自升式钻井平台抗冰特性试验研究

自升式钻井平台在设计时通常不考虑冰荷载的作用,要实现冰区作业,首先需要对该类平台的抗冰能力进行准确评估。本文通过开展冰池试验,对自升式钻井平台冰载荷作用机理、结构冰激特性以及抗冰方法等进行研究。海洋结构受到的冰荷载大小以及结构响应值与冰厚密切相关,冰激振动机理与冰厚无关,探究不同冰速和冰厚下冰荷载及振动响应的时程曲线,可发现低冰速下结构展现出的准静态响应特征以及高冰速下的随机响应特征。冰激振动的发生是结构固有特性、冰速、冰厚、冰材料参数等因素共同影响的结果,其作用机理尤为复杂,本研究侧重于桁架式自升式平台冰区作业中结构冰激振动特性研究。     

导管架平台安装锥体降低冰振效果研究

冰荷载是寒区海洋结构的控制荷载.在圆柱结构上安装锥体用以降低极值冰力,这一概念已得到理论与模型实验的验证,但是安装锥体对降低结构冰激振动的效果还没有得到充分论证.首先分析和比较了圆柱结构和加锥结构的交变冰力与冰振响应形式.基于现场原型监测系统的实测数据,无论是圆柱结构和加锥结构都能发生强烈的冰激振动,圆柱结构上的稳态冰激振动最为严重.通过一座单腿圆柱结构加装锥体前后的冰振响应监测和分析,得到安装破冰锥体对降低冰振的实际效果.理论分析和实测数据表明,破冰锥体从根本上避免了冰激结构稳态振动的发生.     

多桩锥体海洋平台结构冰荷载遮蔽效应离散元分析

在海冰与多桩锥体海洋平台结构的相互作用中,平台结构总冰力在海冰流向和桩腿方位的影响下呈现出显著的遮蔽效应。采用具有粘结-破碎效应的离散元方法,基于GPU并行的高性能计算,对不同冰向下锥体海洋平台结构的冰荷载进行了数值分析,确定了不同冰向下平台结构各桩腿的冰力衰减系数并分析了总冰力的遮蔽效应。最后,对自由边界影响下多桩平台结构冰荷载遮蔽效应的产生机理进行了讨论。本文工作可为多桩腿平台结构的冰荷载特性、冰激结构振动以及冰区结构设计提供参考。     

锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法

在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2 MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。     

基于海冰区划的平台结构振动舒适度设计--容许加速度限值

海冰作用下平台结构的振动舒适度是冰区导管架平台结构设计需要考虑的重要问题，传统的单一界限方法由于不能考虑冰期的长短和冰情出现概率，从而导致了不同冰区平台结构具有不同的振动舒适度水平。引入了对振动舒适度进行量化的烦恼率模型，结合冰期和冰情出现概率，给出了不同冰期和冰情出现概率下结构容许振动加速度的确定方法。结合我国渤海的海冰区划，给出了不同冰区结构容许振动加速度值。     

冰与结构的耦合振动模型

针对冰与结构的相互作用问题进行了分析研究。在Ｓｏｄｈｉ模型的基础上提出一种新的冰与结构的耦合振动模型。通过引入冰板破坏长度的特征参数,将冰与结构的耦合作用分为加载、穿透和分离三种典型状态,给出了各种状态下的运动方程和求解方法及不同状态间的转化关系,从而获得结构冰致振动的稳态周期响应,并运用这一模型对结构与冰的各种参数的影响作了系统研究。结果表明,本模型适用于相当宽的冰和结构的参数范围及冰板弯曲的屈     

基于实测动冰力时程的海洋平台结构冰振反应分析

冰激平台结构振动是影响渤海石油钻采平台冬季正常生产和安全的主要因素。本文采用实测冰压力时程,对渤海辽东湾北部的ＪＺ２０－２ＭＵＱ平台结构进行了冰振反应分析,计算了不同设计冰厚、不同冰作用方向和标高及平台桩腿有无正倒锥体（一种破冰装置）的结构反应,探讨了正倒锥体对减轻冰力和结构反应的作用,发现了结构冰激振动的一些特征,为在该平台上实施振动控制方案提供了依据     

锥体导管架海洋平台冰激结构振动响应分析

渤海冰区油气开发中,在桩腿上安装抗冰锥体的导管架平台是最常见的结构形式.冰激结构振动不仅会造成平台结构的损伤,还将对平台上部管线和设备的安全运行构成极大的威胁,并影响平台作业人员的正常生活和生产操作.针对渤海冰区锥体平台结构冰激振动响应的三种计算方法进行了研究,即平台结构的有限元分析、简化的结构动力分析和冰振响应幅值统计分析.以辽东湾JZ20-2油气田的MUQ平台为例,对以上三种冰振响应计算方法进行对比,以讨论它们的一致性和各自的适用条件.结果表明,这三种分析方法的计算结果基本一致,但有些计算参数需要现场实测资料的确定.     

渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析

针对渤海某区域以单柱三桩式结构为支撑的海上风电系统进行了冰激振动分析。首先模拟风电结构具有显著动力特性差异的主-从式结构特征,根据工程场址海域冰情条件,设置了合理的海冰分析工况,随后依据概化冰力函数确定作用于风电基础结构上的动冰力时程,开展全时域瞬态动力分析。通过对计算结果的详尽分析,选定表征冰与风电结构相互作用进程的综合控制因子Ic,建立基于综合控制因子的冰振事件区划及其出现概率的预判方法。相关方法将为渤海海域风电工程结构冰激振动问题的预判与评估提供参考。     

海洋平台结构的冰力作用模型

首先分析了工程中静冰力计算中普遍应用的Korzhavin -Afanasev公式和Schawz公式 ,提出了统一的静冰力模型 ,给出了挤压破坏、屈曲破坏和弯曲破坏冰力系数函数CI(t)。应用该冰力模型分析了自激振动产生的条件 ,指出冰屈曲破坏和弯曲破坏动冰力可以作为强迫振动模型 ,冰挤压破坏动冰力则需要考虑CI(t)与冰阻尼的耦合效应。最后应用冰力一般模型计算单自由度结构的响应     

海上固定平台的冰激振动响应计算与分析

本文用强迫振动理论计算了辽东湾常见冰情挤压冰作用下ＪＺ２０—２—１采油平台和测冰平台的自振特性、位移、速度和加速度响应以及平台的应力响应，取得了一些有意义的结果，供平台设计和使用时参考。     

冰激振动及冰荷载动力特性的试验研究

回顾了解决海冰引起结构振动分析方法的要求，通过室内冰力模型试验得出了冰激振动的重要参数－冰力频率，幅值的特性。研究表明，在低冰速时，冰力频率与冰速对冰厚之比呈线性关系；高冰速时，冰力步与冰速对冰厚之比呈现恒定性，文章还根据试验数据以及统计分析，推荐了冰力幅值计算公式和取值范围。     

抗冰导管架平台动力特性分析

目前的抗冰导管架平台结构设计主要是考虑极限冰力引起的破坏,尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了更好研究冰荷载、冰激振动机理以及提出合理的概念设计,冰荷载下抗冰导管架结构的动力特性分析是十分必要的。基于现场冰与导管架结构相互作用的多年观测以及数值模拟研究,分析渤海辽东湾典型导管架结构在交变冰力作用下的动力特性,提出了适于冰荷载研究与抗冰导管架结构概念设计、分析的简化力学模型,解释柔性抗冰导管架结构动力效应显著的原因。     

母船垂荡导致ROV脐带缆参量共振的研究

研究有缆遥控潜水器(Remote Operated Vehicles)的脐带缆受到轴向激励所产生的大幅横向振动,即参量共振.ROV脐带缆的参激现象发生会影响ROV的安全性.针对ROV脐带缆的结构特性,推导出其在轴向激励力下的非线性振动方程.运用希尔无穷行列式的方法分析脐带缆的参量不稳定性.以稳定性图为基准分析脐带缆在多...     

海上风电单桩式支撑结构冰激振动及参数敏感性分析

针对渤海湾某风电场的海上固定式风机支撑结构,采用适用于大直径单桩结构的PSI曲线模拟桩土相互作用,并采用SACS软件建立支撑结构的动力分析模型。首先对支撑结构进行模态分析;其次考虑海冰结构的随机振动作用模式,根据适用于渤海湾的随机冰力谱构造随机冰载荷时程曲线,基于半耦合的时域方法,采用SACS软件对支撑结构进行冰激振动分析,输出塔筒顶部加速度、单桩基底剪力及倾覆力矩等响应参数的时程曲线和响应功率谱;最后针对冰厚、冰速和海冰强度等海冰参数对支撑结构的冰激振动进行敏感性分析。研究结果表明,在随机振动模式下,冰载荷及结构动力响应对冰厚和海冰强度较为敏感,在进行冰激振动分析时应合理确定冰厚和海冰强度等参数。     

自升式平台冰激动力响应分析

应用ANSYS软件建立了平台和冰相互作用的有限元模型,构建了自升式平台的冰激振动模型,并计算基于2种冰力模型的自升式平台的动力响应。此动力分析方法具有建模方便和计算精度高的特点。以某自升式平台为例,计算了冰和平台结构相互作用的耦合效应,为自升式平台冰激振动安全评估提供了参考依据。     

冰激锥体振动物理模拟实验

应用DUT 1非冻结可破碎模型冰进行冰激锥体振动模拟实验的实验设备和模型的设计 ,给出了低冰速和高冰速两种情况下的结构位移曲线、冰力曲线及其幅值谱分析结果 ,得出了结构卓越频率和冰速与特征长度之比的关系 ,发现冰激锥体振动同冰激柱体振动一样有“频率锁定”现象。将实验结果与已有的冰排与圆柱相互作用实验结果进行比较 ,发现冰激锥体振动和冰激柱体振动有着相似的机理     

海洋平台随机冰力谱的识别

将海冰对结构的作用看作是随机激励,利用海洋平台原型结构冰激振动的实测响应数据,用逆虚拟激励法(1PEM)识别了平台的冰载荷谱,结果表明逆虚拟激励法识别效果满足工程实际的需要,有较好的应用前景。     

基于尾流振子模型的海底管跨动力特性研究

以海底细长柔性管跨结构为研究对象,分析了当管外流体流经管道时产生涡激振动的动力学特性及其相关影响参数。为了考察海底管跨的振动响应,将尾流振子模型与管跨的振动方程相结合,得到了流固耦合系统的振动响应分别由两个变量为管跨位移和尾流举升力的偏微分方程描述。使用van der Pol非线性振子模拟作用在管跨上的振动尾流,通过实例的计算与分析,确定几个重要参数对管跨振动响应的影响程度。     

海洋平台基于隔振锥体装置的减振效应研究

针对导管架式海洋平台结构型式与特点,利用冲击隔振理论,将冰锥体与隔振技术结合起来,提出一种能有效降低冰荷载激励的"两级柔性隔振锥体"设计方案。建立了两极隔振锥体简化计算模型,确定了系统振动传递系数参数之间的关系。通过建立海洋平台有限元模型,采用有限元程序,进行了模拟冰荷载激励下的振动响应分析,并对安装隔振装置的小比例模型结构进行了冲击荷载下的减振试验。结果表明采用"两级柔性隔振锥体"能有效降低传递给海洋平台的冰力极值,减小海洋平台冰激励的响应。