专利名称：一种钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法
技术领域：
本发明涉及一种分析方法，尤其是涉及一种钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法。
背景技术：
钢悬链线立管是深海油气开发的新型立管系统，与柔性立管相比，钢悬链线立管的成本低；与顶张力立管相比，它无需顶张力和浮体垂荡运动的补偿，被认为是深海油气资源开发的一个成本有效的立管解决方案。钢悬链式立管不仅取代了柔性立管成功应用于张力腿平台和半潜式平台，而且成为浮式生产系统和浮式生产储运系统首选的立管型式，同时也被认为是固定式平台的经济型立管。它集海底管线和立管为一身，无需海底的应力接头或柔性接头连接，大大降低了水下施工的工程量和施工难度。同时其顶部自由悬挂在平台外侧，无需液压气动张紧装置和跨接软管，节省了较大的平台空间，而且对浮体的漂移运动有较大的容度，更适合于高温高压介质环境，得到了深海开发的青睐，成为深海油气资源开发的首选立管系统。钢悬链式立管是一条悬挂在浮式平台上的自由悬垂钢管，如
图1所示，其轴线呈悬链线形状。由于它直接延伸至海床上，在海床上具有触底点2，与海底管线是一条整体的钢管。与海床接触的一段管线称为流线段3，从海底至浮式平台的一段悬垂管线称为悬垂段 1。悬垂段1与海水发生相互作用，称为流固耦合，而流线段则受到海床土的约束作用。由于钢悬链式立管的顶端与浮式平台连接，因此，它将随着浮式平台的运动而运动。钢悬链式立管随浮式平台的运动包括悬挂点的位移、速度和加速度，位移决定了钢悬链式立管的当前位置，而速度和加速度则决定了钢悬链式立管的运动状态和惯性。目前，钢悬链式立管的分析方法存在以下问题1)钢悬链式立管的顶端悬挂在浮式平台上，它对浮式平台的约束作用与系泊系统类似，其约束力随浮式平台的运动而变化。但是，现有的钢悬链式立管动力分析方法采用耦合分析方法，即将浮式平台和钢悬链式立管作为两个结构系统分别进行分析。分析浮式平台时，不考虑钢悬链式立管对浮式平台的约束作用。因此，计算结果与浮式平台的真实运动状态有较大的区别。因为钢悬链式立管的约束作用与重力式锚链相当，因此，忽略钢悬链式立管的约束作用相当于浮式平台缺少一根锚链。2)位移耦合分析方法，现有技术采用钢悬链式立管与浮式平台位移耦合的分析方法，即将钢悬链式立管与浮式平台作为两个结构系统分别进行分析。分析钢悬链式立管时， 将浮式平台与钢悬链式立管连接点的运动位移作为钢悬链式立管顶端的边界条件输入。而二者之间的其它耦合作用，包括力、速度和加速度，均被忽略。3)忽略转动效应，钢悬链式立管的顶端通过柔性接头与浮式平台连接，因此，浮式平台的纵摇和横摇运动将对钢悬链线立管产生弯曲作用。但是现有技术的耦合分析方法只能将浮式平台和钢悬链式立管连接点的线运动输入到钢悬链式立管的顶端边界条件中，而转动被忽略。因此，无法将浮式平台对钢悬链式立管产生的弯曲作用耦合到钢悬链式立管的顶端，即忽略了浮式平台对钢悬链式立管的转动作用。如果要正确地分析钢悬链式立管，必须采用钢悬链式立管与浮式平台整体分析的方法。如果采用现有技术的耦合分析方法，则只能进行位移耦合分析，而忽略连接点的速度和加速度耦合。因为，耦合分析方法将钢悬链式立管顶端作为边界，通过单独计算浮式平台的运动，先求出浮式平台的位移，再将浮式平台与钢悬链式立管连接点的位移作为钢悬链式立管的顶端边界条件输入，从而计算出钢悬链式立管的运动，这就忽略了浮式平台运动速度和加速度对钢悬链式立管运动的影响。针对于目前的分析方法中存在的问题，需要找出一种合理的方法予以解决。
发明内容
本发明提出了一种钢悬链式立管与浮式平台整体分析的方法，从而可以实现钢悬链式立管与浮式平台的整体分析问题。本发明的目的之一是建立钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，改进现有技术将钢悬链式立管和浮式平台作为两个独立结构系统的耦合分析方法。本发明的目的之一是考虑浮式平台纵/横摇对钢悬链式立管的转动效应，通过整体分析实现钢悬链式立管与浮式平台之间的弯矩传递。本发明的目的之一是考虑浮式平台运动速度和加速度对钢悬链式立管运动和受力的影响，通过整体分析实现钢悬链式立管与浮式平台之间的惯性力传递。本发明的目的之一是考虑钢悬链式立管对浮式平台的约束作用，通过整体分析实现钢悬链式立管与浮式平台之间的约束力传递。本发明涉及一种钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其中，将浮式平台作为一个刚体，采用有限元方法中的刚臂单元将浮式平台与钢悬链式立管连接为一整体结构，从而将浮式平台的刚体运动转换为钢悬链式立管顶点的运动，实现对钢悬链式立管与浮式平台的整体分析。其中，在计算浮式平台与钢悬链式立管连接点的运动中，对参数线/角位移、线/ 角速度、线/角加速度、力和力矩进行了耦合计算。其中，浮式平台的质心运动包括质心的平动和绕质心的转动。其中，钢悬链式立管的刚度远远小于浮式平台。其中，其特征在于钢悬链式立管与浮式平台整体运动方程为，
权利要求
1.一种钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于将浮式平台作为一个刚体，采用有限元方法中的刚臂单元将浮式平台与钢悬链式立管连接为一整体结构，从而将浮式平台的刚体运动转换为钢悬链式立管顶端的运动，实现对钢悬链式立管与浮式平台的整体分析。
2.如权利要求1所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于在计算浮式平台与钢悬链式立管的运动中，对浮式平台与钢悬链式立管连接点的力和运动参数线/角位移、线/角速度、线/角加速度、力和力矩进行了耦合计算。
3.如权利要求2所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于浮式平台的质心运动包括质心的平动和绕质心的转动。
4.如权利要求1-3中任一项所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于钢悬链式立管与浮式平台整体运动方程为，
5.如权利要求4所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于
6.如权利要求5所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于对上述方程进行求解，按照API RP 2RD规范的要求将钢悬链式立管划分为若干个单元，采用梁单元插值函数计算单元的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，形成相应的系统总体矩阵。
7.如权利要求6所述的钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其特征在于对钢悬链式立管与浮式平台的整体运动方程，采用时程分析法求解，得到钢悬链式立管的节点加速度、速度和位移响应。
全文摘要
本发明涉及一种钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法，其将浮式平台作为一个刚体，采用有限元方法中的刚臂单元将浮式平台与钢悬链式立管连接为一整体结构，从而将浮式平台的刚体运动转换为钢悬链式立管顶端的运动，实现对钢悬链式立管与浮式平台的整体分析。该方法改进了现有技术将钢悬链式立管和浮式平台作为两个独立结构的耦合分析方法，实现了钢悬链式立管与浮式平台之间的惯性力及弯矩传递。
文档编号G06F17/50GK102354323SQ201110280779
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月12日 优先权日2011年9月12日
发明者刘娟, 孟庆飞, 白兴兰, 黄维平 申请人:中国海洋大学