РГР [все] / Отчёт_№1
.docНижегородский Государственный Технический Университет
Кафедра теории корабля
Доц. Грамузов Е. М.
Отчёт по лабораторной работе:
Динамические характеристики морских стационарных буровых платформ
Выполнил:
Захаров А. К.
Проверил:
Савинов В. Н.
Нижний Новгород
2009 год
Цель работы: Ознакомление с физической природой динамического воздействия морских стационарных сооружений с ветро-волновым воздействием, с теоретическими основами расчёта динамичности воздействия регулярного волнения.
Краткие сведения из теории
Морские стационарные буровые платформы (МСБП) предназначены для длительной эксплуатации в условиях открытого моря и поэтому подвержены воздействию самых экстремальных штормов и ураганов. Будучи прочно скрепленными с грунтом морского дна, они не могут сойти с точки работ в море и укрыться даже при приближении самых жестоких ураганов, так как это могут сделать суда и другие плавсредства. Их единственная возможность "выжить" во время шторма состоит в наличии достаточных запасов прочности и устойчивости, поэтому необходимость динамических расчетов, т.е. расчетов, учитывающих динамический характер воздействия волнения и ветра, для таких сооружений особенно велика.
Отчасти в сходных условиях находятся самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ), которые хотя и имеют возможность перемещения с одной точки работ в море на другую, но их перестановки производятся только в спокойную погоду и занимают дли тельное время.
МСБП и СПБУ (см. рис. 1,а), как правило, имеют вытянутую в высоту геометрическую форму и регулярно повторяющуюся конструкцию опорных блоков или колонн. Поэтому для них может быть предложена динамическая расчетная схема, показанная на рис. 1,6. Установка рассматривается как вертикальный упругий невесомый стержень длиной L с жесткостью при изгибе KEJ (К - число опорных колонн или блоков; Е - модуль упругости; J - момент инерции площади поперечного сечения одной опоры). Инерционные характеристики сооружения учитываются равноотстоящими друг от друга на расстоянии AL сосредоточенными узловыми массами mi, индекс i=1 соответствует верхнему сечению, где сосредоточена масса верхнего строения, индекс i=n нижнему сечению на уровне дна моря (грунта). На рис. 1,в показаны динамические перемещения (колебания) Ui, расчетного стержня.
На рис. 1, б также обозначено: y - текущая продольная координата, измеряемая от нижнего сечения стержня; qi — узловые нагрузки, учитывающие внешние динамические воздействия: волнение (профиль волны η), ветер (эпюра скорости W) и т.п.
Основные определения:
Период собственных колебаний Т - это время шитого цикла одного свободного затухающего колебания верхнего сечения стержня. Круговая частота собственных колебаний Ω представляет собой число полных свободных колебаний за время 2π секунд и связана с периодом соотношением Ω=2π/Т. Экспериментально величины Т и Ω определяются путём обработки осциллографической записи свободных затухающих колебаний.
Натуральный логарифм отношения двух последовательных амплитуд свободного затухающего колебательного движения называется логарифмическим декрементом колебаний δ, то есть:
Форма собственных колебаний Ф представляет собой безразмерную функцию, определяющую искривление упругой оси условного расчетного стержня во время динамических раскачиваний верхнего строения. В качестве аргумента такой функции используется безразмерная координата ζ=y/L.
Коэффициент динамичности – это параметр, позволяющий условно учесть динамичность нагрузки путем корректировки деформаций конструкции, найденных при условии упрощенного статического представления внешнего воздействия.
1. Описание лабораторной установки.
Рисунок 1 – схема лабораторной установки.
Физическая схема лабораторной установки показана на рисунке 1,а. Она состоит из вертикального прутка сечением 25x2,5 мм и расчётной длиной L=0,8 м. В нижней части пруток жёстко защемлён в массивном основании, а в верхней части имеется площадка для дополнительных грузов. На рисунке 1,б показана соответствующая данной модели динамическая расчётная схема, в которой масса прутка разбивается на 5 узловых масс mi, равноудалённых друг от друга на расстояние ΔL=L/5=160 мм. Изменение верхней массы M1 используется для варьирования частоты собственных колебаний установки Ω.
2. Результаты замеров и вычисления
Таблица 1 – Значения функции формы собственных колебаний.
Безразмерная координата ζ |
0.1 |
0.3 |
0.5 |
0.7 |
0.9 |
Функция формы колебаний Ф |
0.3 |
0.5 |
0.65 |
0.8 |
0.95 |
Свободные колебания модели в воздухе
- Экспериментальный период свободных колебаний
Tов=0.53 с
- Экспериментальная частота свободных колебаний модели
- Коэффициент жёсткости верхнего конца стержня при поперечном смещении
Н/м
где S=0.067 м – смещение верхнего сечения стержня;
F=6 Н – усилие при смещении.
- Обобщённая масса модели в воздухе
кг
- Теоретическое значение частоты собственных колебаний
- Находим погрешность в определении собственной частоты
- Декремент свободных колебаний в воздухе
где Aн=100 мм – начальная амплитуда;
Aк=67 мм – конечная амплитуда;
N=10 – количество полных циклов зарегистрированных колебаний.
Свободные колебания модели в воде
- Период свободных колебаний в воде
T0=0.57 с
- Частота свободных колебаний в воде
- Декремент свободных колебаний в воде
где Aн=100 мм – начальная амплитуда;
Aк=8 мм – конечная амплитуда;
N=10 – количество полных циклов зарегистрированных колебаний.
Вынужденные колебания модели на регулярном волнении
- Параметры регулярного волнения:
Период τ=1.2 с
Круговая частота
3. Определение коэффициента динамичности
№ |
Величина, размерность |
№ опыта |
|||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
||
1 |
Масса добавленного груза Δm, кг |
0 |
0.5 |
1 |
1.209 |
1.310 |
1.411 |
1.622 |
1.668 |
2 |
Амплитуда вынужденных колебаний , мм |
2 |
4 |
6 |
12 |
17 |
39 |
14 |
10 |
3 |
Период собственных колебаний T, с |
0.53 |
0.7 |
0.9 |
1.01 |
1.07 |
1.13 |
1.22 |
1.24 |
4 |
Частота свободных колебаний |
11.85 |
8.97 |
6.98 |
6.22 |
5.87 |
5.56 |
5.15 |
5.06 |
5 |
Обобщённая масса , кг |
0.73 |
1.23 |
1.73 |
1.939 |
2.04 |
2.141 |
2.352 |
2.398 |
6 |
Корректировка амплитуды , мм |
2 |
6.74 |
14.22 |
31.87 |
47.51 |
114.38 |
45.11 |
32.85 |
7 |
Корректировка динамичности |
1.25 |
4.21 |
8.89 |
19.92 |
29.69 |
71.49 |
28.19 |
20.53 |
8 |
Относительная частота вынужденных колебаний |
0.44 |
0.58 |
0.75 |
0.84 |
0.89 |
0.94 |
1.02 |
1.03 |
Вывод: Увеличение массы верхнего строения приводит к увеличению периода собственных колебаний установки. Увеличение T приближает динамический режим установки к резонансу с волной, что недопустимо. Из практики проектирования установлено, что период собственных колебаний МСБП не должен превышать 4-5 секунд.