51049

Динамические характеристики морских стационарных буровых платформ

Лабораторная работа

География, геология и геодезия

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...

Русский

2014-02-04

494.63 KB

10 чел.

Нижегородский государственный технический университет

Кафедра “Теория корабля и гидромеханика”

Лабораторная работа №1

“Динамические характеристики морских стационарных буровых платформ”

                                                                                                                             Выполнили:

                                                                                                                             Телегин А.В.

                                                                                                                             группа: 09-СУ-1

                                                                                                                             Проверил:

                                                                                                                             Савинов В.Н.

Нижний Новгород

2013 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.

Рис. 1. Динамическая расчетная схема.

а – МСБП и СПБУ; б – расчетный стержень; в - перемещение

       

           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 2 – схема лабораторной установки.

Физическая схема лабораторной установки показана на рисунке 2,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 2,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

0.0145

0.1215

0.3125

0.5635

0.8505

2.1 Свободные колебания модели в воздухе

- Экспериментальный период свободных колебаний

Tов=0.5 с

- Экспериментальная частота свободных колебаний модели

- Коэффициент жёсткости верхнего конца стержня при поперечном смещении

 Н/м

где: S=0.05 м – смещение верхнего сечения стержня;

 F=2,943 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=50 мм – начальная амплитуда;

 Aк=37 мм – конечная амплитуда;

 N=10 – количество полных циклов зарегистрированных колебаний.

Свободные колебания модели в воде

- Период свободных колебаний в воде

T0=0.51 с

- Частота свободных колебаний в воде

- Декремент свободных колебаний в воде

где Aн=50 мм – начальная амплитуда;

 Aк=15 мм – конечная амплитуда;

 N=10 – количество полных циклов зарегистрированных колебаний.

2.2 Вынужденные колебания модели на регулярном волнении

1) Включаем волнопродуктор и устанавливаем волновой режим. Определяем параметры регулярного волнения:

Период τ=0.9 с

Круговая частота

2) На верхнюю площадку доставляем дополнительные грузы. После стабилизации раскачивания модели с конкретным грузом определяем амплитуду колебаний верхней площадки.

3) Затем волнопродуктор отключается, и на тихой воде определяются периоды свободных колебаний модели для тех же значений дополнительных грузов.

Экспериментальный период вынужденных колебаний То = 0,51 с.

Присутствие жидкости увеличивает период свободных колебаний в следствии появления присоединённой массы жидкости.

Вынужденная частота свободных колебаний модели:

 c-1.

Декремент вынужденных колебаний в воде (определяется экспериментально):

,

где м – начальная амплитуда колебаний,

мм – конечная амплитуда колебаний,

- количество полных циклов колебаний.

Присутствие воды увеличивает рассеяние энергии и рост декремента колебаний.

Экспериментальные значения приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Определение коэффициента динамичности.

Величина

№ опыта

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1

m, кг

0,00

0,209

0,423

0,634

0,858

1,071

1,117

1,163

1,374

2

, мм

0,50

2,50

3,00

3,70

6,50

30,00

10,00

7,00

5,00

3

Т, с

0,51

0,61

0,72

0,80

0,92

1,00

1,10

1,20

1,30

4

Ω=2π/Т

12,31

10,30

8,72

7,85

6,83

6,28

5,71

5,23

4,83

5

М*=Мо*+∆m,кг

0,3

0,509

0,723

1,024

1,158

1,371

1,417

1,463

1,674

6

,мм

0,50

4,24

7,23

12,63

25,09

137,1

47,23

34,14

27,90

7

1,4

11,87

20,24

35,36

70,25

383,9

132,2

95,59

78,12

8

0,57

0,68

0,80

0,89

1,02

1,11

1,22

1,33

1,45

Для корректировки коэффициента динамичности вводится коэффициент   (при для )

Для резонансного режима () определяем величину логарифмического декремента