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新型半潛式鉆井平臺(tái)在抗風(fēng)浪能力、甲板變載能力、工作水深、鉆井深度以及多功能作業(yè)(鉆井、完井、試油、生產(chǎn)、修井、起重和鋪管)等方面與另外兩種主流的深水平臺(tái)Spar，TLP相比，有著明顯的比較優(yōu)勢，這使得半潛式平臺(tái)成為南海油氣資源勘探開發(fā)的首選。本研究的目標(biāo)平臺(tái)是國內(nèi)在建的第一座代表世界先進(jìn)水平的第六代深水半潛式平臺(tái)，結(jié)構(gòu)形式上采用箱式上部結(jié)構(gòu)、雙浮體、四立柱、雙橫撐的形式，無斜撐設(shè)計(jì)避免了出現(xiàn)復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)疲勞破壞的可能性。但是箱式甲板縱向與橫向的大跨度特點(diǎn)及無斜撐設(shè)計(jì)使平臺(tái)的總體強(qiáng)度分析成為保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全的首要任務(wù)。
國內(nèi)建造的深水平臺(tái)數(shù)量不多，但對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一直很受重視。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行了平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，文獻(xiàn)提出Spar平臺(tái)總體強(qiáng)度分析方法，但這些研究均未涉及計(jì)算工況的選取原則，船級(jí)社也未明確給出針對半潛式平臺(tái)的分析工況選取原則。海洋平臺(tái)總體強(qiáng)度分析的關(guān)鍵是計(jì)算波浪誘導(dǎo)載荷與運(yùn)動(dòng)，文獻(xiàn)采用三維繞射理論頻域法計(jì)算了半潛式平臺(tái)的波浪載荷，文獻(xiàn)應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)法求解波浪與三維物體間的繞射與輻射問題。本研究采用可以考慮工作海域海況條件及結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性的譜分析方法確定設(shè)計(jì)波參數(shù)，進(jìn)行了自存工況、兩種作業(yè)工況共三種裝載情況下21個(gè)波浪工況的載荷預(yù)報(bào)，并完成了平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度三維有限元分析，在入射波與結(jié)構(gòu)變形模式關(guān)系、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上提出了計(jì)算工況選取原則及控制總體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，這些工作可為今后深水半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及形式優(yōu)化提供參考。
由于大型海洋結(jié)構(gòu)物可以嚴(yán)重影響入射波的流場，各船級(jí)社推薦使用三維繞射理論計(jì)算波浪載荷。采用三維繞射理論計(jì)算平臺(tái)濕表面的水動(dòng)壓力及波浪誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)，基于波浪載荷頻域法和譜分析的設(shè)計(jì)波法是一種綜合考慮船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能、工作海域的海況條件、波浪回復(fù)周期等因素，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供適當(dāng)載荷值的載荷處理方法。結(jié)構(gòu)分析采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法，選擇水動(dòng)力預(yù)報(bào)載荷達(dá)到極值的瞬時(shí)時(shí)刻平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力、液艙對艙壁的水動(dòng)壓力與濕表面水壓力施加到結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算。深水平臺(tái)對入射波流場影響大，繞射與輻射引起的繞射力與慣性力是波浪誘導(dǎo)載荷的重要分量。繞射理論假設(shè)流體是均勻、不可壓縮、無旋的理想流體，并且不計(jì)自由表面張力(簡化自由表面邊界條件)，在引入微幅波假設(shè)后，簡化為線性繞射理論。
波浪載荷計(jì)算中繞射勢與輻射勢滿足物面條件，使用在平臺(tái)濕表面布置點(diǎn)源形式的Green函數(shù)來表示流場勢函數(shù)。平臺(tái)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)臨界阻尼系數(shù)需要根據(jù)水動(dòng)力模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行修正，本研究波浪載荷計(jì)算采用的臨界阻尼系數(shù)參考文獻(xiàn)中的水池模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，垂蕩運(yùn)動(dòng)臨界阻尼系數(shù)取200-7000，平合的Ilk浪誘導(dǎo)載荷在不同周期、浪向、相價(jià)的Ilk浪條件下差異很大。
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