基于BCALoD的FPSO软刚臂系泊系统疲劳分析

针对软刚臂系泊系统铰节点在服役过程中出现的疲劳损伤问题,提出一种基于原型监测和局部密度双向聚类算法(Bidirectional Clustering Algorithm based on Local Density,BCALoD)的疲劳寿命计算方法。采用BCALoD算法对获得的船体六自由度进行工况分类,运用多体动力学将运动数据转算为受力时程,将其作为铰节点疲劳寿命分析的载荷谱。采用Abaqus软件建立各铰节点有限元模型以计算热点应力,结合Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数方法计算疲劳寿命。进一步分析评估基于实测数据的铰节点疲劳设计指标,指出该FPSO软刚臂上铰节点的疲劳寿命不足以支持其完成服役,且各铰节点难以统一维护和更换。本研究可为在役软刚臂系泊系统的疲劳寿命计算提供一种新的载荷处理方法,为未来海洋平台的设计提供参考。

带刚臂梁—柱特征值分析及损伤识别研究

本文指出了对钢筋混凝土梁类构件和试验条件下的偏压柱试件采用带刚臂分析模型进行动力分析的必要性，并进行了理论推导和实例分析，提出了相应的刚度识别方法。

软刚臂系泊系统水平系泊力原型测量方法

以渤海某在役的浮式储油卸油装置(FPSO)软刚臂为研究对象,对其系泊力的测量方法从应变、位移和运动姿态3个方面进行了讨论,并对测量的精度及准确性进行了分析.结果表明,3种方法在测量精度上大体相同,而长期稳定性和成本上倾角仪(运动姿态)方法要好于其他两者.系泊力原型测量方法的应用,不但可以使作业者有效保障现役FPSO的系泊安全,而且其测力结果亦可作为软刚臂系泊性能评估的重要参考.

带刚臂的两节点精确悬链线索元的非线性分析

为解决应用悬链线索元时锚固点的刚性连接问题,在应用悬链线基本方程导出的两节点悬链线索元的切线刚度矩阵基础上,推导出两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元的切线刚度矩阵显式表达式,并且分析了考虑索元初次张拉和成形使用两种条件下切线刚度矩阵的迭代求解技术。分析和算例表明,应用两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元可以很好地解决前述问题,且其有限元分析格式与不带刚臂的悬链线索元完全一致,而且当索元不带刚臂时该切线刚度矩阵可自动转化为相应的刚度矩阵,实用价值较强。

FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析

本文针对渤海油田浅水FPSO软刚臂单点系泊系统，利用多刚体动力学的分析方法，建立软刚臂系泊系统动力方程进行受力分析，得到FPSO在风浪流中运动时转塔上的系泊力，并与模型试验实测得到的系泊力进行对比，以验证动力方程与计算程序的正确性。二者对比的结果吻合良好，动力分析方法正确，故可应用于对系泊系统的模拟和对FPSO运动中系泊系统的受力预测。

软刚臂监测的设计验证

为了探究浅水软刚臂在运行中的工作机理,根据软刚臂系泊浮体在役期间的失效模式确定监测信息,并设计了监测方案。基于C++研发了集成分析系统,获得了长期连续的数据。通过监测系统内的冗余数据,对FPSO浮体运动响应和系泊力测量系统进行了评价,验证了监测系统的正确性。该监测系统可为软刚臂在役期间提供实时的安全保障,测得的信息又可为软刚臂设计提供参考。

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.

浅水单点系泊FPSO软刚臂参数敏感性分析

软刚臂单点系泊FPSO是浅水油田广泛采用的油气开采设备。为研究单点系泊系统的受力性能,针对一艘作业于浅水油田的16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法建立FPSO—系泊腿—软刚臂的耦合模型,在时域内计算软刚臂单点系泊系统(SYMS)的动力响应特性;并进行软刚臂单点系泊系统参数敏感性分析,研究软刚臂系泊系统的系泊点高度、系泊刚架高度、软刚臂长度、系泊腿长度、压载舱重量等设计参数的变化对系统动力响应性能的影响。结果表明:单点载荷和系泊腿轴向载荷随着系泊点高度、系泊刚架高度和压载重量的增加先减小后增大,而随着软刚臂长度、系泊腿长度的增加则是先增大后减小;且单点载荷对软刚臂长度和压载重量这2个参数的变化最为敏感,而系泊腿轴向载荷则对系泊刚架高度、软刚臂长度这2个参数的变化最为敏感。

