3049-102970

نشریه مهندسی دریــا سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(23-34)

بررسی رفتار تاندون ها و سکوي پایه کششی در حالت صدمه دیده
امیرحسین رزاقیان1 ، محمدسعید سیف2* ، محمدرضا تابشپور3

کارشناس ارشد مکانیک دریا، قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحرکهاي دریایی، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استاد، قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحرکهاي دریایی، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استادیار ،قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحرکهاي دریایی، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله به آنالیز هیدرودینامیکی سکوي ISSC TLP در حالت صدمه دیده ناشی از انقطاع یک تاندون پرداخته شدهاست. هدف از این مهم، پرداختن به رفتار سکو در حین قطع یک تاندون ناشی از شرایط نامناسب دریایی میباشد. در بخش اول این مقاله به مدلسازي سکو و شرایط محیطی پرداخته شده و با قطع یک تاندون، اثرات گذرا روي تاندونهاي دیگر ارزیابی شده و نتایج نیروهاي پایدار نیز با نتایج تحلیلی صحت سنجی شدهاست. در ادامه نیز، تاریخچه زمانی 6 درجه آزادي، شتاب سرج و هیو و تغییرات نیروي تاندونها، در امواج با پریود و ارتفاع مشخص استخراج شده است. به منظور انجام آنالیز هیدرودینامیکی این سازه شناور، از یک نرم افزار المان مرزي چندمنظوره استفاده گردید. نتایج نشان می- دهد مدلسازي بنحو مناسب صورت پذیرفته و تعیین الگوي رفتار سکو در حالت صدمهدیده در امواج منظم امکانپذیر میباشد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 28/09/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 20/12/1392 تاریخ انتشار مقاله:28/12/1392

کلمات کلیدي:
سکوي ISSC TLP المان مرزي پارگی تاندون تئوري تفرق

Investigation of tendons and TLP behavior in damaged condition

Amir Hossein Razaghian 1, Mohammad Saeid Seif 2*, Mohammad Reza Tabeshpour3

M.S. student, Center of Excellence in Hydrodynamic and Dynamic of Marine Vehicles, Sharif University of Technology; [email protected]
Professor, Center of Excellence in Hydrodynamic and Dynamic of Marine Vehicles, Sharif University of Technology; [email protected]
3Assistant Professor, Center of Excellence in Hydrodynamic and Dynamic of Marine Vehicles, Sharif University of Technology; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 19 Dec. 2013
Accepted: 11 Mar. 2014
Available online: 19 Mar. 2014 This paper evaluates the hydrodynamic performance of a damaged ISSC TLP which is caused by a tendon disconnection. Performance evaluation of a TLP with a disconnected tendon in a rough sea state is the major aim of this paper. First off, modeling of a platform in a proper sea state is carried out and then after disconnecting

Keywords:
ISSC TLP
Tendon Disconnection
Boundary Element
Diffraction theory

20695931198232

one of the tendons, the transient effect on the other tendons is assessed. Also, the steady state forces are validated using analytical results. Additionally, time history of heave and surge accelerations, TLP six degree of freedom motions and also tendon forces are determined in regular waves. In order to assess the hydrodynamic performance of the platform, a numerical simulation is conducted, using multipurpose boundary element software. At last the analysis shows that the modeling of a damaged platform is carried out properly and also the conclusion can be drawn that it is possible to evaluate the performance of a damaged platform in Regular waves.
1 – مقدمه
از آنجا که جستجوي منابع نفت و گاز به سوي آب هاي عمیق (بیش از 400 متر) پیش رفته است، استفاده از سکو هاي ثابت به علت ممان خمشی زیاد ناشی از افزایش طول اعضا، عملا در آب عمیق غیر ممکن می باشد. از این رو با توجه به افزایش روند طراحی سازه هاي فراساحلی جدید، استفاده از سکوهاي پایه کششی و نیمه شناور و اسپار در اعماق زیاد پیشرفت چشم گیري کرده است. حرکت سکوهاي پایه کششی در راستاي سه درجه آزادي به صورت تطبیقی بوده( هیو، یاو، اسوي) که پریود طبیعی این حرکات زیاد می باشد و در راستاي سه درجه آزادي دیگر (رول ،پیچ، هیو) سخت بوده و پریود طبیعی کم می باشد. این فرایند ناشی از پیش کشیدگی اعمال شده توسط تاندون ها می باشد. ایده کلیدي در سازه هاي تطبیقی، کمینه کردن مقاومت سازه در برابر بارهاي محیطی، از طریق انعطاف پذیر کردن سازه می باشد. سازه هاي تطبیقی باید به صورت دینامیکی طراحی شوند. نکته مهم آن است که در اینگونه سازه ها اثرات غیر خطی شدیدي وجود دارد .شکل 1 سکوي پایه کششی چهار ستونه همراه با درجات آزادي آن را نشان می دهد.

