基于参激-波激-涡激深海Spar平台垂荡-纵摇-横摇耦合随机运动特性研究

This application is a further study on the accomplished fund projects. Considering the tensioned mooring system, the dynamic response and stability of the coupling heave-pitch-roll motion for the deep-sea Spar platform under the combined effects of random wave forces and the vortex-induced lift are studied in this application. The calculation methods and the expressions of parametric excitation items are proposed considering the stochastic time-varying metacentric height and the displacement volume. The nonlinear coupled heave-pitch-roll motions are established, taking the different factors into consideration. Such as, the nonlinear relationship between the restoring stiffness of mooring system and the floating-body motion, the various hydrodynamic damping factors of platform system, and the internal resonance relations between the platform movement modes. The influences of restoring stiffness, draft, and vortex-induced on the coupled motion between different movement modes will be studied, and the instability domain for different movement modes, as well as the Spar platform dynamic behavior with internal resonance between different movement modes will be determined. Both the effects of heave motion modes on other motion modes and the instability mechanism for the motion of Spar platform will be revealed.The instability dynamic conditions of the three movement modes under regular waves and stochastic waves are given, respectively.This research can lay an important theoretical foundation for the dynamic optimization design and survivability evaluation for the Spar platform under severe sea state.

本申请是对已完成的基金项目的进一步深入研究。本申请主要针对我国深海桁架式Spar平台，考虑深海平台的张紧式系泊系统，研究随机波浪力及涡激升力共同作用下，深海Spar平台垂荡-纵摇-横摇耦合动力运动及稳定性。考虑平台初稳性高和排水体积的随机时变特性，提出参数激励项表达式和计算方法；考虑系泊缆恢复刚度与浮体运动之间的非线性关系、平台系统多种水动力阻尼因素，以及平台运动模态之间的内共振关系，建立垂荡-纵摇-横摇三自由度耦合运动方程，研究系泊系统回复刚度、吃水、涡激等对于不同运动模态耦合运动的影响，确定平台不同运动模态失稳的参数域，以及平台运动模态之间内共振运动的动力学行为，揭示Spar平台垂荡运动模态对其它运动模态的影响和平台运动失稳机理，分别给出规则波和随机波作用下三个运动模态的大幅运动和失稳的动力学条件。这将为恶劣海况下深海Spar平台动力优化设计和生存能力评估奠定重要的理论基础。

Spar平台由于其较大的水深适应性和良好的水动力性能成为深海资源开发的重要平台形式。本项目是对已完成基金项目的进一步深入研究。.在原有垂荡-纵摇二自由度模型的基础上将自由度扩展到横摇模态，建立了Spar平台垂荡-横摇-纵摇三自由度耦合分析模型。针对垂荡、横摇和纵摇固有频率接近2：1：1的Spar平台，考虑随机波浪和海流，研究波浪力和涡激升力共同作用下，深海Spar平台三个模态包括垂荡-纵摇-横摇耦合动力响应特性及运动稳定性。考虑平台初稳性高和排水体积的时变效应，提出了参数激励项以及耦合非线性项的计算方法，建立了Spar平台垂荡-横摇-纵摇三自由度耦合非线性运动方程。.采用基于势流理论的浮体绕/辐射数值计算程序求解了作用在平台主体上的一阶波浪载荷，采用CFD软件Fluent对圆柱的二维绕流进行了数值模拟，得到涡激升力系数和涡泄频率。针对波浪力主共振，涡激力主共振等非线性共振关系求得了Spar平台在各种极端海况下的近似解析解，并对解析结果进行了数值验证，得到了Spar平台不同模态的失稳参数域，以及平台垂荡，横摇和纵摇各个运动模态之间的内共振运动行为，揭示了Spar平台发生各种非线性共振现象的机理，同时针对不同阻尼和波浪力以及涡激力对于不同模态耦合运动做了敏感性分析。考虑随机波浪的影响，势流理论数值计算程序求解了作用在平台主体上的一阶波浪载荷线性传递函数（LTF）和二阶波浪载荷二次传递函数（QTF）矩阵；基于传递函数和海浪谱生成随机波浪载荷的时间历程，在时域内分别数值模拟了单向随机不规则波、多向随机不规则波以及随机波和同向海流引起的涡激载荷共同作用下Spar平台的垂荡-横摇-纵摇非线性耦合运动响应。.在天津大学船舶与海洋工程水池进行了Spar平台垂荡-横摇-纵摇非线性运动模型试验。试验验证了解析解和数值解的准确性，得到了平台固有运动特性，幅频响应特性，以及组合共振和内共振等非线性耦合运动规律，揭示了能量在垂荡、横摇和纵摇模态的渗透机理以及初始条件对能量在各模态转移的影响，确定了Spar平台发生组合共振和内共振的不稳定参数区域，以及涡激力对平台非线性运动行为的影响。.本课题揭示了Spar平台在波激和涡激作用下垂荡-横摇-和纵摇非线性共振运动的失稳机理， 给出了平台运动失稳的分析方法， 提出了平台运动失稳的控制技术，为 Spar 平台动力学参数优化和运动控制奠定了理论基础。