第一章 第二節(jié)

1、2021-11-202021-11-201 11.2.1 1.2.1 固定式平臺和活動式平臺固定式平臺和活動式平臺1.2.2 1.2.2 順應(yīng)式平臺順應(yīng)式平臺1.2.3 1.2.3 浮式平臺浮式平臺1.2 1.2 海洋平臺構(gòu)造及有關(guān)動力學問題海洋平臺構(gòu)造及有關(guān)動力學問題2021-11-2021.2.1 固定式平臺和活動式平臺小于小于400m400m水深的海域水深的海域 固定式平臺混凝土重力式平臺 導管架平臺 通過自身的重量維持合適的垂直位置 管狀樁腿，插入土壤一定深度，以支持平臺結(jié)構(gòu)和作業(yè)模塊的重量。固有彎曲頻率或基本彎曲頻率大約是0.17赫茲（6秒）。振動的主要形式是彎曲振動。2021-11

2、-2031.2.1 固定式平臺和活動式平臺用于勘探石油的自升式鉆井平臺也可稱為活動式平臺。用于勘探石油的自升式鉆井平臺也可稱為活動式平臺。有有3 3到到6 6根樁腿支承，樁腿有鋼管式和桁架式兩種結(jié)構(gòu)。根樁腿支承，樁腿有鋼管式和桁架式兩種結(jié)構(gòu)。 站立狀態(tài) 拖航狀態(tài) 每根樁腿固定于海底的鋼質(zhì)沉墊上，可以使平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且減少樁腿插入海底的深度。平臺的船體在海底以上的高度可達到100米。樁腿從海底拔出，并且收進船體的低部，減少拖航過程的阻力。 2021-11-2041.2.1 固定式平臺和活動式平臺 共同的結(jié)構(gòu)特征共同的結(jié)構(gòu)特征上部生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模塊達到數(shù)數(shù)千噸，遠大于支撐結(jié)構(gòu)的重量。結(jié)構(gòu)高度方向的尺寸大

3、于水平方向的尺寸。主要的振動形式為彎曲振動。 共同的振動特點共同的振動特點慣性力恢復剛度動力載荷 重要的動力學問題重要的動力學問題在在100m 以上水深作業(yè)時，波流聯(lián)合引起的動力響應(yīng)。以上水深作業(yè)時，波流聯(lián)合引起的動力響應(yīng)。上部作業(yè)模塊的質(zhì)量取決于支撐結(jié)構(gòu)風、浪、流、海冰、地震載荷2021-11-2051.2.2 順應(yīng)式平臺 牽索塔平臺牽索塔平臺 桁架式塔架鋼纜加重鏈海底錨連接到海底基礎(chǔ)上的纜索工作水深可達到400米桁架結(jié)構(gòu)減輕了結(jié)構(gòu)重量，減小了慣性力；減小了風、浪、流等流體載荷。在水面以下25米處，塔結(jié)構(gòu)四周對稱地系上20根鋼纜；每根鋼纜向下延伸約1000米，與一根在海底錨固的加重鏈相連。在

4、正常天氣或小風暴情況下，鋼纜作為一堅硬的彈簧，提供平臺搖擺運動的恢復力。在大風暴和颶風等惡劣的氣象條件下，鋼纜變得相對柔軟以使結(jié)構(gòu)順應(yīng)風浪流載荷的作用。當平臺搖擺的幅值增大時，同時增大的還有加重海底鏈提離海底的高度，這樣就增大了平臺的回復力使平臺適應(yīng)風暴載荷。 2021-11-2061.2.2 順應(yīng)式平臺 鉸接塔平臺的組成鉸接塔平臺的組成 鉸接塔平臺的動力學問題鉸接塔平臺的動力學問題塔柱、海底基礎(chǔ)、萬向接頭、浮力艙、壓載艙該類型結(jié)構(gòu)的固有頻率遠低于那些具有高幅值的波浪頻率，一般不會發(fā)生搖擺共振。非線性的流體動力載荷運動幅值跳躍、失穩(wěn)平臺生產(chǎn)功能喪失對于大長細比塔柱結(jié)構(gòu)，需要考慮彈性變形研究塔柱

5、的運動和塔柱動強度問題。2021-11-2071.2.3 浮式平臺TLPTLP平臺、平臺、SparSpar平臺、半潛式平臺平臺、半潛式平臺 2021-11-208張力腿平臺結(jié)構(gòu)形式 平臺上體平臺上體立柱（含橫撐和斜撐）立柱（含橫撐和斜撐）下體（浮箱）下體（浮箱）張力腿系泊系統(tǒng)張力腿系泊系統(tǒng)錨固基礎(chǔ)錨固基礎(chǔ) 2021-11-209平臺上體平臺上體立柱（含橫撐和斜撐）立柱（含橫撐和斜撐）下體（浮箱）下體（浮箱）張力腿系泊系統(tǒng)張力腿系泊系統(tǒng)錨固基礎(chǔ)錨固基礎(chǔ) 張力腿平臺結(jié)構(gòu)形式 作業(yè)裝備和生活艙室提供給平臺主體必要的結(jié)構(gòu)剛度提供浮力提供預張力，提高系索剛度固定張力腿下端2021-11-2010張力腿平

