考虑松弛-张紧效应时深海系缆-平台耦合运动及稳定性研究

A SPAR is one of the excellent deep-water platforms. In the extreme ocean conditions and certain system parameters,the mooring lines will be broken since snap tension generated by transforming from taut to slack, and SPAR will move with large amplitude and loss its stability，which will result in the loss of life and property. Studying the coupling motion characteristics of SPAR platform and mooring system is of great significance.Based on the previous project supported by the NSFC, the modern nonlinear dynamics theory and stress wave theory, together with the hybrid dynamic system theory, will be uesed to establish the coupling motion equations of platform and mooring linde transforming from taut to slack;the motion charactercs of taut-slack mooring line-platform system under multi kinds of parameters will be studied, and the complex dynamics problems such as periodic motion，period-doubling motion, bifurcation and chaos will be analized. The affects of taut-slack on the movement characteristics of mooring-platform coupled system under various parameters will be discussed,and the conditon that the system lose its stability will be determined; the analysis method considering the process of taut-slack transforming will be obtained through the experimental verification to results of theory research.This study is expected to reveal the complex nonlinear dynamics phenomenon of taut-slack mooring line-platform coupling system, coupling calculation and analysis for mooring-platform system will be achieved, and the motion mutation and instability mechanism of the mooring-platform system will be provided. The expection results of this project can be used to calculate the dynamic response of deepwater mooring system, and expand the application scope of modern nonlinear dynamics.

SPAR平台是优秀的深海平台候选形式，在极端海况和系统参数下SPAR平台大幅运动失稳，系泊缆绳由于松弛-张紧的冲击张力而破断，造成生命财产损失，研究SPAR平台的整体运动具有十分重要的意义。本研究在前一基金研究工作的基础上，采用现代非线性动力学理论、应力波理论的同时，引入混合动态系统理论，建立包含缆绳松弛-张紧状态的系缆-平台耦合运动学方程;分别研究缆绳-平台耦合系统在多种参数下的运动特性，分析系统中可能出现的周期、倍周期和分岔混沌等复杂动力学现象；研究系缆松弛-张紧对平台运动的影响，确定系统失稳的条件；采用实验方法对理论分析结果进行验证，得到考虑缆绳松弛-张紧过程的分析方法。本研究预期揭示系泊耦合系统中存在的复杂非线性动力学问题，实现系泊平台耦合系统计算和分析，给出系泊缆绳-平台系统的耦合运动突变和失稳机理。项目预期成果可用于深海系泊系统的动力响应计算，在理论上拓展现代非线性动力学的应用

在极端海况下SPAR 平台会大幅运动失稳，系泊缆绳由于松弛-张紧的冲击张力而破断。本研究针对平台-系泊缆绳这类的刚-柔耦合系统，利用动力学方程与广义坐标的选取以及非完整约束函数选取的无关性，提出了一种不基于任何变分原理而建立非完整系统基本运动方程的新方法，并建立了系统的耦合动力学方程；探讨方程的求解方法，研究了有限差分法在对线性化后的系泊系统以及原系统计算上的适用性，进而求解得到了在较小振幅或较低频率系泊缆绳松弛-张紧的运动特性和张力变化情况，提出了一种对Boltzmann-Hamel方程的化简方法和一种求解单调变分包含问题的压缩算法；研究了松弛-张紧状态下系泊缆绳与浮体耦合运动的特性，得到了系统发生松弛-张紧的区域，计算得到系统发生松弛-张紧状态时的参数分布图、胞映射图、李雅普诺夫指数和分岔图等，给出系统发生周期、倍周期和分岔等复杂动力学现象的响应条件和稳定性；研究了系泊系统松弛-张紧的抑制措施，分析了附加浮筒对系泊缆松弛-张紧特性和冲击放大系数的影响，以及通过非线性能量阱对主结构进行减振的方法。在实验方面采用双目摄像的方式对缆绳模型的空间运动进行非接触式测量，同时采用光纤光栅应变传感器测量缆绳模型的动应变，得到缆绳标记点的空间运动轨迹及局部特性；对畸变模型理论进行了初步的研究，得到了最大幅值随畸变系数变化的关系。本成果初步建立了针对平台-系泊缆绳耦合系统从建模到求解的一整套方法，揭示了系统在松弛-张紧过程的复杂动力学行为及其发生的条件，并通过寻求减振方法来实现松弛-张紧现象的发生，在对刚-柔耦合系统问题的研究中迈出了重要的一步，同时为海洋工程系泊系统的设计和安全评估奠定理论基础。. 本项目的研究成果，目前发表论文22篇，其中SCI检索论文11篇，EI检索论文4篇，培养毕业博士研究生3名，毕业硕士研究生1名，另有2名在硕士研究内容完成后继续攻读博士学位。