1、海洋油氣的勘探與開采活動正在向越來越深的水域發(fā)展。作為深水和超深水海域中極具競爭力的平臺類型,Spar平臺在常規(guī)海況下表現(xiàn)出良好的運動特性。然而近期一些的實驗結果與數(shù)值模擬顯示:由于耦合非線性因素的存在,使得當平臺遭遇到長周期涌浪時將出現(xiàn)復雜的非線性耦合共振現(xiàn)象,導致平臺主體運動的失穩(wěn)和系纜張力的突然增大,危及平臺的作業(yè)安全。目前對于Spar平臺非線性運動穩(wěn)定性與耦合動力響應方面的研究已成為海洋工程界關注的焦點。
　　 本文依據(jù)

2、非線性動力學理論,研究經典式Spar平臺主體運動的非線性穩(wěn)定性問題;采用數(shù)值模擬方法,計算在規(guī)則波浪下主體-系泊系統(tǒng)的耦合動力響應。本文的主要工作與結論如下:
　　 (1)概述了Spar平臺的結構形式和總體性能,回顧了Spar平臺的發(fā)展歷程,綜述了國外Spar平臺的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,介紹了國內外關于Spar平臺的最新研究成果,確定了本文的主要研究方向與關鍵問題。
　　 (2)計算經典式spar平臺主體所受到的波浪載荷。

3、根據(jù)剛體動力學理論推導出Spar主體垂蕩、縱蕩、縱搖三自由度的運動方程。根據(jù)繞射輻射理論,以一座實驗Spar平臺為算例,計算了該平臺主體所受到的一階波浪激勵力、一階輻射阻尼力,二階縱蕩波浪力,為之后的理論分析打下了基礎。
　　 (3)研究Spar平臺縱搖運動的Mathieu不穩(wěn)定性?？紤]垂蕩運動對于縱搖穩(wěn)性高度的影響,建立了Spar平臺非線性參-強聯(lián)合激勵縱搖運動方程。應用攝動法求得了主參數(shù)共振時方程的近似解析解,根據(jù)李雅普諾夫

4、穩(wěn)定性定理對方程解的穩(wěn)定性與局部分岔特性進行分析,揭示了縱搖運動出現(xiàn)參激失穩(wěn)的機理,做出了發(fā)生大幅值縱搖運動的不穩(wěn)定參數(shù)域,進而建立了預報平臺發(fā)生參數(shù)激勵縱搖運動的方法,分析了不同參數(shù)激勵與縱搖阻尼對于縱搖運動響應的影響。
　　 (4)研究Spar平臺垂蕩與縱搖運動的耦合內共振特性。考慮瞬時波面和一階波浪激勵力的影響,建立了兩自由度耦合非線性方程。針對垂蕩與縱搖固有頻率間的準2∶1關系,采用多尺度法導出了當波浪頻率接近垂蕩固有頻

5、率時耦合方程的近似解析解并數(shù)值驗證,根據(jù)Floquet理論對定常周期解的穩(wěn)定性進行分析。研究發(fā)現(xiàn):當出現(xiàn)耦合內共振現(xiàn)象時垂蕩運動存在能量飽和現(xiàn)象,當垂蕩激勵力繼續(xù)增大時,多余的垂蕩能量將向縱搖模態(tài)轉移,導致出現(xiàn)不穩(wěn)定縱搖運動。增加垂蕩阻尼可降低垂蕩共振幅值,而增加縱搖阻尼或擴大垂蕩與縱搖同有頻率間的差距將削弱兩自由度問的耦合關系,從而避免耦合內共振運動的發(fā)生。
　　 (5)研究Spar平臺垂蕩與縱搖運動的組合共振特性。采用攝動法

6、導出當波浪頻率接近垂蕩與縱搖固有頻率之和時響應方程的近似解析解并數(shù)值驗證,根據(jù)Routh-Hurwitz判據(jù)對零解的穩(wěn)定性和局部分岔特性進行了分析。研究發(fā)現(xiàn):較大的縱搖激勵力矩將導致解曲線發(fā)生局部分岔行為從而衍生出穩(wěn)定的亞諧分量,是導致兩自由度響應出現(xiàn)倍周期與幅值跳躍現(xiàn)象的根本原因。提高系統(tǒng)阻尼可減小零解的不穩(wěn)定區(qū)從而提高此時平臺運動的穩(wěn)定性。
　　 (6)計算規(guī)則波浪下Spar平臺主體-系泊系統(tǒng)的耦合動力響應。應用集中質量法模

7、擬系泊系統(tǒng),考慮系泊纜繩所受到的流體載荷和其與主體之間的相互作用,建立了系泊-主體全耦合分析模型,根據(jù)龍格庫塔法在MATLAB語言環(huán)境下開發(fā)大型耦合計算程序ANCMS。以一座實驗Spar作為算例,得到了不同系纜長度時纜繩的靜態(tài)預張力與纜繩水中構型,測出了纜繩的非線性系泊剛度,對比了在規(guī)則波浪下有無系泊系統(tǒng)時平臺的運動響應,研究了系泊纜繩的粘性阻尼與質量慣性力對于平臺運動響應的影響,得到了以波浪頻率為分岔參數(shù)的主體運動幅值與系纜張力分岔圖