6、臺受力和運動特點 浮力遠大于自身重力浮力遠大于自身重力 浮力浮力= =自重自重+ +張力腿的預張力張力腿的預張力 使張力腿時刻處于受張拉的繃緊狀態(tài)，顯著提使張力腿時刻處于受張拉的繃緊狀態(tài)，顯著提高了系索的剛度高了系索的剛度 平臺平面外的運動（橫搖、縱搖和垂蕩）較小，平臺平面外的運動（橫搖、縱搖和垂蕩）較小，近似于剛性近似于剛性 浮筒所受水平方向波浪力較大浮筒所受水平方向波浪力較大 通過張力腿在平面內(nèi)呈現(xiàn)柔性，較大的環(huán)境載通過張力腿在平面內(nèi)呈現(xiàn)柔性，較大的環(huán)境載荷通過慣性力來平衡荷通過慣性力來平衡張力腿平臺為半順應(yīng)半剛性結(jié)構(gòu)形式。2021-11-2011張力腿平臺運動的固有周期垂蕩運動垂蕩運動

7、2-4s 2-4s 縱、橫蕩運動縱、橫蕩運動 100-200s 100-200s 橫搖、縱搖運動橫搖、縱搖運動 低于低于4s 4s 首搖的運動首搖的運動 高于高于40s 40s 整個結(jié)構(gòu)的頻率跨越波浪的一階頻率譜兩端，可以避免結(jié)構(gòu)和海浪能量集中的頻率發(fā)生共振。 2021-11-2012張力腿平臺的動力學問題 波浪差頻載荷是緩慢變化的力，與張力腿平臺波浪差頻載荷是緩慢變化的力，與張力腿平臺水平面內(nèi)固有長周期運動的頻率接近，誘發(fā)水水平面內(nèi)固有長周期運動的頻率接近，誘發(fā)水平面內(nèi)的大幅共振運動。平面內(nèi)的大幅共振運動。 紊流風的激振頻率也在該頻率范圍，加劇平臺紊流風的激振頻率也在該頻率范圍，加劇平臺的慢

8、漂運動。的慢漂運動。 波浪的高頻分量和高頻水動力會引起的平臺水波浪的高頻分量和高頻水動力會引起的平臺水平面外平臺的彈跳振動（平面外平臺的彈跳振動（SpringSpring或者或者RingingRinging）。）。 高度約高度約1000m1000m的張力腿，承受波流聯(lián)合作用，發(fā)的張力腿，承受波流聯(lián)合作用，發(fā)生非線性渦激振動，出現(xiàn)亞諧振動和組合共振生非線性渦激振動，出現(xiàn)亞諧振動和組合共振響應(yīng)。響應(yīng)。 考慮來自張力腿的預張力和動態(tài)張力，張力腿考慮來自張力腿的預張力和動態(tài)張力，張力腿承受橫向波流載荷和軸向激振力，發(fā)生參數(shù)激承受橫向波流載荷和軸向激振力，發(fā)生參數(shù)激勵振動，是導致張力腿結(jié)構(gòu)的大幅振動和失

9、穩(wěn)勵振動，是導致張力腿結(jié)構(gòu)的大幅振動和失穩(wěn)的重要原因。的重要原因。2021-11-2013SparSpar平臺的組成平臺本體系泊系統(tǒng)平臺主體平臺上體主體外殼浮力系統(tǒng)中央井立管系統(tǒng)Spar平臺2021-11-2014SparSpar平臺的組成平臺本體系泊系統(tǒng)平臺主體平臺上體主體外殼浮力系統(tǒng)中央井立管系統(tǒng)Spar平臺鏈-鋼纜-鏈結(jié)構(gòu)聚酯纖維纜2021-11-2015 垂蕩運動垂蕩運動 縱蕩橫蕩縱蕩橫蕩 縱搖橫搖縱搖橫搖 首搖首搖 渦激振動渦激振動Spar平臺的動力學問題無自身回復力無自身回復力首搖激勵力很小可以忽略不計可以忽略不計半張緊系統(tǒng)，水平剛度大位置漂移比較小位置漂移比較小4%水深水深小于小

