疽鈭D。 （a）、有檔錨鏈 （b）、無(wú)檔錨鏈 圖1.7、有檔鏈條和無(wú)檔鏈條 鋼纜與相同破壞強(qiáng)度的鏈條相比，鋼纜的質(zhì)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(jià)格低，多用于可移動(dòng)式系泊系統(tǒng)。螺旋股式的鋼纜具有較強(qiáng)的縱向剛度和扭轉(zhuǎn)平衡，旋轉(zhuǎn)損耗低，通常用聚乙烯進(jìn)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(duì)較少。對(duì)于鋼纜結(jié)構(gòu)，一下兩個(gè)參數(shù)直接決定其特性：鋼絲繩股數(shù)，每股鋼絲繩鋼絲數(shù)。選擇鋼纜類(lèi)型時(shí)，不僅要關(guān)心其破壞強(qiáng)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(shí)際上是矛盾的關(guān)系，因此在實(shí)際的決策當(dāng)中要根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)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(mǎn)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(zhì)使其在變形時(shí)產(chǎn)生三種應(yīng)變：普通應(yīng)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(dāng)外力去除后能夠恢復(fù)的應(yīng)變；高彈性應(yīng)變；不能恢復(fù)的塑性變形。目前纖維纜索的性質(zhì)比較復(fù)雜，研究結(jié)果也具有一定的矛盾性，在應(yīng)用時(shí)需謹(jǐn)慎考慮。 選擇系泊線的材料時(shí)，首先要掌握其決定自身特性的參數(shù)。決定系泊線材料特性的重要參數(shù)主要有：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的濕重w，軸向剛度EA，破壞強(qiáng)度Fb等。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，因此也形成了基本計(jì)算公式，但對(duì)于設(shè)計(jì)者，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已有的資料往往是非常有限的，通常會(huì)缺少關(guān)于系泊線的材料特性的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這時(shí)可參考業(yè)界認(rèn)可的基本計(jì)算公式進(jìn)行初步的計(jì)算分析。以下是鏈條和纜繩的計(jì)算公式，由于合成纖維的材料不一計(jì)算公式不統(tǒng)一，在此不給出相應(yīng)的表達(dá)式。 有檔鏈條： （1.1） 無(wú)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(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(zhuān)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(lèi)：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,如圖1.9為集中質(zhì)量法分析模型。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(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，正是基于集中質(zhì)量法編制的[13]。 圖1.9、集中質(zhì)量法分析模型示意圖 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，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?；诳缮扉L(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，如圖1.10為細(xì)長(zhǎng)桿理論的分析模型。 圖1.8、細(xì)長(zhǎng)桿理論模型 1．4、本文主要工作 本文主要對(duì)目前系泊纜索的分析理論進(jìn)行學(xué)習(xí)，并借助 和 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，驗(yàn)證理論的合理性，加深對(duì)系泊系統(tǒng)影響因素的分析。最后針對(duì)某一目標(biāo)平臺(tái)和某一海域的環(huán)境條件進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范校核系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。本論文的構(gòu)思如下： 第一章，查閱文獻(xiàn)，了解半潛式鉆井平臺(tái)的有點(diǎn)和組成；系泊系統(tǒng)的分類(lèi)、組成和分析理論。 第二章，分析了半潛平臺(tái)在海洋中主要受到的海洋環(huán)境荷載。詳細(xì)介紹了風(fēng)、浪和流環(huán)境的描述方法和環(huán)境荷載計(jì)算方法，針對(duì)環(huán)境要素波浪的波浪理論和大型浮體的在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)理論進(jìn)行了敘述。 第三章，基于第二章的海洋荷載計(jì)算分析理論，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)，借助 軟件中的 模塊，基于三維勢(shì)流理論和 公式計(jì)算得到了目標(biāo)平臺(tái)的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)和目標(biāo)平臺(tái)六自由度的幅值響應(yīng)算子，為系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力分析做準(zhǔn)備。 第四章，從單根系泊纜索的靜力分析理論入手，通過(guò) 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(duì)系泊纜索靜力特性的影響。