專利名稱：一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析方法，尤其是涉及一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法。
背景技術(shù)：
鋼懸鏈線立管是深海油氣開發(fā)的新型立管系統(tǒng)，與柔性立管相比，鋼懸鏈線立管的成本低；與頂張力立管相比，它無需頂張力和浮體垂蕩運動的補償，被認為是深海油氣資源開發(fā)的一個成本有效的立管解決方案。鋼懸鏈式立管不僅取代了柔性立管成功應(yīng)用于張力腿平臺和半潛式平臺，而且成為浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式生產(chǎn)儲運系統(tǒng)首選的立管型式，同時也被認為是固定式平臺的經(jīng)濟型立管。它集海底管線和立管為一身，無需海底的應(yīng)力接頭或柔性接頭連接，大大降低了水下施工的工程量和施工難度。同時其頂部自由懸掛在平臺外側(cè)，無需液壓氣動張緊裝置和跨接軟管，節(jié)省了較大的平臺空間，而且對浮體的漂移運動有較大的容度，更適合于高溫高壓介質(zhì)環(huán)境，得到了深海開發(fā)的青睞，成為深海油氣資源開發(fā)的首選立管系統(tǒng)。鋼懸鏈式立管是一條懸掛在浮式平臺上的自由懸垂鋼管，如

圖1所示，其軸線呈懸鏈線形狀。由于它直接延伸至海床上，在海床上具有觸底點2，與海底管線是一條整體的鋼管。與海床接觸的一段管線稱為流線段3，從海底至浮式平臺的一段懸垂管線稱為懸垂段 1。懸垂段1與海水發(fā)生相互作用，稱為流固耦合，而流線段則受到海床土的約束作用。由于鋼懸鏈式立管的頂端與浮式平臺連接，因此，它將隨著浮式平臺的運動而運動。鋼懸鏈式立管隨浮式平臺的運動包括懸掛點的位移、速度和加速度，位移決定了鋼懸鏈式立管的當前位置，而速度和加速度則決定了鋼懸鏈式立管的運動狀態(tài)和慣性。目前，鋼懸鏈式立管的分析方法存在以下問題1)鋼懸鏈式立管的頂端懸掛在浮式平臺上，它對浮式平臺的約束作用與系泊系統(tǒng)類似，其約束力隨浮式平臺的運動而變化。但是，現(xiàn)有的鋼懸鏈式立管動力分析方法采用耦合分析方法，即將浮式平臺和鋼懸鏈式立管作為兩個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分別進行分析。分析浮式平臺時，不考慮鋼懸鏈式立管對浮式平臺的約束作用。因此，計算結(jié)果與浮式平臺的真實運動狀態(tài)有較大的區(qū)別。因為鋼懸鏈式立管的約束作用與重力式錨鏈相當，因此，忽略鋼懸鏈式立管的約束作用相當于浮式平臺缺少一根錨鏈。2)位移耦合分析方法，現(xiàn)有技術(shù)采用鋼懸鏈式立管與浮式平臺位移耦合的分析方法，即將鋼懸鏈式立管與浮式平臺作為兩個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分別進行分析。分析鋼懸鏈式立管時， 將浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接點的運動位移作為鋼懸鏈式立管頂端的邊界條件輸入。而二者之間的其它耦合作用，包括力、速度和加速度，均被忽略。3)忽略轉(zhuǎn)動效應(yīng)，鋼懸鏈式立管的頂端通過柔性接頭與浮式平臺連接，因此，浮式平臺的縱搖和橫搖運動將對鋼懸鏈線立管產(chǎn)生彎曲作用。但是現(xiàn)有技術(shù)的耦合分析方法只能將浮式平臺和鋼懸鏈式立管連接點的線運動輸入到鋼懸鏈式立管的頂端邊界條件中，而轉(zhuǎn)動被忽略。因此，無法將浮式平臺對鋼懸鏈式立管產(chǎn)生的彎曲作用耦合到鋼懸鏈式立管的頂端，即忽略了浮式平臺對鋼懸鏈式立管的轉(zhuǎn)動作用。如果要正確地分析鋼懸鏈式立管，必須采用鋼懸鏈式立管與浮式平臺整體分析的方法。如果采用現(xiàn)有技術(shù)的耦合分析方法，則只能進行位移耦合分析，而忽略連接點的速度和加速度耦合。因為，耦合分析方法將鋼懸鏈式立管頂端作為邊界，通過單獨計算浮式平臺的運動，先求出浮式平臺的位移，再將浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接點的位移作為鋼懸鏈式立管的頂端邊界條件輸入，從而計算出鋼懸鏈式立管的運動，這就忽略了浮式平臺運動速度和加速度對鋼懸鏈式立管運動的影響。針對于目前的分析方法中存在的問題，需要找出一種合理的方法予以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺整體分析的方法，從而可以實現(xiàn)鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析問題。本發(fā)明的目的之一是建立鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，改進現(xiàn)有技術(shù)將鋼懸鏈式立管和浮式平臺作為兩個獨立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的耦合分析方法。