自升式平臺系泊狀態下動力響應研究

（華南理工大學 土木與交通學院 船舶與海洋工程系，廣州 510641）

摘要：本文介紹了自升式平臺系泊系統模型建立及其分析的基本原理，并應用ANSYS軟件的workbench平臺Hydrodynamic Diffraction及Hydrodynamic Time Response模塊，以某自升式平臺的系泊定位系統為例，進行了數值模擬和分析，得到了平臺的動態響應。研究了在給定的風、浪、流聯合載荷的極端工況作用下，平臺和系泊纜繩耦合狀態下的時域運動響應分析，得到了系泊纜繩的系泊力以及平臺位移的時歷曲線。通過分析，得出了一些對自升式平臺作業區域系泊定位時有一定實際應用價值的結論。

關鍵詞：自升式平臺；運動響應；系泊系統；系泊力

中圖分類號：TE95文獻標識碼：A

The dynamic response of the platform mooring conditions

XU Jinhao，LIU Yueqin，WU Xinxin

( South China University of Technology，School of civil engineering and transportation，Naval Architecture and Ocean Engineering，Guangzhou510641 )

Abstract: Jack-up platform is introduced the establishment of mooring system model and the basic principle of analysis， and applied Hydrodynamic Diffraction and Hydrodynamic Time Response module of ANSYS workbench platform， with mooring positioning system of a jack-up platform as an example， numerical simulation and analysis，then get the dynamic Response of the platform. Study on the extreme conditions in wind， wave， flow combined load is given， the response analysis in the time domain coupled state of motion platform and mooring lines under the mooring lines， mooring force and displacement time history curve of the platform are obtained. Through the analysis of jack-up platform mooring positioning operation area has a certain practical application value.

Key words: Self-elevating platform; Motion Response; Mooring system; Mooring force

1引言

自升式鉆井平臺是目前海洋油氣勘探開發中應用最為廣泛的移動式鉆井設施之一[1]。目前世界上共有現役自升式平臺大約380座，占移動式鉆井平臺總量約60%~70%，其中作業水深大于120 m的有20多座[2]。自升式鉆井平臺在經拖輪拖至作業區域時，需系泊定位才能放下樁腿。自升式鉆井平臺系泊時屬于浮式結構，研究自升式平臺在波浪、海流、重力和風等環境因素作用下的運動響應及其系泊力的變化規律，一直是國內外海洋工程領域學者研究的熱點問題[3-7]，是海洋工程結構設計中的重要課題。隨著海上平臺向深水區的發展，對自升式鉆井平臺安全、準確地進行系泊定位、研究自升式平臺系泊狀態下的運動響應以及系泊力的數值模擬計算顯得至關重要。

本文以工作水深為122 m的某自升式平臺為例，應用水動力學軟件，對自升式平臺系泊定位時的系泊系統進行頻域水動力分析和時域運動響應分析，從而得到自升式平臺的時歷響應曲線以及各系泊纜繩的受力情況。

2自升式平臺系泊系統模型

2.1平臺主尺度參數

某深水自升式平臺的主尺度如表1所列。根據自升式平臺的型值，建立有限元模型，桁架式樁腿與主船體連接，采用公用節點的方式，符合拖航狀態下升降系統的鎖緊實況，然后劃分網格，詳見圖1。

2.2平臺系泊索參數及系泊坐標

自升式平臺系泊系統由3×3分布形式構成，共有9根系泊線，即每3根組成一股，三股間的夾角均為1200，見圖2。

表1自升式平臺主尺度參數

圖1系泊系統計算模型

圖2系泊索布置示意圖

每個系泊線都采用錨鏈-鋼纜-錨鏈的組合型式。系泊纜繩與平臺及海底處均設置為鉸接。系泊線的參數見表2；系泊點坐標見表3。

表2系泊線參數

表3系泊點坐標

2.3平臺網格劃分

由于自升式平臺幾何形狀規則，采用映射網格作為技術劃分，單元類型使用四邊形網格。

2.4平臺環境載荷

對自升式平臺加載的風、浪、流，具體參數，見表4。

表4主要環境條件參數

3基本原理

3.1浮體時域運動方程

系泊系統浮體時域運動方程為：

式中：M、m ——浮體的廣義質量矩陣；

K(t-τ) ——系統的延遲函數陣；

C ——浮體的靜水恢復力系數陣；

Fw(t) ——一階波浪力；

Fwind——風力；

Fc——流力；

Fsn——二階波浪力；

Fm(t)——錨鏈張力。

3.2錨鏈線運動方程

根據有限元理論，錨鏈線的運動方程為：

（2）

式中：M、μ、C、K——錨鏈的質量矩陣、附加質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

R——結構的節點外載荷矩陣。

4平臺系泊系統頻域水動力分析

在采用Hydrodynamic Time Response模塊計算自升式平臺系泊系統的時域運動響應時，調用Hydrodynamic Diffraction模塊計算結果中的平臺附加質量、輻射阻尼以及每個波長、每個浪向上的漂移力，進而計算在給定的波浪譜條件下的運動響應。因此，需要對該平臺進行頻域水動力分析，求得幅值響應算子、附加質量和阻尼系數等參數。水動力分析參數，見表5。

