單點系留水下平臺穩(wěn)定性研究

丁寶俊

摘要：對單點系留水下平臺和系留方式作了靜態(tài)穩(wěn)定性分析，并由此討論了衡重參數(shù)對平臺系留穩(wěn)定性的影響。用靜平衡的方法計算、分析水下平臺的系留穩(wěn)定性，全面了解水下平臺系統(tǒng)在運動和系泊力方面的特征，從而為水下平臺設(shè)計和實際使用提供理論決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單點系留；水下平臺；穩(wěn)定性；靜力分析

中圖分類號：P75 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0016－02

水下系留平臺系統(tǒng)靜力分析有多種方法，其中，準靜定靜力分析計算最簡便，它能夠滿足一定的精度要求，在工程中被廣泛運用。在運用此分析方法時，常常是已知平臺所受的外力，然后根據(jù)系泊力的分量與流力的分量相平衡的原則，確定平臺的平衡位置，并確定在此平衡位置時，平臺姿態(tài)搖擺和旋轉(zhuǎn)的均值是否在工程精度許可的范圍內(nèi)。

作用在平臺系上的力包括水動力、重力和張力等，具有很強的非線性特性，要完全評估平臺系統(tǒng)，就必須對每一根錨鏈進行動力分析。由于對錨鏈動力分析進行數(shù)值計算時需要很長時間，因此，在一般方案設(shè)計階段，這種很詳細的動力分析是沒必要的，往往會相應(yīng)簡化一些，以快速得到系統(tǒng)的運動和受力特性供設(shè)計參考。結(jié)合準靜定分析，可以對錨鏈系留方式的選擇、錨泊線材料和成分、平臺系統(tǒng)布置形式等特征參數(shù)進行優(yōu)化選擇，這一研究對初步設(shè)計具有重大意義。

本文主要討論的水下平臺是大深度水下平臺，而在大深度海區(qū)，主要是海流影響水下平臺系留穩(wěn)定性。海流的變化周期長，比較穩(wěn)定，比較容易修正、消除誤差，因此，在討論水下平臺的系留穩(wěn)定性時，我們可以假定來流是均勻穩(wěn)定流。

1單點系留時平臺的運動與分析

單點系泊是一種常用的海洋平臺系留方式，被廣泛應(yīng)用于海洋生產(chǎn)、臺風(fēng)防御等需要海洋結(jié)構(gòu)物維持其位置相對固定的場合，而且單點系泊的錨鏈安裝工藝簡單。

本文采用錨鏈同平臺運動與受力耦合的方法直接進行系留穩(wěn)定性和載荷計算。深水系留的水下平臺所受的載荷有重力、浮力、流力和系泊力，各種外載荷共同作用引起水下平臺的運動。根據(jù)準靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的原理，當假定平臺處于瞬態(tài)靜止時，作用在平臺上的外力是一個平衡系。

如圖1所示，假設(shè)水下平臺在靜水中保持要求的豎直向上姿態(tài)，如（a）所示。當有均勻來流時，水下平臺經(jīng)過搖擺運動后，最后穩(wěn)定在水中保持如（b）所示的穩(wěn)定姿態(tài)。假設(shè)錨鏈呈現(xiàn)伸直狀態(tài)，系留點在平臺尾部的中心點。在僅考慮平臺縱蕩運動的條件下，提出了如式（1）所示的數(shù)學(xué)模型：

.（1）

式（1）中：ΔG——負浮力；

P——恒定海流產(chǎn)生的單位面積的壓強；

S——水下平臺的橫截面積；

T——錨鏈對水下平臺的系泊力；

δ——錨鏈與地面坐標系Ox0的夾角（錨固角）；

θ——體坐標系Bx與地面坐標系Ox0的夾角；

L——水下平臺的長度；

D——水下平臺的直徑；

xc——重心到坐標原點（浮心）的距離；

xt——系留點到坐標原點的距離；

Δxp——P的偏移量。

式（1）中有3個未知量θ，δ，T，而方程的個數(shù)也是3個，所以，方程是封閉的。

圖1單點系留平臺的運動示意圖

2衡重參數(shù)對水下平臺系留穩(wěn)定性的影響

下面，通過表1、表2和表3的分析來研究水下平臺的衡重參數(shù)變化對水下平臺系留穩(wěn)定性的影響。

當ΔG =766 N，xc =0.141，xt =1.641，Δxp =0.25時，隨著P的變化，θ，δ，T的變化如表1所示（其中，θ' =90－θ是搖擺角）。

表1壓強變化引起的參數(shù)變化

P/Pa θ/° δ/° T/N θ'/°

10 89.398 9 88.968 0 765.990 822 9 0.601 1

50 86.815 3 84.663 1 765.771 363 9 3.184 7

70 85.527 7 82.517 7 765.553 415 7 4.472 3

100 83.605 3 79.314 5 765.095 232 7 6.394 7

120 82.331 5 77.192 0 764.705 278 1 7.668 5

從表1中可以看出，隨著單位面積壓強的增大，θ和δ呈下降趨勢，也就是說，平臺的縱向運動越來越大。同時，錨鏈對水下平臺的系泊力T有著不太明顯的減小，而搖擺角θ'卻是有著非常顯著的變化。由于海流的速度平方與壓強成正比，因此，我們可以得到這樣的結(jié)論：隨著流速的增加，水下平臺的搖擺角變化非常明顯，其穩(wěn)定性也在逐漸降低。

當ΔG =766 N，P=100 Pa，xt =1.641，Δxp =0.25時，隨著xc的變化，θ，δ，T的變化如表2所示（其中，θ' =90－θ是搖擺角）。

表2重心變化引起的參數(shù)變化

xc/m θ/° δ/° T/N θ'/°

0.141 83.605 3 79.314 5 765.095 232 7 6.394 7

0.161 83.856 7 79.313 1 765.656 631 0 6.143 3

0.181 84.089 2 79.312 2 766.176 133 4 5.910 8

0.211 84.407 1 79.311 4 766.886 451 6 5.592 9

0.250 84.773 1 79.311 2 767.704 255 4 5.226 9

從表2中可以看出，隨著重心與浮心之間距離的增大（浮心在上，重心在下），θ和δ呈上升趨勢，錨鏈對水下平臺的系泊力T也有一點增大，而搖擺角θ' 卻在減小。由此可見，改變重心與浮心之間的距離可以提高水下平臺的系留穩(wěn)定性。

當P=100 Pa，xc =0.141，xt =1.641，Δxp =0.25時，隨著ΔG