深水系泊线松弛-张紧过程变化的运动特性分析

摘要

深水张紧式系泊系统常采用链-纤维缆-链的结构形式，系泊线在随浮体运动过程中可能会出现松弛-张紧的往复转化，使系泊线内动张力幅值显著提升。瞬时大幅增高的动张力即定义为冲击张力，冲击张力会导致系泊线发生断裂，使系泊系统失效，对浮体结构安全生产造成严重影响。国内外对张紧式系泊系统进行了广泛的研究，但是侧重点多在于纤维系缆的动刚度特性、与浮式平台的耦合运动等方面，而对系泊线松弛-张紧变化的运动过程，以及系泊线内冲击张力产生的影响因素及变化规律尚不十分明确。因此，对深水系泊线松弛-张紧过程变化的运动特性进行研究十分重要。 本文主要针对深水张紧式系泊线在松弛-张紧变化过程中的运动响应问题开展具体研究工作。通过在系泊线顶端施加正弦位移激励，调整改变激励的频率与幅值，计算分析系泊线中动张力的变化规律，研究系泊线中呈现松弛-张紧变化的运动过程，提取系泊线中产生的冲击张力，并分析比较系泊线预张力、长度等因素对冲击张力的影响规律。 首先，基于ANSYS 18.1有限元分析软件，对张紧式系泊线进行建模，保证有限元数值模型受力与约束条件与原型系泊线保持一致，利用“生死开关”功能实现系泊线松弛-张紧过程的模拟，当单元应力为0时，关闭单元，应力大于0时，单元参与计算。通过算例验证数值模型计算结果的可靠性与准确性。 然后，选取系泊线初始预张力、系泊线弹性模量、截面直径和长度等参数进行改变，基于已建好的数值模型，对系泊线顶端继续施加正弦位移激励，计算系泊线的运动响应，通过改变激励频率与激励幅值，研究系泊线进入松弛-张紧运动状态的变化过程。 最后，提取各激励工况下系泊线中节点运动轨迹与动张力时程，对数据结果进行处理分析，总结出现松弛-张紧变化的临界激励幅值与频率关系，以及相关参数对冲击张力的影响及变化规律。 结果表明，系泊线顶端位移激励沿系泊线轴线方向的激励分量是引起系泊线发生松弛-张紧的主要原因。提高系泊线初始预张力，选择弹性模量大，截面直径小的缆材，并使系泊线长度尽可能短，会使系泊线运动保持张紧状态，避免冲击张力的产生。本文研究结果对进一步探究系泊系统中冲击张力的产生机理及其设计和安全评估具有参考意义。

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