考虑索端刚臂的斜拉桥空间拉索非线性分析

为解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,在基于微分法导出考虑垂度效应的非线性空间杆元切线刚度矩阵的基础上,根据索端刚臂在受力后只有刚体运动而本身不变形的特点,将刚臂视为空间矢量,利用空间矢量有限转动公式及微分方法,导出了结构坐标系下刚臂两端的位移之间和杆端力之间的总量及增量关系.最终获得两端带任意刚臂的斜拉索空间杆元切线刚度矩阵表达式,编制了相应的斜拉桥几何非线性有限元计算程序,对经典桁架算例、带刚臂的三杆空间桁架和施工阶段的斜拉桥进行了空间几何非线性分析.计算结果表明:本文方法能解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,为斜拉桥进行几何非线性精细分析提供有力工具.

水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响

系泊系统的定位能力是浅水油田作业的软刚臂式单点系泊FPSO安全作业的重要保障,为研究不同水深/吃水比下单点系泊系统的受力性能,针对一艘16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法,建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二阶波浪力,在时域内计算了不同水深/吃水比对系泊系统动力响应性能的影响。结果表明,随着水深/吃水比的增加,Newman近似法计算得到二阶波浪力先增大后减小,引起单点系泊系统载荷先增大后减小;而Pinkster近似法计算得到的二阶波浪力逐渐减下,引起单点载荷逐渐减下。在浅水条件下,Pinkster近似法具有较好的适用性,Newman近似法严重低估了FPSO所受的二阶波浪力;在深水条件下,Newman近似法能满足工程计算的要求;适用两种方法的临界水深/吃水比为1.64。

软刚臂系泊系统水平恢复力特性数值预报

建立软刚臂系泊系统的理论模型以及6自由度静恢复力特性计算分析的数学模型,模拟实际几何关系与力学作用机制。提出基于误差判断的变步长迭代搜索的数值逼近求解方法,以QHD32-6 FPSO软刚臂系泊系统的纵向和横向水平恢复力特性为例进行数值预报,并与国外设计公司计算结果以及模型试验结果进行比较分析。对比显示,该模型的数值计算结果符合良好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊系统静恢复力特性的预报。

软刚臂单点系泊系统静力特性分析

软刚臂系泊系统是一种利用压载质量为浮式生产储油装置(FPSO)提供回复力的单点系泊方式。为快速准确地评估多铰接组成的软刚臂系统的受力状态,避免应用高复杂度的有限元软件,进而快速完成优化设计等任务,建立一种静力计算方法十分有必要。因此,针对由刚臂(YOKE)、柔性系泊腿和压载舱组成的刚柔多体系统,以分解组合的方式,提出一种二维静力计算方法,用以研究FPSO软刚臂系泊系统的静力特性。该方法主要依靠软刚臂的几何构型,在有限铰接约束下,形成非线性静力平衡方程,建立了压载舱式水上软刚臂单点系泊系统二维静力平衡计算算法。采用OrcaFlex、SESAM等软件开展了理论和数值对比分析,同时与系泊试验结果开展验证分析。对比结果表明,文中所提方法计算精度较高,可为软刚臂单点系泊系统的研究提供可靠支持。

带刚臂的钢框架-混凝土核心筒结构的抗震性能分析

对带有刚臂的钢框架-混凝土核心筒超高层结构进行有限元计算分析,并对不同的结构布置和结构内力的突变进行比较分析,研究了刚臂的位置、数量、节点的连接方式改变时,其地震作用下结构地震反应的一般规律.结果表明,在地震作用下,设置一道刚臂的最佳位置在0.466倍房屋高度处;刚臂的数量尽量多设,不仅能减小侧向位移,而且能够减小刚臂处钢柱内力的突变;外围钢框架与核心筒之间采用刚性连接对于结构的抗震性能最有利.

