專利名稱：深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深海平臺參激-內(nèi)共振耦合振動分析方法與控制技術(shù)，具體涉及深海 平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析程序及振動控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
1000米以上的深水海域，采用經(jīng)典SPAR平臺或者桁架式SPAR平臺進行石油開采， 而平臺系泊系統(tǒng)采用鋼纜或者聚酯纜。近年來的國外實驗和工程實際結(jié)果表明，由于該種 平臺結(jié)構(gòu)形式的特點，平臺垂蕩和縱搖模態(tài)成2 1內(nèi)共振關(guān)系，當平臺主體垂蕩運動幅值 加大時，引起平臺縱搖運動失穩(wěn)進入大幅混沌運動狀態(tài)，這稱之為參激-內(nèi)共振耦合運動。統(tǒng)計表明，Spar平臺的縱蕩和橫蕩固有周期一般在150 350s，縱搖和橫搖固有 周期一般在40 80s，垂蕩固有周期大約為25 40s，并且垂蕩和縱搖之間固有頻率滿足 2 1的模態(tài)內(nèi)共振關(guān)系。當波浪載荷頻率接近垂蕩固有頻率時，激起大幅垂蕩共振運動， 當波浪激勵幅值超過臨界值時，垂蕩能量轉(zhuǎn)移到縱搖，導致平臺縱搖運動失去穩(wěn)定性并且 縱搖劇烈，在墨西哥灣作業(yè)的Spar平臺，其垂蕩和縱搖固有頻率大約分別為2 1，觀察到 了長周期波浪時，平臺垂蕩和縱搖模態(tài)之間的相互作用以及運動失穩(wěn)后的劇烈運動現(xiàn)象。深海SPAR平臺的參激-內(nèi)共振耦合運動特性嚴重威脅平臺運行的安全，引起平臺 主體運動劇烈，系泊線動張力突變和采油立管的大幅擺動，導致系泊線和立管的疲勞破壞， 減小系泊線和立管的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振 耦合振動分析與控制方法，采用本方法可以識別平臺是否發(fā)生參激-內(nèi)共振，并且對參 激-內(nèi)共振引起的大幅縱搖運動進行控制，確保深海平臺的作業(yè)安全。本發(fā)明的深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法，它包括以下 步驟(1)對平臺和纜繩進行靜力分析，確定平臺的固有振動特性；(2)將靜力分析的計算結(jié)果作為動力分析的條件，分析不同波高和波浪頻率對平 臺和系泊耦合系統(tǒng)動力學特性的影響，計算平臺的參激-內(nèi)共振耦合運動幅值隨時間的變 化，判斷平臺是否發(fā)生參激-內(nèi)共振；(3)對于發(fā)生參激-內(nèi)共振耦合運動狀態(tài)，則調(diào)整硬倉和軟艙的壓載系統(tǒng)，改變平 臺主體的重心位置和浮心位置以調(diào)整平臺垂蕩、縱搖固有頻率之比，使平臺主體縱搖運動 得到抑制；(4)重復所述的步驟(1)至步驟(3)，直至平臺運動趨于安全。本發(fā)明的突出優(yōu)點是應用本發(fā)明方法，對不同形式的深海SPAR平臺，考慮不同的海洋環(huán)境載荷，進行 數(shù)值分析模擬，可以識別平臺是否發(fā)生參激-內(nèi)共振，確定以及發(fā)現(xiàn)發(fā)生參激-內(nèi)共振的條件。這在設計階段可以發(fā)揮作用，指導平臺的設計。對于波浪中作業(yè)的深海平臺，可以由平臺監(jiān)測系統(tǒng)隨時采集平臺運動響應數(shù)據(jù)， 預報平臺是否處于參激-內(nèi)共振狀態(tài)，平臺運動在當前波浪條件下是否失穩(wěn)，是否出現(xiàn)大 幅運動。對于可能出現(xiàn)的參激-內(nèi)共振運動失穩(wěn)情況，計算機系統(tǒng)分析確定調(diào)整平臺壓載 與平臺吃水參數(shù)，改變平臺重心和浮心位置，破壞發(fā)生參激-內(nèi)共振的動力學條件，使平臺 的參激-內(nèi)共振運動得到控制，減小運動幅值，這可以指導現(xiàn)場平臺的作業(yè)安全。


圖1為本發(fā)明的深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法的參 激-耦合運動分析流程圖；圖2為本發(fā)明的深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法中調(diào)整 壓載和吃水，改變平臺的重心和浮心的方法。