شکل 1 – سکوي پایه کششی چهار ستونه همراه با درجات آزادي آن

با توجه به این که سکوهاي متعارف1، سکوهاي چهارگوشی هستند که از ستونهاي دایرهاي و پانتونهاي دایرهاي یا مستطیلی تشکیل شدهاند ،ISSC TLP نوع خاصی از سکوهاي متعارف میباشد که توسط کمیته بینالمللی سازه کشتی2 معرفی شدهاست. در پروژه حاضر سعی شد با استفاده از امکانات مدل سازي و تحلیل هیدرودینامیکی یک نوع بسته نرم افزاري چند منظوره مدلسازي سازه هاي فراساحلی به مطالعه رفتار سکوي پایه کششی ISSC TLP در امواج در حالت صدمه دیده ناشی از پارگی (قطع) یک تاندون و تأثیر گذاري این رفتار در نیروي تاندون هاي دیگر پرداخت. این نرم افزار از روش المان مرزي به استخراج نتایج و تحلیل آن می پردازد که در ادامه شرح مختصري از تحلیل هیدرودینامیکی سکو و حرکات و عملگرهاي دامنه پاسخ نیز ارائه شده است. هدف از مقاله حاضر روش شناسی و بررسی رفتار سکوي پایه کششی بهنگام پارگی یک تاندون از 12 تاندون ناشی از شرایط بد محیطی یا اشکال در اتصالات احتمالی تاندون می باشد. علاوه بر آن به آنالیز شتاب سرج و هیو ، نیروي تاندون ها و بررسی رفتار نوسانی این نیروها در حین پارگی یک تاندون و مقایسه این نیروها با مقادیر تحلیلی محاسبه شده نیز در ستون هاي مختلف پرداخته شده است. در راستاي فرایند مدلسازي سکوي پایه کششی چه با استفاده از نرم افزار و چه به صورت آزمایشگاهی و تحلیل این سازه در شرایط آسیب دیده فعالیتهاي پژوهشی مختلفی سرتاسر جهان صورت پذیرفته است که به تعدادي از آنها اشاره می شود .
تان و گاي (1981) به بررسی مدل یک سکوي پایه کششی چهار ستونه ISSC TLP در عمق 450 متر در امواج منظم و نامنظم پرداختند. هدف از این آزمایشات تصدیق نتایج محاسبات صورت گرفته براي سکوي پایه کششی با استفاده از تئوري پتانسیل سه بعدي بوده است. حل عددي این سکو بر پایه تئوري پتانسیل خطی صورت پذیرفته است. مقایسه بین تحلیل عددي و آزمایشگاهی در این مقاله منوط به حرکت نوسانی سکوي پایه کششی ناشی از فرکانس برخورد موج و نیروهاي موجود در تاندون هاي مهار می باشد[1]. رویتمن و آندرید و باتیستا (1990) در ریو د جنیرو برزیل به آنالیز مدل سکوي پایه کششی چهار ستونه با مقیاس کوچک براي تعیین پاسخ دینامیکی سازه در امواج پرداختند[2]. ضریب تشابه ابعادي در این آزمایشات برابر 179/1 در مدلسازي آب عمیق براي این مدل کوچک در نظر گرفته شد. مقایسه حل عددي و آزمایشگاهی براي تست ضربه و موج، تعیین ضرایب درگ و اینرسی مناسب، از جمله اهداف این آزمایشات، بوده است. زنگ ژایو و همکاران( 2007) به بررسی تحلیلی رفتار غیر خطی سکوي پایه کششی ISSC TLP براي عمق 450 متر پرداختند[3]. این بررسی منوط به امواج منظم بوده و اثرات درگ ویسکوز و کوپل 6 درجه آزادي مدنظر قرار گرفته است. زهرا تاجعلی (2008) به بررسی رفتار هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی اسکله هاي شناور زنجیره اي با استفاده از نرم افزار Moses و Wamit پرداخت[4]. در نهایت تأثیر پارامتر هاي مختلف بر اسکله تک بدنه، رفتار اسکله چند بدنه و تأثیر اتصالات روي رفتار اسکله شناور در نرم افزارهاي نام برده بررسی شد. محمدرضا تابش پور و همکاران( 2010) به بررسی اثر میراگر جرمی تنظیم شده بر روي نوسانات قائم سکوي پایه کششی با استفاده از نرم افزار Moses پرداختند[5]. این بررسی در نهایت به کاهش 20 تا 50 درصدي مقدار جابجایی قائم در هنگام اعمال بارگذاري موج هارمونیک شده است. آقاي یانگ و همکاران( 2010) به تحلیل عددي اثرات ناشی از پارگی یک تاندون بر رفتار سکوي پایه کششی از نوع گسترش یافته با توجه به شرایط بد دریایی در خلیج مکزیک پرداختند. در این تحلیل عددي با در نظر گرفتن کوپل سازه، مهار و رایزر و لحاظ کردن اثرات مرتبه دوم موج، به بررسی اثرات انتقالی در شش درجه آزادي سکوي پایه کششی از نوع گسترش یافته صدمه دیده پرداخته شدهاست[6]. در تحقیق حاضر سکوي پایه کششی متعارف تنها تحت تاثیر موج قرار گرفته و اثرات پارگی تاندون بر دینامیک سکو و رفتار 6 درجه آزادي آن بررسی می شود. از اثرات مرتبه دوم موج صرفنظر شده و رایزر در نرم افزار مدلسازي نشده است.

