海洋水下管线系统动态响应建模与仿真研究

发布时间：2023-04-19 22:15

　　海洋水下管线系统是进行海洋科学研究、海水养殖，油气开发等活动的重要技术装备，在海洋平台的油气输送、FPSO系泊、水下遥控机器人的脐带缆等场合运用广泛。海洋管线的动力学响应特性直接影响到海洋工程装备的安全性和稳定性，因此，对海洋水下管线进行水动力学研究十分必要。 较早时期对海洋管线的研究基本上局限于静力分析范畴，主要目标是得到稳态下的几何构形和张力值。显然，仅仅进行静力分析无法描述海洋管线在真实海况下受风、浪、流综合作用的运动状态。为解决这一问题，人们发展了多种管线动态响应的建模方法，这其中以凝集质量法和有限差分法运用地较为广泛。 本文对海洋水下管线进行了静力学分析，推导得到了经典悬链线方程及静态解析解，并在模型验证部分作为对比的参照系。在此基础上，基于凝集质量法建立了一个海洋水下管线系统动态响应的数学--力学统一模型，推导了各种作用效果的计算公式，以广义主动力与广义惯性力相平衡构建了系统控制方程。随后运用Runge-Kutta法对管线模型的控制方程进行了数值求解，设计算例从柔性管线与刚性管线两个方面验证了模型的正确性，并对次水面浮标布放作业和海洋管线铺设与回收中的起管作业进行了数值仿真...

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 论文研究背景及其意义
    1.2 问题的提出
    1.3 国内外相关研究成果和动态
        1.3.1 解析解方法与有限元方法
        1.3.2 凝集质量法
        1.3.3 有限差分法
        1.3.4 水下管线系统建模方法的典型特点比较
    1.4 论文主要研究内容与关键技术
        1.4.1 论文主要研究内容
        1.4.2 关键技术与难点
2 管线系统静力学分析
    2.1 管线静力学分析
    2.2 波浪力的计算
    2.3 本章小结
3 水下管线系统动力学建模
    3.1 模型分解说明
    3.2 分段局部坐标系
    3.3 运动学分析
    3.4 广义惯性力
    3.5 重力、浮力与触底作用
    3.6 拉压变形的作用
    3.7 弯矩的作用
    3.8 粘滞阻力
    3.9 附加质量的影响
    3.10 建立控制方程
    3.11 边界条件
4 MATLAB 求解分析与 ORCAFLEX 介绍
    4.1 非线性方程组求解
    4.2 Runge-Kutta 法求解常微分方程
    4.3 MATLAB 程序简介
        4.3.1 常微分方程(ODE)初值问题 MATLAB 求解
        4.3.2 本文 MATLAB 程序说明
    4.4 ORCAFLEX 简单介绍与对比
        4.4.1 Orcaflex 模型介绍
        4.4.2 Orcaflex 管线模型的力学分析
    4.5 本章小结
5 算例分析与对比
    5.1 验证算例 1
    5.2 验证算例 2
    5.3 仿真算例 1
    5.4 仿真算例 2
    5.5 本章小结
6 全文总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
参考文献
在学研究成果
致谢



本文编号：3794314