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例，并參照附圖，對本發(fā)明技術(shù)做進一步的說明本發(fā)明實施包括以下步驟(1)對平臺和系泊系統(tǒng)進行靜力分析，確定平臺固有 振動特性；( 將靜力分析的計算結(jié)果作為動力分析的條件，分析不同波高和波浪頻率對 平臺和系泊耦合系統(tǒng)動力學特性的影響，計算平臺的參激-內(nèi)共振耦合運動幅值隨時間的 變化(現(xiàn)場垂蕩-縱搖運動數(shù)據(jù)可由計算機監(jiān)測系統(tǒng)得到)，判斷平臺是否發(fā)生參激-內(nèi)共 振；(3)對于發(fā)生參激-內(nèi)共振耦合運動狀態(tài)，則調(diào)整硬倉和軟艙的壓載系統(tǒng)，改變平臺主 體的重心位置和浮心位置以調(diào)整平臺垂蕩、縱搖固有頻率之比，使平臺主體縱搖運動得到 抑制。(4)重復所述的步驟(1)至步驟(3)，直至平臺運動趨于安全。下面結(jié)合圖1和圖2舉一具體實施例對本發(fā)明方法加以詳細說明靜力分析包括將系泊纜繩參數(shù)和平臺主體參數(shù)以及纜繩劃分方式輸入靜力分析 模塊，步驟101 ；然后在無波浪力狀況下計算平臺的靜平衡位置、系纜靜態(tài)預張力、水平向 系泊剛度以及系纜靜態(tài)構(gòu)型，步驟102;施加波浪載荷之前，進行平臺自振特性分析，步驟 103 ；動力分析包括將環(huán)境參數(shù)包括波浪固有頻率和波高輸入動力分析模塊，步驟 201 ；根據(jù)步驟201中的環(huán)境參數(shù)進行載荷計算，得出系纜重力與浮力、系纜附加質(zhì)量力、系 纜粘性阻尼力和系纜海底接觸力，以及主體靜水恢復力、主體一階波浪力、主體一階輻射力 和主體二階縱蕩力，步驟202 ；再將步驟102中的系纜靜態(tài)構(gòu)型與系纜靜態(tài)預張力作為動力 計算的初始條件，進行參激-內(nèi)共振分析，步驟203，得出平臺主體與纜繩各個質(zhì)點的運動 響應以及不同位置處纜繩張力的變化情況，步驟204 ；根據(jù)步驟203的參激-內(nèi)共振分析結(jié)果確定發(fā)生參激內(nèi)共振時，如圖2所示計算 機輸出信號給平臺空氣壓縮系統(tǒng)，若需要降低重心，向硬倉空氣壓縮系統(tǒng)電磁閥發(fā)出信號， 注入壓縮空氣到硬倉，則硬倉壓載水減少，同時降低軟艙空氣壓力，向軟艙注入壓載水，則 平臺主體重心可降低。如果需要提高平臺主體重心，則進行相反方向操作(如圖2所示)。 改變重心和穩(wěn)性半徑后，啟動圖1參激-內(nèi)共振耦合振動分析程序，檢測參激-內(nèi)共振耦合運動響應。其中步驟101中的系泊纜繩參數(shù)為纜繩的直徑、彈性模量和長度；平臺主體參數(shù) 為平臺重心位置、平臺的重心到穩(wěn)心)值、吃水以及排水量；纜繩劃分方式為纜繩劃 分的網(wǎng)格數(shù)(在程序計算中可任意修改)。本方法中的所有參數(shù)的計算均采用現(xiàn)有公式和現(xiàn)有方法，可以依據(jù)下面的參考文 獻1、董艷秋.深海采油平臺波浪載荷及響應[M]，天津大學出版社，2005.2、W. Raman-Nair, R.E.Baddour. Three-dimensional dynamics of a flexible marine riser undergoing large elastic deformations [J]，Multibody system dynamics, 2003,10 :393-423.(三維柔性海洋立管在大彈性變形下的動力學特性)。
權(quán)利要求
1.深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法，其特征在于它包括以下 步驟(1)對平臺和纜繩進行靜力分析，確定平臺的固有振動特性；(2)將靜力分析的計算結(jié)果作為動力分析的條件，分析不同波高和波浪頻率對平臺和 系泊耦合系統(tǒng)動力學特性的影響，計算平臺的參激-內(nèi)共振耦合運動幅值隨時間的變化， 判斷平臺是否發(fā)生參激-內(nèi)共振；(3)對于發(fā)生參激-內(nèi)共振耦合運動狀態(tài)，則調(diào)整硬倉和軟艙的壓載系統(tǒng)，改變平臺主 體的重心位置和浮心位置以調(diào)整平臺垂蕩、縱搖固有頻率之比，使平臺主體縱搖運動得到 抑制；(4)重復所述的步驟(1)至步驟(3)，直至平臺運動趨于安全。
全文摘要
本發(fā)明公開了深海平臺系泊系統(tǒng)參激-內(nèi)共振耦合振動分析與控制方法，它包括以下步驟(1)對平臺和纜繩進行靜力分析，確定平臺的固有振動特性；(2)將靜力分析的計算結(jié)果作為動力分析的條件，分析不同波高和波浪頻率對平臺和系泊耦合系統(tǒng)動力學特性的影響，計算平臺的參激-內(nèi)共振耦合運動幅值隨時間的變化；(3)對于發(fā)生參激-內(nèi)共振耦合運動狀態(tài)，則調(diào)整硬倉和軟艙的壓載系統(tǒng)，改變平臺主體的重心位置和浮心位置以調(diào)整平臺垂蕩、縱搖固有頻率之比，使平臺主體縱搖運動得到抑制。應用本方法對于可能出現(xiàn)的參激-內(nèi)共振運動失穩(wěn)情況，改變平臺重心和浮心位置，破壞發(fā)生參激-內(nèi)共振的動力學條件，使平臺的參激-內(nèi)共振運動得到控制。
文檔編號G05B9/02GK102141775SQ20111002710
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者唐友剛, 張若瑜, 沈文君 申請人:天津大學