基于U.L列式的带刚臂平面梁元非线性分析

为解决平面梁元在相交处可能存在的刚性连接问题,根据带刚臂平面梁元在受力后的运动和变形特点,基于U.L法推导出两端带任意刚臂的平面梁元的切线刚度矩阵表达式,指出已有文献在推导过程中省略了单元已有内力对切线刚度矩阵附加项的影响,有可能出现在非线性程度较高的时候计算不收敛的问题,给出了不平衡力的精确全量算法,并提供了详细的计算步骤;利用本文的研究成果编制了程序,对无刚臂和有刚臂的平面梁结构进行了几何非线性分析.计算结果表明这种非线性单元列式的正确性和非线性求解过程的收敛性,实用价值较强.

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。

带刚臂空间梁单元及其在斜拉桥计算中的应用

按推导带刚臂平面梁单元的单元刚度矩阵的思路，推导出了带刚臂空间梁单元的单元刚度矩阵．这种单元形式应用于大型复杂结构的空间分析中，既能显著减少单元结点数量，又能较好地模拟实际结构受力状态，能给计算带来很大方便．

极限海况下软刚臂式单点系泊系统的初步设计

针对极端海况条件下,对海上核电平台的软刚臂式单点系泊系统进行了初步设计研究。采用我国渤海海域万年一遇海况条件,同时考虑极限海况下的风、浪、流以及冰载荷不同组合工况,对该系泊系统进行载荷及运动响应计算分析,建立了系泊时变刚度数值计算模型;绘制了系统的刚度特性曲线,最后,对该设计系统进行优化设计分析,包括:各设计参数敏感性分析、系泊力特性分析、低频共振特性分析、运动特性分析和防碰撞余量分析等。综合以上分析,最终确定该系泊系统在不同海况重现期标准下的主尺度、结构重量和重心以及载荷与运动响应。该文软刚臂式单点系泊系统的设计方法及其优化分析过程,对单点式系泊系统的选型和设计具有一定的参考意义。

基于实测的软刚臂横摆疲劳分析

针对浮式生产储存卸货装置中软刚臂系泊系统所产生的横摆问题,运用相位分析方法分析软刚臂横摆与船体横摇的共振现象,研究了软刚臂横摆的疲劳分析方法;以软刚臂上铰点为例,运用雨流计数方法统计上铰点1a的循环次数,并推算出其15a的循环次数,利用有限元方法计算15a的循环次数下的疲劳损伤.结果表明,上铰点的整体损伤达到了0.57.在软刚臂的设计年限内,上铰点存在疲劳失效的隐患风险,亟需寻找切实可行的方法以降低共振所带来的影响.

水下软刚臂式单点系泊系统解脱设计

以渤海海域海洋石油112 FPSO的解脱为例,设计大抓力锚与大功率拖船配合的新方法对FPSO进行精确控位,建立水下YOKE排载系统以提高FPSO与YOKE分离所需的提升能力,设计水下软刚臂单点系泊系统的解脱工艺。实践表明,解脱工艺和方案安全可靠,实现了世界首例水下软刚臂单点系泊系统海洋石油112FPSO的解脱。

带刚臂平面悬链线索单元的非线性分析

针对索梁混合结构中存在的索单元锚固点刚性连接问题，将锚固点的刚性连接视为刚臂，进行了带刚臂的平面悬链线索单元研究。一方面在已有文献的基础上，根据平面刚臂的受力和变形特点，基于微分方法导出了两端带任意刚臂的平面悬链线索单元切线刚度矩阵显式表达式；另一方面，为考虑温度变化对索单元计算的影响，基于索单元变形的几何与物理意义进行了考虑温度变化的索单元节点力计算方法的研究。通过与已有文献的对比，表明了本文研制的程序及导出的考虑温度变化的索单元计算方法的正确性；考虑温度变化下由本文方法得到的索水平张力与已有文献解析解最大仅相差0.862%。同时本文考虑的刚臂非线性因素更加全面，具体体现在：在非线性计算能力上，已有文献方法在荷载大于2.52kN 时计算无法收敛，远小于本文方法能达到的35kN；在计算效率方面，在7个荷载增量步内已有文献方法所需的迭代步数为4-33，而本文方法的迭代步数保持在4不变。