立柱型式海洋结构物遭受的波浪载荷与气隙响应研究

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作者：

兰剑

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摘要：

立柱结构型式是海洋工程结构物广泛采用的一种型式,无论对于固定式平台如GBS,还是浮式半潜平台,TLP平台,Spar平台,均采用大尺寸立柱作为提供浮力和支撑上部结构的有效结构型式.因此对于立柱结构上遭受的波浪载荷,波浪爬升等现象的研究也成为海洋工程研究的关键点之一.圆柱结构遭受的波浪载荷这一研究主题已有很长的历史,但对于如何高效而精确地计算除一阶波浪力以外的在非线性较强的波浪中受到的高频波浪载荷仍是目前研究的关键问题.对于实际海上作业的海洋结构物,波浪在其立柱周围的绕射和爬升引起的平台气隙响应的变化,波浪砰击等都是平台设计时需要考虑的关键问题.本文以立柱型式的海洋结构物为研究对象,主要对结构受到的波浪载荷,波流载荷以及平台立柱周围气隙响应进行了研究.主要内容包括一下几个方面: (1)通过对圆柱遭受的波浪力理论研究和试验研究这一主题深入了解,为了对其受到的高频波浪谐载荷成分进行研究,设计水槽试验,分别对单根立柱和设置不同间距的双根立柱进行波浪载荷研究.另外为了了解流对波浪载荷的影响,同时实验中设置了波流同时作用时波浪载荷的研究.同时对试验中出现的陡波中立柱上波浪爬升和砰击现象作出解释. (2)对立柱周围的绕射波浪域进行了研究.针对某半潜平台设计的立柱尺寸对单立柱,双立柱和实际半潜平台采用的四根立柱周围的绕射波浪进行了对比分析,得到绕射波浪近场干涉效应. (3)采用基于绕射和辐射的势流理论,建立了波浪与半潜平台相互作用的数值模型.选取平台甲板上若干点作为研究气隙的测点,分析了不同入射波浪下绕射波面的变化情况. (4)采用基于势流理论的数值计算,求解了半潜平台频域和时域的一阶水动力信息和运动响应.重点对平台的气隙响应进行了深入研究.结果显示,垂荡运动对平台气隙响应的影响要大于横摇和纵摇的影响.在操作工况下,气隙响应时历中未出现负值,说明设计的气隙在这种海况下已经足够.而在自存海况下,计算的气隙出现负值,说明此时波浪会砰击到下甲板上.另外,由于风载荷对平台气隙影响较大,分析了风速对平台气隙相应地影响.

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关键词：

立柱型式海洋结构 半潜平台 波浪载荷 气隙响应 波浪绕射 波流载荷

学位级别：

硕士

学位年度：

2016