本發(fā)明的目的之一是考慮浮式平臺縱/橫搖對鋼懸鏈式立管的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，通過整體分析實現(xiàn)鋼懸鏈式立管與浮式平臺之間的彎矩傳遞。本發(fā)明的目的之一是考慮浮式平臺運動速度和加速度對鋼懸鏈式立管運動和受力的影響，通過整體分析實現(xiàn)鋼懸鏈式立管與浮式平臺之間的慣性力傳遞。本發(fā)明的目的之一是考慮鋼懸鏈式立管對浮式平臺的約束作用，通過整體分析實現(xiàn)鋼懸鏈式立管與浮式平臺之間的約束力傳遞。本發(fā)明涉及一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其中，將浮式平臺作為一個剛體，采用有限元方法中的剛臂單元將浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接為一整體結(jié)構(gòu)，從而將浮式平臺的剛體運動轉(zhuǎn)換為鋼懸鏈式立管頂點的運動，實現(xiàn)對鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析。其中，在計算浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接點的運動中，對參數(shù)線/角位移、線/ 角速度、線/角加速度、力和力矩進行了耦合計算。其中，浮式平臺的質(zhì)心運動包括質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。其中，鋼懸鏈式立管的剛度遠遠小于浮式平臺。其中，其特征在于鋼懸鏈式立管與浮式平臺整體運動方程為，
權(quán)利要求
1.一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于將浮式平臺作為一個剛體，采用有限元方法中的剛臂單元將浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接為一整體結(jié)構(gòu)，從而將浮式平臺的剛體運動轉(zhuǎn)換為鋼懸鏈式立管頂端的運動，實現(xiàn)對鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于在計算浮式平臺與鋼懸鏈式立管的運動中，對浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接點的力和運動參數(shù)線/角位移、線/角速度、線/角加速度、力和力矩進行了耦合計算。
3.如權(quán)利要求2所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于浮式平臺的質(zhì)心運動包括質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于鋼懸鏈式立管與浮式平臺整體運動方程為，
5.如權(quán)利要求4所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于
6.如權(quán)利要求5所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于對上述方程進行求解，按照API RP 2RD規(guī)范的要求將鋼懸鏈式立管劃分為若干個單元，采用梁單元插值函數(shù)計算單元的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，形成相應(yīng)的系統(tǒng)總體矩陣。
7.如權(quán)利要求6所述的鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其特征在于對鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體運動方程，采用時程分析法求解，得到鋼懸鏈式立管的節(jié)點加速度、速度和位移響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析方法，其將浮式平臺作為一個剛體，采用有限元方法中的剛臂單元將浮式平臺與鋼懸鏈式立管連接為一整體結(jié)構(gòu)，從而將浮式平臺的剛體運動轉(zhuǎn)換為鋼懸鏈式立管頂端的運動，實現(xiàn)對鋼懸鏈式立管與浮式平臺的整體分析。該方法改進了現(xiàn)有技術(shù)將鋼懸鏈式立管和浮式平臺作為兩個獨立結(jié)構(gòu)的耦合分析方法，實現(xiàn)了鋼懸鏈式立管與浮式平臺之間的慣性力及彎矩傳遞。
文檔編號G06F17/50GK102354323SQ201110280779
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月12日
發(fā)明者劉娟, 孟慶飛, 白興蘭, 黃維平 申請人:中國海洋大學