2 – مدلسازي عددي
نرم افزار چند منظوره مدلسـاز ي سـازه هـاي فراسـاحل ی بـه روش المــان مــرز ي، جــرم افــزوده، دمپ ینــگ تشعشــعی و نیروهــاي هیدرودینامیکی را از فشار هیدرودینامیکی روي سـطح تع یـی ن مـ ی کند. به علاوه براي تعیین نیروهـا ي هیـ درودینامیکی مرتبـه دوم ازفشار مرتبه اول استفاده می کند. این نیروهاي مرتبه دوم براي اکثر مدلسازي ها قابل صرف نظر کردن می باشد و اهمیت زیادي ندارد اما در سازه هایی که داراي خطوط مهار می باشـد ایـ ن نیروهـا نیـ ز حائز اهمیت می باشـد . جهـت تحل یـ ل دینـام یکی سـکو ي ISSC TLP و بمنظور محاسبه نیروي موج وارد بر سازه در این نـرم افـزاراز تئوري تفرق استفاده شده است. با تشکیل المان هاي سازه اي در تعریف مدل ISSC TLP در نرم افزار و اعمال مش المـان مـرزي، ترمهاي مختلف دمپینگ، جرم افزوده و نیرو بصـورت ز یـ ر محاسـبهمی شوند .
دمپینگ تشعشعی: مش تفرق
جرم افزوده: مش تفرق
دمپینگ ویسکوز: دمپینگ تاناکا در مش تفرق(فقط براي تحلیـ ل تاریخچه زمانی بدلیل عدم اعمال ویسکوزیته) • بویانسی: المان هاي سازه اي، مش تفرق
نیروي باد: المان هاي سازه اي
وزن: المان هاي سازه اي
نیروهاي مرتبه دوم موج: مش تفرق

