风浪流联合作用下深海SPAR平台垂荡-纵摇耦合非线性运动及稳定性分析

In the previous research，nonlinear motion characteristics of Spar platform is studied only considering the incentives of the waves,without considering the influence of wind and current loads.The dynamic response and stability of the coupling heave-pitch motion characteristics of spar platform under the combined effects of random wind wave and current forces are studied in this application.The nonlinear coupled heave-pitch motion are established，taking the different factors into consideration. Such as, the metacentric height and the change of the displacement volume, including the influences of higher order nonlinear terms and the instantaneous wave surface,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 hydrodynamic damping,restoring stiffness, draft, and environmental load on the coupled motion between different movement modes will be studied, and the instability domain for different movement modes under coupled of wind,wave and current loads. The instability dynamic conditions of heave and pitch movement modes under determinidtic loads and random loads are given, respectively. The effects of heave motion modes on other motion modes and the instability mechanism for the motion of Spar platform will be revealed. And the method will be proposed to prevent the significant unstable motion for Spar platform.

以往研究Spar平台的非线性运动特性时，只是考虑了波浪对平台的激励作用，而没有考虑风、流载荷对平台的影响。本项目研究Truss Spar平台在随机波浪力和风流联合作用下的耦合运动特性及运动稳定性。考虑瞬时排水体积、初稳性高和波面升高的影响，考虑系泊缆绳、平台主体和垂荡板结构的水动力阻尼，考虑平台吃水，考虑系泊缆绳与平台主体之间的非线性耦合关系以及垂荡纵摇运动模态的内共振关系，建立风浪流联合作用下Truss Spar平台的垂荡-纵摇耦合运动方程，研究水动力阻尼、吃水、环境载荷等因素对Truss Spar平台耦合运动的影响，确定风浪流联合作用下平台耦合运动的失稳参数域。针对确定性载荷、随机载荷两种情况，分别给出垂荡和纵摇运动模态在上述两种情况下的响应特性以及失稳的动力学条件，揭示Truss Spar平台垂荡运动模态对纵摇运动模态的影响机理，并提出如何预防平台运动失稳的方法。

本研究从理论分析和数值模拟两种手段，对Truss Spar 平台的垂荡-纵摇耦合运动特性进行了分析。首先采用数值风洞的方法对平台上部模块进行了建模分析，基于N-S方程对结构上部的流体域进行了分析，得到了平台的平均风载荷，并选用Davenport谱得到了随机风载荷。然后基于外界环境载荷数据，分析了平台垂荡-纵摇两自由度的运动特点。结果表明：（1）在规则波作用下，考虑风载荷影响后，垂荡-纵摇耦合运动的内共振特性减弱，亚谐运动的成分降低；（2）当平台遭遇垂荡主共振，且垂荡-纵摇固有频率等于2:1时，考虑风载荷后，垂荡运动和纵摇运动的幅值均有所增大，其中垂荡幅值增大约12%，纵摇幅值增大约8%。且考虑风载荷和不考虑风载荷，均存在垂荡能量向纵摇自由度能量转移渗透的现象。当平台遭遇垂荡主共振，垂荡-纵摇固有频率远离2:1时，无论考不考虑风载荷，未出现纵摇失稳运动，未发生垂荡能量向纵摇自由度能量转移渗透的现象；（3）当垂荡运动频率与纵摇固有频率接近2：1时，平台非常容易发生纵摇参激运动，需要的外界激励力最小；而增大阻尼系数可以减小零解的不稳定区域，进而抑制平台发生参激运动；（4）在随机波浪作用下，Truss Spar平台垂荡-纵摇耦合非线性运动的亚谐运动特性减弱，与规则波同样特征波幅时，平台的纵摇运动幅值明显降低，计算结果较规则波作用的工况结果安全。