深海平台组块双船浮托安装中的多浮体系统耦合动力响应研究

Many offshore operations may involve two or more floaters in close proximity, such as the catamaran float-over deck installation for offshore platforms. Aiming at exploring the interaction mechanism among the different coupled dynamic effects arising in catamaran float-over deck installation, this project adopts the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiment investigation, to analyse the complex coupled dynamics of the multi-body system under the wave excitation. The hydrodynamic interactions and decaying characteristics of the retardation functions of the multi-body system are analysed and studies are carried out to reveal the influence of fluid viscosity on the hydrodynamic interaction characteristics of the multi-body system. Besides, the dynamics of the multiple floaters interconnected by a flexible structure are investigated. The effects of the connection types and the structural parameters of the flexible connector on the dynamics of the floaters are also studied. The effects of the lightly decaying characteristics of the retardation functions on the accuracy of the constant parameter time domain model are further studied. Based on the constant parameter time domain model, the multi-body system time-domain hydrodynamic-structural coupled dynamic model can be established. By using the impact mechanics method, the multi-body multi-point impacts can be analysed. Integrated analyses of the dynamics of the multi-body system are conducted by considering the coupled effects of hydrodynamic interaction, rigid-flexible coupling and multi-body multi-point impacts. This research could provide an important tool for the engineering optimized design and the assessment of operation safety for catamaran float-over deck installation.

许多海上工程作业中会出现两个或多个浮体相邻作业，如基于双船浮托技术的平台组块整体安装等。本项目以探索平台组块双船浮托安装过程中不同耦合动力效应的相互作用机理为目标，采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法，研究双船浮托安装多浮体系统在波浪作用下的复杂耦合动力响应，分析相邻多浮体水动力干扰特性和延时函数的衰减特性，揭示流体粘性对相邻多浮体水动力特性的影响规律。研究相邻多浮体在柔性构件连接下的动力响应，分析不同连接方式及连接构件结构参数对多浮体运动的影响。进一步研究多浮体系统时延函数的弱衰减性对常系数时域模型精度的影响，在此基础上建立多浮体系统时域水动力-结构耦合动力模型，并利用碰撞动力学方法分析多浮体多点碰撞，综合分析多浮体系统在水动力干扰作用、刚柔耦合、多浮体多点碰撞等耦合动力因素作用下的运动响应，为双船浮托安装工程优化设计及作业安全性评估提供重要的分析手段。

浮托安装是目前安装大型海洋平台上部组块的主要方法，具有安装能力大、海上安装时间短等优点。与单船浮托安装相比，双船浮托安装具有更大的安装能力，且能适用于Spar平台和顺应式平台的上部组块安装。然而，双船浮托安装涉及复杂的多体水动力干扰，在安装过程中会产生复杂的多体碰撞，从而产生明显的非线性动力响应。本项目以探索平台组块双船浮托安装过程中不同耦合动力效应的相互作用机理为目标，采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法，研究双船浮托安装多浮体系统在波浪作用下的复杂耦合动力响应，分析相邻多浮体水动力干扰特性和延时函数的衰减特性，揭示流体粘性对相邻多浮体水动力特性的影响规律，开发多浮体系统时域水动力-结构耦合动力模型，并利用碰撞动力学方法分析多浮体多点碰撞，综合分析多浮体系统在水动力干扰作用、柔性连接构件、多浮体多点碰撞等耦合动力因素作用下的运动响应，为双船浮托安装工程优化设计及作业安全性评估提供重要的分析手段。目前，本项目已取得如下研究成果：（1）针对GBS平台浮托安装，基于所开发的垂荡-横摇-纵摇耦合时域模型分析了浮托安装不同阶段的非线性动力响应特性，并与专业海洋工程软件进行了对比验证，结果表明所开发的时域模型具有更高的计算精度和计算效率；（2）针对双船浮托安装过程中的多体水动力干扰问题，项目研究揭示了双船多体干扰对延时函数的影响规律，研究结果表明通过在频域水动力分析中引入人工粘性系数，可以有效解决多浮体系统时域分析不收敛的问题；（3）通过在频域势流理论模型中引入人工粘性系数，开发了基于状态空间模型的时域多体常系数模型，研究结果表明所开发的模型具有更高的精度；（4）基于浮托安装碰撞模型，开发了分析振荡浮子波能发电装置非线性动力响应的时域模型，可以揭示振荡浮子端止系统引起的复杂非线性动力响应。本项目所开发的模型可进一步完善与验证，为海洋平台浮托安装国产软件开发奠定重要基础。