對(duì)單根系泊纜索基于三維集中質(zhì)量法進(jìn)行了動(dòng)力分析理論的學(xué)習(xí)，通過(guò)數(shù)值模擬得到了浮式結(jié)構(gòu)物振蕩頻率對(duì)系泊張力影響關(guān)系。最后對(duì)系泊系統(tǒng)整體分析理論進(jìn)行了總結(jié)學(xué)習(xí)。 第五章，基于第二章和第四章的理論，初步設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)方案，利用第三章借助 軟件得到的目標(biāo)平臺(tái)附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)矩陣和幅值響應(yīng)算子，進(jìn)行耦合動(dòng)力學(xué)分析，參考 設(shè)計(jì)規(guī)范，驗(yàn)算系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，給出系泊設(shè)計(jì)方案。 全文理論和實(shí)踐相結(jié)合，從學(xué)術(shù)研究上，對(duì)系泊系統(tǒng)涉及到的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，具有很好的學(xué)習(xí)和參考意義；從工程設(shè)計(jì)上，本文進(jìn)行的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算 海上結(jié)構(gòu)物與陸上結(jié)構(gòu)物相比，海洋工程結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境更加惡劣，如何準(zhǔn)確的給出環(huán)境資料，直接關(guān)系到系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。通常人們不能給出特定海域每一時(shí)刻的環(huán)境資料，當(dāng)然這樣做也是毫無(wú)意義的，人們通過(guò)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，得到了能夠表征環(huán)境的特征資料，根據(jù)數(shù)值模擬來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)情況下的海洋環(huán)境情況，這對(duì)工程起了很大的幫助。海洋工程中對(duì)半潛式平臺(tái)影響較大的海洋環(huán)境包括風(fēng)、波浪和海流（無(wú)冰區(qū)，有冰區(qū)應(yīng)考慮冰環(huán)境的影響），三者的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)是分別進(jìn)行的，在工程中如何將三者進(jìn)行工況組合至關(guān)重要。根據(jù)海洋環(huán)境資料可分別按照不同的計(jì)算理論計(jì)算得到響應(yīng)環(huán)境荷載，將荷載施加到海洋工程結(jié)構(gòu)物中，建立運(yùn)動(dòng)平衡方程，即可求得海洋工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。 2.1、風(fēng) 風(fēng)是空氣由高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動(dòng)，風(fēng)的特征可以用風(fēng)速和風(fēng)向來(lái)表示，風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)變量，它隨著建筑物所在位置、觀測(cè)設(shè)備所處的高度、觀測(cè)時(shí)距等因素的變化而變化。因此風(fēng)速的資料取值具有一定的標(biāo)準(zhǔn)包括風(fēng)速觀測(cè)設(shè)備距海平面的標(biāo)準(zhǔn)高度，風(fēng)速觀測(cè)的時(shí)距等等；風(fēng)向一般取所在地點(diǎn)的氣候有關(guān)，每個(gè)地點(diǎn)風(fēng)向具有一定盛行風(fēng)向，為了工程設(shè)計(jì)和使用的方便，人們根據(jù)風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)資料，常常繪制成外形酷似盛開(kāi)的風(fēng)玫瑰圖。本文采用 規(guī)范選取設(shè)計(jì)風(fēng)速，按盛行方向選取風(fēng)速方向。 2.1.1、風(fēng)譜 API規(guī)范在計(jì)算風(fēng)荷載的作用時(shí)，一般采取以下兩種方法：（1）將風(fēng)的大小和方向作為定值處理時(shí)，應(yīng)采用1分鐘的平均風(fēng)速；（2）脈動(dòng)風(fēng)速應(yīng)基于1小時(shí)的平均風(fēng)速加上隨時(shí)間變化的陣風(fēng)風(fēng)譜。對(duì)于永久性系泊系統(tǒng)，應(yīng)采用方法二進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于本文半潛式鉆井平臺(tái)屬移動(dòng)式平臺(tái)，兩種方法皆可，本文采用第二種方法。 風(fēng)譜可選擇NPD風(fēng)譜和API風(fēng)譜，NPD風(fēng)譜在長(zhǎng)周期超過(guò)500秒的計(jì)算中有顯著的不確定性，API規(guī)范規(guī)定，對(duì)于系泊系統(tǒng)的動(dòng)力計(jì)算應(yīng)計(jì)算至少3小時(shí)，因此本文采用API風(fēng)譜。API風(fēng)譜的計(jì)算如下： API風(fēng)譜計(jì)算陣風(fēng)因子等都由一個(gè)參數(shù)確定，但在確定API風(fēng)譜時(shí)，應(yīng)引入另一參數(shù) 。在 處一小時(shí)的平均風(fēng)速由下式確定： （2.1） 其中： ：海平面以上 處一小時(shí)的平均風(fēng)速（ ）。 ：海平面以上10米處一小時(shí)的平均風(fēng)速（ ）。 ：距海平面的距離（ ）。 ：測(cè)試距離，海平面以上10米處。 陣風(fēng)風(fēng)速在海平面以上 處隨時(shí)間的變化的關(guān)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(shí)刻的平均陣風(fēng)風(fēng)速（ ）。 