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浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading unit,FPSO)是实施海洋油气开发生产作业的重要装备之一。类船型浮体和圆筒型浮体在恶劣海况下的固有缺陷,导致了传统的船型FPSO和近年来实现工程应用的新型的圆筒型FPSO在实际工程应用中的功能局限性。沙漏型浮体在恶劣海况下所固有的优异的水动力性能,使沙漏型FPSO具有干树采油的潜力,从而能够实现采油、生产、储卸一体化的FPSO装备,是高端海洋油气开发装备研究领域的重大突破。因此,沙漏型FPSO具有确切的工程应用前景和重要的学术研究价值。能够实现干树采油是沙漏型FPSO的核心优势,沙漏型浮体的垂荡运动性能和纵摇运动性能是实现干树采油的关键要素。因此,本文对影响沙漏型浮体垂荡和纵摇运动特性的因素进行深入研究,主要工作归纳如下:(1)沙漏型浮体的垂荡运动特性与浮体外形参数设计方法研究。首先,通过分析沙漏型浮体垂荡运动和波浪激励力幅值响应算子(Response Amplitude Operator,RAO)、辐射阻尼系数以及辐射波的波浪场等随频率的变化情况,发现沙漏型浮体垂荡运动存在wave-free现象,且当垂荡运动固有频率较小时,wave-free频率和垂荡固有频率接近。其次,借鉴二维切片法的思想,建立垂荡wave-free频率与浮体外形参数的关系模型。进一步,考虑一阶波浪载荷的非线性和二阶低频载荷对垂荡运动wave-free频率的影响,提出基于wave-free特性以优化浮体垂荡运动性能为目标的浮体外形参数设计方法。(2)沙漏型浮体非线性动力学响应分析方法与垂荡和纵摇非线性运动特性研究。首先,沙漏型浮体外扩倾斜的舷侧外形特点导致波浪作用下浮体瞬时湿表面变化显著,因而非线性傅汝德-克雷洛夫力(Froude-Krylov,FK)和静水力只能离散求解,无法给出解析表达式。为此基于将增量谐波平衡方法与离散傅里叶变换相结合的思路,同时对增量谐波平衡方法中的质量项和阻尼项进行改进,建立基于浮体瞬时湿表面变化和水动力记忆效应的沙漏型浮体非线性动力学响应分析方法,提高了计算效率。其次,沙漏型浮体垂荡和纵摇非线性运动特性研究结果表明:沙漏型浮体垂荡和纵摇单自由度运动均存在硬刚度非线性特性,垂荡与纵摇运动的相互耦合会使垂荡运动在受纵摇硬刚度特性影响的较小频率段出现复杂响应,纵摇运动则是在受垂荡硬刚度特性影响的较大频率段出现幅值显著增大的现象;在较大频率段,较大幅值的垂荡运动会引起纵摇幅值的明显增大,但此时的纵摇运动仍为周期-1运动,并不是纵摇参数失稳导致。此外,较小的上倾角不利于提高浮体的垂荡和纵摇运动性能。(3)沙漏型浮体垂直面内运动的二阶低频特性和统计方法研究。首先,通过分析沙漏型浮体垂直面内相对运动,发现其同时存在一阶波频响应和显著的二阶低频响应成分,传统的只考虑一阶波频力的瑞利分布模型无法正确地预报沙漏型浮体的甲板上浪统计特性。通过引入特征函数和累计矩母函数,建立考虑一阶波频响应和二阶低频响应的沙漏型浮体垂直面内运动统计特性分析方法,从而确立沙漏型浮体甲板上浪统计预报方法。其次,进一步的研究结果表明,相比于传统的海洋浮体,由于二阶低频响应因素的存在,沙漏型浮体垂直面内运动具有更加明显的非高斯特性。(4)基于上述研究结果,提出沙漏型FPSO浮体外形参数总体设计流程,并完成中国南海某海域百年一遇海况条件下,满足干树采油性能要求的沙漏型浮体外形选型设计。其中,建立了基于浮体FK力和静水力非线性以及二阶低频力的数值分析方法,利用该方法完成沙漏型FPSO浮体的水动力性能分析。分析结果表明,沙漏型浮体能够实现在南海某海域百年一遇海况下干树采油的应用,验证了本文建立的沙漏型FPSO浮体外形参数设计原则及分析流程的合理性和有效性。