10、于6%水深水深回復力矩由重力和浮力形成的力偶決定運動性能的要求通常來自于立管和頂層模塊的設(shè)計運動性能的要求通常來自于立管和頂層模塊的設(shè)計102021-11-2016Spar平臺垂蕩運動 垂向剛度垂向剛度主要取決于水線面的面積。主要取決于水線面的面積。系泊系統(tǒng)拉力的垂向分力與之相比可忽略不計。系泊系統(tǒng)拉力的垂向分力與之相比可忽略不計。 外部激勵力外部激勵力長周期涌浪的外部激勵力。長周期涌浪的外部激勵力。 運動響應(yīng)運動響應(yīng)共振情況下，垂蕩響應(yīng)會急劇增大，共振情況下，垂蕩響應(yīng)會急劇增大，并會產(chǎn)生縱搖耦合運動。并會產(chǎn)生縱搖耦合運動。 改善措施改善措施螺旋側(cè)板和垂蕩板。螺旋側(cè)板和垂蕩板。2021-11-

11、2017Spar平臺渦激振動漩渦自主體上周期性脫落周期激振力渦激振動、渦激運動鎖定效應(yīng)鎖定效應(yīng)共振很大應(yīng)力、系泊和立管的疲勞損害減少整個平臺的疲勞壽命螺旋側(cè)板螺旋側(cè)板螺旋側(cè)板和垂蕩板結(jié)構(gòu)水動力特性研究也是螺旋側(cè)板和垂蕩板結(jié)構(gòu)水動力特性研究也是SparSpar平臺平臺需要研究的重要問題。需要研究的重要問題。2021-11-2018Spar平臺的固有周期垂蕩運動垂蕩運動 252540s 40s 橫搖、縱搖運動橫搖、縱搖運動 404080s 80s 縱、橫蕩運動縱、橫蕩運動150150350s 350s 參數(shù)激勵運動 縱搖運動幅值增大 運動失穩(wěn) 動張力突變 平臺系索張力分析屬于強非線性動力學問題，包

12、括：平臺系索張力分析屬于強非線性動力學問題，包括：載荷非線性、載荷非線性、纜索分段結(jié)構(gòu)剛度非線性、纜索分段結(jié)構(gòu)剛度非線性、材料本構(gòu)關(guān)系非線性、材料本構(gòu)關(guān)系非線性、系泊纜交替松弛張緊引起的復原剛度非線性。系泊纜交替松弛張緊引起的復原剛度非線性。2021-11-2019針對深水平臺的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動針對深水平臺的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動力學問題：力學問題： 一階波頻響應(yīng)一階波頻響應(yīng) 二階差頻及和頻響應(yīng)二階差頻及和頻響應(yīng) 柔性構(gòu)件柔性構(gòu)件( (系索、立管等系索、立管等) )的動力特性的動力特性 修正的Morison公式輻射繞射方法小尺度結(jié)構(gòu)大尺度結(jié)構(gòu)2021-11-2020針對深水平臺的

13、結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動針對深水平臺的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動力學問題：力學問題： 一階波頻響應(yīng)一階波頻響應(yīng) 二階差頻及和頻響應(yīng)二階差頻及和頻響應(yīng) 柔性構(gòu)件柔性構(gòu)件( (系索、立管等系索、立管等) )的動力特性的動力特性 修正的Morison公式輻射繞射方法小尺度結(jié)構(gòu)大尺度結(jié)構(gòu)平均漂移、長周期慢漂平均漂移、長周期慢漂(差頻運動差頻運動)、高頻響應(yīng)的彈振（高頻響應(yīng)的彈振（Springing）(和頻運動和頻運動) 、高階脈沖力、高階脈沖力(Ringing)2021-11-2021針對深水平臺的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動針對深水平臺的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納為如下動力學問題：力學問題： 一階波頻響應(yīng)一

14、階波頻響應(yīng) 二階差頻及和頻響應(yīng)二階差頻及和頻響應(yīng) 柔性構(gòu)件柔性構(gòu)件( (系索、立管等系索、立管等) )的動力特性的動力特性 修正的Morison公式輻射繞射方法小尺度結(jié)構(gòu)大尺度結(jié)構(gòu)平均漂移、長周期慢漂平均漂移、長周期慢漂(差頻運動差頻運動)、高頻響應(yīng)的彈振（高頻響應(yīng)的彈振（Springing）(和頻運動和頻運動) 、高階脈沖力、高階脈沖力(Ringing)波流作用下的渦激振動、系索系統(tǒng)與平臺主體的耦合分析，波流作用下的渦激振動、系索系統(tǒng)與平臺主體的耦合分析，主要是極限承載能力、疲勞斷裂可靠性等主要是極限承載能力、疲勞斷裂可靠性等 2021-11-2022二、半潛式結(jié)構(gòu) 平臺本體、立柱和下體或浮箱組成。平臺本體、立柱和下體或浮箱組成。在在下體與下體、立柱與立柱及立柱與平臺之間，下體與下體、立柱與立柱及立柱與平臺之間，還有斜撐連接加強。還有斜撐連接加強。半潛式平臺由于