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隨著深海石油開采技術(shù)蓬勃發(fā)展，性能出眾的采油平臺層出不窮。目前，世界范圍內(nèi)用于深水油氣開采的浮式平臺主要分為四類：半潛式平臺(Semi-Submersible)、張力腿平臺(TLP)，Spar平臺以及浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)FPSO。Truss Spar作為第二代Spar平臺以其良好的運動性能和經(jīng)濟性能成為了深海采油的主力軍。Truss Spar各自由度運動周期較大，遠離波頻范圍，但二階波浪力的激勵頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近，所以系統(tǒng)會有較大運動響應(yīng)。研究考慮了平臺在多種環(huán)境載荷聯(lián)合作用，以南海百年一遇環(huán)境載荷下的縱橫搖為重點，在頻域內(nèi)進行了平臺運動響應(yīng)分析。以譜分析法確定的設(shè)計波參數(shù)，結(jié)合規(guī)范推薦的風、流荷載計算公式，以及運動響應(yīng)分析輸出的縱橫搖位移、錨纜張力作為設(shè)計載荷，對平臺結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析。
1 幾何模型與平臺尺寸
Truss Spar主體結(jié)構(gòu)分為四部分，由下至上分別為軟艙、中段、硬艙和上部模塊。軟艙存放固定壓載，降低平臺重心。中段分為析架和垂蕩板，析架在連接軟艙和硬艙的同時由于其小投影而積降低了波浪及海流對平臺的荷載，垂蕩板提高系統(tǒng)附加質(zhì)量和阻尼減小垂蕩響應(yīng)。硬艙是封閉式圓柱體，有方形中央井貫穿，分為多層艙結(jié)構(gòu)，為主要的浮力來源。上部模塊為安裝采油設(shè)備、生活區(qū)、直升機甲板的重要生產(chǎn)模塊。目標平臺尺寸參數(shù)如表所示，坐標系位于軟艙底部中心。
2 運動響應(yīng)分析
2.1 環(huán)境載荷與錨泊系統(tǒng)參數(shù)
根據(jù)南海百年一遇海況條件參數(shù)和JONSWAP波譜公式得到的波浪譜如圖所示。
研究的Truss Spar平臺采用3組共9根系泊索組成的懸鏈線系泊系統(tǒng)，圖為系泊系統(tǒng)布置圖。每根系泊線由三段系泊索組成，各段的材料幾何特性如表所示。
2.2 水動力模型與運動方程
通過ANSYS-AQWA對平臺進行水動力計算和輸出，采用AQ WA進行建模時，需根據(jù)平臺構(gòu)件尺寸大小來選擇合適的單元類型。對于大尺度結(jié)構(gòu)物為結(jié)構(gòu)的特征長度，L為入射波長，如平臺的下浮體和立柱，由于尺寸較大，其興波輻射作用較為突出，故采用Panel單元進行建模，作用其上的水動力根據(jù)三維勢流理論進行計算獲得;而對于小尺度構(gòu)件(D/L<0.2)，如Truss Spar平臺的析架結(jié)構(gòu)，粘性力在其水動力中占較大成分，故采用Morison單元進行建模，作用其上的水動力采用Morison公式進行計算，最終得到平臺主體及其系泊索的禍合計算模型如圖所示。
2.3 運動響應(yīng)
對Truss Spar平臺在風、浪、流聯(lián)合作用下的總體運動響應(yīng)進行數(shù)值模擬，得到不同風浪流入射方向及不同重現(xiàn)期下平臺的運動響應(yīng)譜。由于平臺運動在搖動方向產(chǎn)生的位移會使平臺發(fā)生傾斜，平臺所受對稱的浮力分布將發(fā)生變化。而上部模塊、軟艙有較大的集中質(zhì)量，硬艙中的質(zhì)量分布也不均勻，使傾斜的結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受較大的彎矩，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力響應(yīng)。因此，以縱搖和橫搖的響應(yīng)為例分析平臺運動響應(yīng)。
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