2 – 1 – اتصالات و خطوط مهار
اتصالات، به المانهایی در نرم افزار، الحاق می شود که کار اتصال شناور و سکو به اسکله یا سازه ساحلی و فراساحلی دیگر را بر عهده دارند. این اتصالات توسط کاربر با فرمانها و کلاس هاي مختلف مدلسازي می شود. کلیه اتصالات در این نرم افزار عبارتند از خطوط مهار، خطوط مهار مقلد (خطوط مهار کشیده شده، خطوط مهار فشرده شده، خطوط مهار با قابلیت کششی و فشاري)، اتصالات مربوط به یدك کش ها، شمع ها، فنرها، اتصالات ثابت، اتصالات با درجات آزادي مختلف، اتصالات تسمه اي، اتصالات مربوط به آب اندازي شناورها و سازه هاي فراساحلی، اتصالات مربوط به خطوط انتقال نفت از سازه به یدك کش یا از سازه به کف دریا و ساحل.
خطوط مهار از جمله زیرگروه هاي این اتصالات می باشد که اصولا براي مهار سکوهاي نیمه شناور، اسکله هاي شناور، سکوهاي پایه کششی، اسپار و …….. مورد استفاده قرار می گیرد و به کف دریا متصل می شود. براي سکوهاي پایه کششی نیز باید از المان تاندون استفاده نمود. مدول الاستیسته در این المان، برابر مدول الاستیسیته فولاد، که جهت مهار سکوي پایه کششی در واقعیت استفاده میشود، در نظر گرفته شدهاست. تاندون باید طوري تعریف شود که نقاط ابتدایی و انتهایی اتصال آن (به ترتیب روي سازه و در عمق آب) دقیقا روي همدیگر قرار گیرند. براي تاندون می توان قطر خارجی، ضخامت، مقادیر پیش کشیدگی و کلیه الزامات مدل -سازي تاندون را لحاظ نمود. آنالیزهاي طراحی اعم از آنالیز پارگی، آنالیز تنش، آنالیز خستگی روي این خطوط مهار می تواند صورت پذیرد. خروجی هاي هیدرودینامیکی و سازهاي عبارتند از:
ضرایب جرم افزوده و ضرایب میرایی در 6 درجه آزادي
دامنه پاسخ و فازهاي حرکات در شش درجه آزادي براي فرکانس ها و جهات مختلف امواج به صورت اپراتور دامنه پاسخ
مقادیر نیروها در خطوط مهار و اتصالات
موقعیت و شتاب و سرعت 6 درجه آزادي نقاط مرجع سازه در حالت سالم و صدمه دیده
تراز سطح آب و دامنه حرکات نقاط نسبت به هم

3 – معادلات اساسی حاکم
3- 1 – تئوري تفرق سه بعدي3(مبناي تحلیل المان مرزي) در تئوري تفرق نیروي موج توسط محاسبه انتگرال فشار روي سطح خیس شده جسم بدست می آید. این روش زمانی قابل استفاده است که اولا ابعاد جسم در مقایسه با دامنه حرکت موج بزرگ باشد و بتوان از نیروهاي ناشی از ویسکوزیته سیال صرف نظر کرد، ثانیا جسم آنقدر بزرگ باشد که ابعاد آن در برابر طول موج دریا قابل توجه بوده و میدان موج را در اثر تفرق و انتشار موج تحت تأثیر قرار دهد. در تئوري تفرق، میدان جریان سیال توسط تابع پتانسیل جریان بیان می شود. بنابراین باید تابع پتانسیل در معادله لاپلاس صدق کند و همچنین شرایط مرزي اعم از شرط مرزي سطح جسم ،شرط مرزي سطح آزاد و بستر دریا و شرط مرزي بینهایت، ارضا شوند[9]. با استفاده از اصل برهم نهی پتانسیل ها می توان اظهار داشت که پتانسیل کلی از سه ترم پتانسیل موج برخوردي، پتانسیل موج متفرق شده و پتانسیل حاصل از 6 درجه آزادي جسم در آب ساکن به وجود می آید .جمع پتانسیل امواج و پتانسیل حاصل از تفرق موج، بیانگر پتانسیل فرود-کریلف4 میباشد:

  t  ID 6 R
R 1

Iپتانسیل موج برخوردي،D پتانسیل موج متفرق شده وR پتانسیل ناشی از حرکت سازه در هر یک از درجات آزادي شش گانه سکو می باشد.
تابع پتانسیل براي جریان نامتراکم، غیر ویسکوز و غیر چرخشی از حل معادله لاپلاس بدست می آید که به صورت معادله( 2) بیان می شود:

1090613111713

 2 0 or2  2  2 2  2 2 0
xyz

به منظور استفاده از روش المان مرزي در این نرم افزار علاوه بر در نظر گرفتن معادله لاپلاس و شرایط مرزي ، از خاصیت دوم گرین نیز استفاده می شود. این خاصیت، شرایط خاص حل مسئله المان مرزي را از فضاي سه بعدي به فضاي دو بعدي منتقل میکند .
شرط مرزي بستر با فرض اینکه مبدا مختصات روي سطح آب قرار دارد برابر معادله( 3) می باشد.

z  0inz h

شرط مرزي روي سطح آزاد از معادله( 4) پیروي میکند.

g

z 2  0 (4)

فرکانس برخورد موج می باشد .شرط مرزي سینماتیکی روي بدنه نیز مطابق با معادله( 5) می باشد.



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید