内转塔式极地系泊钻井船冰载荷与运动响应研究

As global warming makes sea ice melt，abundant arctic oil and gas resources provide extra new protection for national oil and gas safety strategy for our country. Internal turret-moored arctic drill ship, as the most important equipment in the ice-covered area for oil exploration, is often studied from its exposure to ice loads and dynamic response at design stage. Based on a moored arctic drill ship, the present research aims to investigate on interaction process between drifting level ice and hull by using model test, analytical method and numerical simulation. The mathematical model of icebreaking force due to circumferential crack is built up. The broken ice force caused by submerged ice using Lagrange method to trace motions of every ice piece is calculated. The motion of broken ice and the amount of broken ice piling up the hull are considered. Ship dynamics for predicting the performance of arctic drill ship in ice is developed based on known icebreaking force and broken ice force. The simulated results are compared with the model test data. The present study is significant to the exploration and production of resources in Arctic regions and also helpful to research and development of Chinese polar ship.

随着全球气候变暖，海冰融化，北极丰富的油气资源可为我国油气安全战略提供新的保障。极地钻井船舶，作为冰区油气开发的主要海洋工程设备，在设计阶段首要解决的就是冰载荷和运动响应预报问题。本课题以内转塔式极地系泊钻井船为研究对象，采用模型试验，理论分析和数值模拟相结合的手段，关注极地钻井船在冰区定点作业时与平整冰之间的相互作用问题。基于平整冰环向断裂方法，开发冰块局部断裂的相互作用模型，建立转塔式极地钻井船破冰载荷数值计算方法；基于拉格朗日碎冰粒子跟踪法，求解水下碎冰沿船体表面运动状态和船体周围碎冰堆积量，建立水下碎冰载荷数学模型；根据破冰载荷和碎冰载荷，求解船舶运动方程。用此方法预报得到的内转塔式极地系泊钻井船所受到的冰载荷及其运动响应将与模型试验结果进行对比研究，进一步改进数值模型。本课题对我国参与开发极地资源具有十分重要的意义，为极地船舶与海洋工程的研发设计提供一定的理论和技术支持。

随着全球气候变暖，海冰融化，北极丰富的油气资源可为我国油气安全战略提供新的保障。极地钻井船舶，作为冰区油气开发的主要海洋工程设备，在设计阶段首要解决的就是冰载荷和运动响应预报问题。本课题以内转塔式极地系泊钻井船为研究对象，采用模型试验，理论分析和数值模拟相结合的手段，关注极地钻井船在冰区定点作业时与平整冰之间的相互作用问题。基于平整冰环向断裂方法，开发冰块局部断裂的相互作用模型，建立内转塔式极地钻井船破冰载荷数值计算方法；基于拉格朗日碎冰粒子跟踪法，求解水下碎冰沿船体表面运动状态和船体周围碎冰堆积量，建立水下碎冰载荷数学模型；根据破冰载荷和碎冰载荷，求解船舶运动方程。在本课题中，通过研究极地钻井船系泊冰阻力与运动响应，较为精确地模拟冰阻力随冰厚和冰速变化的规律。并基于6自由度的动态冰脊-结构相互作用时域模拟方法，模拟了由冰脊引起的整体力以及结构的响应。通过确定冰碎石与结构条的相对水平位置和运动，建立了计算水下冰堆积力的数值模型。基于概率设计中修正的理论模型，计算了松散龙骨引起的冰荷载。得到如下结论：（1）内转塔式钻井船系泊状态下，在斜漂流冰脊的作用下，会旋转直至顶向来冰场。（2）30°和170°漂移工况以横向力为主，迎头工况以纵向力为主。（3）动态冰力变化较大，系泊荷载总体上遵循冰力变化趋势。（4）系泊船舶经历较大的系泊冰载荷和横摇运动。计算出的系泊载荷范围为40-98MN，侧倾角度可达14°。本课题对我国参与开发极地资源具有十分重要的意义，为极地船舶与海洋工程的研发设计提供一定的理论和技术支持。