風(fēng)譜是風(fēng)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(shí)持續(xù)風(fēng)速11m/s的風(fēng)譜圖： 圖2.1、API風(fēng)譜圖 2.1.2、風(fēng)載荷的計(jì)算 作用在半潛式海洋平臺(tái)的風(fēng)載荷可按下式計(jì)算： （2.4） 式中： 為受風(fēng)設(shè)備表面上的風(fēng)壓， ， 為受風(fēng)面積， ， 受到的風(fēng)載荷大小， 。 一般計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，通常是以某一標(biāo)準(zhǔn)高度的風(fēng)速對(duì)指定形狀的受風(fēng)構(gòu)件產(chǎn)生的風(fēng)壓作為基本風(fēng)壓，再對(duì)受風(fēng)高度和形狀進(jìn)行修正，依據(jù) 定理得基本風(fēng)壓計(jì)算公式： （2.5） 式中： 為基本風(fēng)壓； 為空氣重度取 ；重力加速度取 ； 為基本風(fēng)速，在 規(guī)范中取海平上 處的風(fēng)速值，對(duì)高度和形狀進(jìn)行修正后，風(fēng)壓公式為： （2.6） 式中： 為風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù)， 為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)。 對(duì)于半潛式平臺(tái)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(dòng)風(fēng)速作用下，會(huì)發(fā)生明顯的動(dòng)力響應(yīng)。因此在設(shè)計(jì)高聳建筑時(shí)，除了應(yīng)考慮因平均風(fēng)速產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓外，還應(yīng)考慮因脈動(dòng)風(fēng)速產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓，工程上采用動(dòng)力放大系數(shù)對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行修正，此時(shí)風(fēng)荷載的計(jì)算公式為： （2.7） 表2.1、2.2分別給出了計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)和高度系數(shù)。 表2.1、計(jì)算風(fēng)載荷結(jié)構(gòu)形狀系數(shù) 外漏面積 形狀系數(shù)Cs 圓柱形 0.5 水線面以上的船體 1 甲板室 1 獨(dú)立的結(jié)構(gòu)（吊機(jī)、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(jì)算風(fēng)載荷時(shí)的高度系數(shù) 水平面以上受風(fēng)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(tái)結(jié)構(gòu)遭受的主要荷載。波浪力不但隨著波高的增大而增加，當(dāng)波周期與半潛式平臺(tái)的自振周期接近時(shí)，還會(huì)發(fā)生明顯載荷放大，從而可能對(duì)半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成破壞。海洋中水體的波動(dòng)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(fēng)引起的重力波，是半潛平臺(tái)需要考慮的主要荷載來(lái)源。這種由風(fēng)引起的重力波主要包括風(fēng)浪和涌浪，風(fēng)浪是指風(fēng)直接作用下產(chǎn)生的波浪。風(fēng)停止、轉(zhuǎn)向或離開(kāi)風(fēng)區(qū)后，傳播至無(wú)風(fēng)水域的波浪則成為涌浪。本節(jié)將詳細(xì)講述波浪理論，波譜以及波浪載荷和響應(yīng)分析理論。 2.2.1、波浪理論 波浪載荷計(jì)算的準(zhǔn)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(shè)波浪運(yùn)動(dòng)作有勢(shì)運(yùn)動(dòng)，流體是無(wú)粘性不可壓縮的均勻流體，其邊界條件滿(mǎn)足 方程： （2.8a） 海底邊界條件： （海底水平） （2.8b） 自由液面運(yùn)動(dòng)邊界條件： （2.8c） 自由液面動(dòng)力邊界條件： （2.8d） 上述邊界條件構(gòu)成了波動(dòng)方程的定解條件，線性波浪理論假定波幅和波高相對(duì)于波長(zhǎng)是無(wú)限小，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度緩慢，從而將上述邊界條件進(jìn)行線性化，求解上述波動(dòng)方程即可一階波浪運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)函數(shù)和波剖面方程： (2.9) 對(duì)于非線性波而言，波浪的波高和波長(zhǎng)之比不能視為無(wú)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(dòng)級(jí)數(shù)進(jìn)行求解，即假定速度勢(shì)和波面可按某一小參數(shù) 進(jìn)行攝動(dòng)展開(kāi)： (2.10) 將上述展開(kāi)式帶入邊界條件，可對(duì)每一階進(jìn)行求解，對(duì)二階求解的結(jié)果即為 二階波，其求解得到的波浪速度勢(shì)函數(shù)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(shì)函數(shù) 和波面方程 ，如圖2.2為線性波和 二階波對(duì)比圖。 圖2.2、波剖面對(duì)比圖 2.2.2、波浪譜 大量觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)際海面是由不同波高、周期和方向的波浪組成的，根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)分析，可以將波浪視為無(wú)限多個(gè)隨機(jī)的簡(jiǎn)單余弦波疊加的而結(jié)果，這樣對(duì)于某一海域的波浪在不同周期上波高也會(huì)不同，海洋工程中用海浪譜來(lái)描述其組成波的能量分布，波浪譜作為描述復(fù)雜波浪的有效手段，已應(yīng)用于深水浮式平臺(tái)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的動(dòng)力計(jì)算。 