表5水動力分析參數

自升式平臺運動幅值響應算子RAOs預報結果，見圖3~5。

（a）縱蕩運動

（b）橫蕩運動

圖3縱蕩、橫蕩運動RAO函數

(a)垂蕩運動

（b）橫搖運動

圖4垂蕩、橫搖運動RAO函數

（a）縱搖運動

（b）首搖運動

圖5縱搖、首搖運動RAO函數

由上面的RAO函數可得，自升式平臺的橫搖、縱搖和垂蕩運動時的固有周期分別為8.5 s、8.2 s、15 s。

5平臺系泊系統的時域分析

采用Hydrodynamic Time Response模塊對自升式平臺和系泊系統進行時域耦合分析，模擬1個小時內系統在給定的風、浪、流工況下的運動響應，得到平臺的總體響應和各系泊纜繩的受力。

5.1時域耦合響應分析

時域計算采用全耦合動力分析理論，對自升式平臺在給定海況下的性能進行時域內的模擬和分析。分析時，風、浪、流方向一致，為600。在進行時域計算前首先要進行頻域計算，根據水動力模型得到所需的各項頻域參數，然后將這些數值加入到時域計算耦合方程中，得到平臺的運動響應。根據平臺在時域中運動的時歷曲線，進行統計分析，可以得到運動的位移譜密度曲線，通過分析譜密度曲線可以得到平臺的運動響應統計表，見表6。自升式平臺各纜繩的最大響應值，見表7。

表6自升式平臺最大響應值

表7自升式平臺纜繩最大響應值

通過計算結果可以看出，自升式平臺水平面內的運動（橫蕩、縱蕩及首搖）最大運動幅值比平面外的運動（橫搖、縱搖及垂蕩）大，說明平臺在水平面內運動明顯大于垂直面內的運動特性。同時平面內的高頻的均方差比低頻的均方差要大得多，正好印證了高頻載荷大。對于首搖來說，其高頻和低頻的均方差都較低，具有明顯的波頻特性。同時發現系泊索的最大響應發生在纜繩5號處，這與環境載荷的方向有關。高頻響應的均方差大于低頻響應的均方差，說明自升式平臺對高頻響應比較敏感。

由于篇幅有限，列出環境力方向為600時，自升式平臺耦合分析所得的系泊索張力時程曲線，以及平臺X向位移時歷曲線，見圖6、圖7。

圖6系泊索cable1張力時歷曲線（600）

圖7自升式平臺X向位移時歷曲線（600）

5.2平臺系泊纜繩張力

對于平臺系泊纜繩張力計算，取00、300、450、600、900、1200、1350、1500、1800等9個環境力方向，見圖8。風、浪、流同向。

圖8環境力方向

圖9平臺系泊力極值統計

由圖9可以看出，00環境力入射角時，纜繩8所受張力值最大，達到8376.4 kN，安全系數3.2，遠大于API-RP-2SK規范[8]中對系泊纜繩規定的安全系數2.0，所以選取的系泊纜繩滿足強度要求，且具有一定的安全裕度。

6結論

（1）由頻域水動力分析可知，自升式平臺在縱蕩和橫蕩方向上的附加質量和輻射阻尼變化很小，在整個波頻段內部無明顯波動；

（2）在自升式平臺的縱蕩、橫蕩及垂蕩運動中，高頻運動響應比低頻運動大得多，是縱蕩、橫蕩及垂蕩運動響應的主要成分；（下轉第頁）

（上接第頁）（3）平臺系泊系統運動響應和系泊纜繩的系泊力呈現出周期性的變化；

（4）平臺6個自由度總體運動響應中，由于選擇600加載風、浪、流的載荷的原因，環境載荷對自升式平臺垂蕩和縱搖運動響應有顯著作用；

（5）不同環境力方向，平臺系泊纜繩的張力響應有一定的區別，因此在系泊系統設計時必須考慮極端環境力的影響，校核系泊索的安全強度，保留一定的安全裕度。

該方法對自升式平臺系泊系統的初步設計具有參考價值，同時也可以用于平臺每次拖航到指定海域系泊定位，根據當時海況進行平臺系泊系統的安全校核，評估何時系泊定位，放下樁腿。

參考文獻

[1] 羅宏志， 蒙占彬.國內深水自升式鉆井平臺發展概況[J].中國海洋平臺，

2010，25 (8): 4.

[2] 吳家鳴. 海上鉆井方式的演變與不同類型移動式鉆井平臺的特點[J]，

科學技術與工程， 2013， 13 (4): 10.

[3] 肖越， 王言英. 浮體錨泊系統計算分析[J]. 大連理工大學學報， 2005，

45(5): 628-686.

[4] 付世曉， 范菊， 陳徐均， 崔維成.考慮浮體彈性變形的錨泊系統分析方法

[J].船舶力學， 2004， 8(2)：47-54.

[5] 廖泉明， 顧民， 楊占明， 周德才， 袁新. 浮標在波浪中的試驗研究[J]， 中國

造船， 2003，44(10)：359-366.

[6] Miao QM， Du SX， Dong SY， Wu YS. Hydrodynamic analysis of a moored

very large floating structure. Proceedings of International workshop on very

large floating structures [J].1996， Hayama，Japan:201-208.

[7] 黃祥鹿， 陳小紅， 范菊. 錨泊浮式結構波浪上運動的頻域算法[J]. 上海

交通大學學報， 2001，35(10)：1470-1476.

[8]API recommended practice 2SK 3rd ed. Design and Analysis of Station keeping

Systems for Floating Structures[S]. American Petroleum Institute，2005.

作者簡介：許津豪（1986-），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程。

劉月琴（1961-），女，副教授，博士。主要從事船舶與海洋工程研究。

收稿日期：2013-10-09