[发明专利]浮式Spar平台的扶正分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋石油工程领域，特别是关于一种浮式Spar平台(立柱式平台)的扶正分析方法。

背景技术

随着全球资源的日趋紧张，石油的开采逐渐向深海发展。Spar平台作为一种新型浮式平台，适用于水深为550m至3000m，具有较高的稳定性、优良的运动特性、较大的可变载荷和较低的建造维修费用等优点，正被越来越多地应用于深海石油开采。但不同于其他海洋平台，Spar平台在其进行结构安装之前，要经历一个扶正过程。Spar平台主体拖航至海上安装点后，打开软舱门放入海水，整个主体会在力矩作用下由水平自行转为竖立。Spar平台扶正是一个结构大变位过程，是正常使用前的关键安装步骤，承受荷载与服役时完全不同，设计时需对此进行特别分析。

由于扶正过程大变位小变形的非线性特点，常用的水动力软件AQWA和SESAM等都无法实现扶正分析。国外少数学者曾提出过一些分析方法，但在实际使用中都存在一定的局限性；而国内，该领域仍是一片空白。Spar平台的安全扶正是正常服役的前提，该领域的空白给我国独立生产使用Spar平台提出了严峻的挑战，因此，Spar平台扶正分析方法的提出对完善我国Spar平台设计使用技术，实现中国南海战略具有重要的理论意义和现实意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种计算效率高且工程应用性强的浮式Spar平台的扶正分析方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浮式Spar平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：1)确定Spar平台的初始单元信息和参数：根据计算精度和划分原则，对Spar平台进行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，得到单元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加质量的大小；2)荷载计算和软舱单元质量的确定：根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载；根据扶正过程中软舱压载的大小，确定软舱单元质量；3)有限元迭代计算：将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；4)判断：若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；5)输出运动信息：扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；6)运动信息荷载转化：建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。

每一单元承受荷载包括重力、阻尼力和静水压力：重力：对于每一单元来说，重力为均布荷载，采用有限元的等效荷载原则将重力加到每个节点上；阻尼力：将单元两端的节点质量乘以节点速度和阻尼系数，得到阻尼力；静水压力：在扶正过程中，各单元上的静水压力随着单元位置的变化而变化，需建立压力与坐标的变换关系，因此对Spar平台任一单元i的下部截面圆心角进行积分得：