迄今為止，已經(jīng)提出了許多風(fēng)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(wèn)題中得到應(yīng)用。 譜是單參數(shù)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(jù)北大西洋的實(shí)測(cè)資料推導(dǎo)而來(lái)，適用于外海無(wú)限風(fēng)區(qū)充分成長(zhǎng)的波浪。 譜是經(jīng)驗(yàn)譜，由于所依據(jù)的資料比較充分，分析方法比較簡(jiǎn)便，使用也比較方便，因此在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)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(guó)、荷蘭、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家聯(lián)合進(jìn)行“聯(lián)合北海波浪計(jì)劃”期間提出 譜。測(cè)站較多，由測(cè)得的2500個(gè)譜導(dǎo)出的風(fēng)浪譜。 譜適用于中等風(fēng)況和有限風(fēng)距情況下測(cè)得的，多數(shù)使用經(jīng)驗(yàn)表明，此譜和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合性較好，而且適用于不同成長(zhǎng)階段的風(fēng)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(shù) 一般取： 為譜峰升高因子， 的觀測(cè)值為1.5~6，平均值為3.3。系數(shù) 為無(wú)因次風(fēng)區(qū)函數(shù)和有義波高、譜峰升高因子有以下關(guān)系： 如圖為有效波高為 的 和 波浪譜。 圖2.3、 譜和 譜的對(duì)比圖 2.2.3、波浪載荷計(jì)算 半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的波浪誘導(dǎo)載荷主要是波浪產(chǎn)生的壓力場(chǎng)所致，一般波浪誘導(dǎo)載荷分為三種：拖曳力、慣性力和繞射力。【Hogben】波浪誘導(dǎo)載荷對(duì)于不同結(jié)構(gòu)物所占的分量并不是同等重要的，其大小取決于結(jié)構(gòu)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(jù)構(gòu)件的尺度大小來(lái)選擇計(jì)算的方法。對(duì)于小尺度的構(gòu)件，波浪的拖曳力和慣性力是主要的分量，對(duì)于大尺度構(gòu)件，波浪的慣性力和繞射力是主要的分量。半潛式平臺(tái)既包含有大尺度的浮箱、立柱等結(jié)構(gòu)物，也包含有小尺度的撐桿，系泊纜索等，因此在半潛式平臺(tái)波浪荷載和海流荷載計(jì)算中需對(duì)兩種尺度的構(gòu)件分別采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算，本節(jié)將敘述兩種計(jì)算方法的原理。 2.2.3.1、小尺度構(gòu)件波浪力的計(jì)算 對(duì)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(gòu)件（ ， 結(jié)構(gòu)尺寸， 波長(zhǎng)）。目前莫里森（ ）方程已被廣泛用于計(jì)算同波長(zhǎng)相比較小的結(jié)構(gòu)物的波浪力【Morison】。該理論假定，細(xì)長(zhǎng)柱體的存在不對(duì)波浪場(chǎng)產(chǎn)生影響，波浪對(duì)柱體的作用主要是由粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)引起。 將波浪力分為同加速度成正比的慣性力項(xiàng)和與速度的平方成正比的拖曳力項(xiàng)，具體表達(dá)式如下： （2.15） 式中， 單位長(zhǎng)度的波浪力， ； 所處流場(chǎng)液體密度， ; ,迎流方向上的投影面積， ； 波浪誘導(dǎo)產(chǎn)生的速度和加速度， ； 迎流方向構(gòu)件的體積， ； 為無(wú)量綱拖曳力系數(shù)， 附加質(zhì)量系數(shù)。 在半潛式平臺(tái)中，一般浮體以及鏈索不是固定靜止的而是隨時(shí)間變化不斷運(yùn)動(dòng)的，因此上式的速度、加速度應(yīng)采用相對(duì)速度和加速度，上式可改寫(xiě)為： （2.16） 式中， 是物體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度， 。對(duì)上述式，進(jìn)行積分即可得波浪作用在整個(gè)物體上的波浪力： （2.17） 公式是針對(duì)光滑柱體試驗(yàn)提出的，而在實(shí)際的海洋環(huán)境中，海洋工程結(jié)構(gòu)物中由于銹蝕、海洋生物附著等原因，其拖曳力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)會(huì)有所改變。為了確定 ， ，必須進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)和分析，為了使用方便，各國(guó)船級(jí)社和有關(guān)部門(mén)對(duì) 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(shù)值名稱(chēng) 美國(guó)API 挪威DNV 英國(guó)DTI 波浪理論 Stokes五階波，流函數(shù) Stokes五階波 根據(jù)實(shí)際 拖曳力系數(shù) 0.6-1.0 0.5-1.2 水深 質(zhì)量系數(shù) 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(shí)驗(yàn)結(jié)果 波浪理論有關(guān) , 的，高雷諾數(shù)時(shí) 2.2.3.2、作用在半潛平臺(tái)的波浪