大型海上浮式結構物系泊纜動力特性分析

沈 雁，管義鋒，潘亦鵬

(1.江蘇海事職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京211170;2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

我國擁有豐富的海洋資源，目前開采主要集中在淺海區(qū)域。我國南部沿海區(qū)域90%的海域水深超過1 000 m。若是在此建立大型浮體，不僅可以擔當起中轉站的作用，可以使飛機、艦船等在此停靠，隨時待命處理意外情況。目前國內外關于大型浮體乃至超大型浮體的研究很多，但主要集中在動力響應、構成形式等;而對其系泊的研究相對較少，對其系泊纜的動力響應研究更是幾乎沒有。

本文著重研究1 000 m 水深下的大型浮式結構物的系泊運動響應，本文計算采用的軟件是Sesam中的Deep－C。利用Deep－C 進行計算，分析對比不同設計工況下的動力響應，從而為超大型浮體(VLFS)系泊設計的進一步研究奠定一定的基礎。

1 計算理論

1.1 速度勢及其邊界條件

假設流體是無粘、均勻且不可壓縮的無旋流，LFS 在靜水自由面上作六自由度搖蕩運動。首先建立笛卡兒坐標系［1］:

式中:u(x，y，z)=▽φ(x，y，z);ω為長峰波的角頻率;q為速度;ζ為自由表面的起伏;Φ為不定常速度勢。

其中

在自由表面:

物面條件:

深海海底條件:

在無窮遠處:

應用疊加原理，將線性速讀勢分解為入射勢φI，繞射勢φD和輻射勢［3］φR。

建立相應的邊界條件，通過數(shù)值模擬進行船體附加質量、阻尼系數(shù)和波浪力的計算。

1.2 運動方程

海上漂浮的海洋結構物運動方程與一般船舶基本相同，如下所示［4］:

若考慮系泊力、環(huán)境載荷等非線性因素影響海洋結構物在時域內的運動方程式如下［5］:

式中:Xj為浮體位移向量;Aij為質量慣性矩系數(shù)矩陣;Bij為阻尼系數(shù)矩陣;Cij為浮體復原力系數(shù)矩陣;Gi為系泊力;FiA為波浪力;FiW為風力;FiC為潮流力;Mij為浮體質量矩陣;Aij(∞)為浮體附加質量矩陣;Lij為時延函數(shù)。

2 計算模型

2.1 模型建立

本文選取的模型為海上超大型浮式結構物中的一個模塊，LFS的基本設計尺度如表1所示。依據(jù)其設計尺度和型線圖，采用Sesam 進行LFS 系統(tǒng)建模，如圖1所示。模型選擇右手系，以設計水線面的中心位置為坐標原點，結構物縱向為X 軸，水線面的垂直方向為Z 軸，如圖2所示。

表1 LFS 基本設計尺度Tab.1 Basic design rules of LFS

圖1 LFS 面元模型Fig.1 Bin model diagram of LFS

圖2 坐標軸和浪向的示意圖Fig.2 Schematic axes and wave direction

2.2 入射波設置

浪向角是浪與x 軸逆時針方向的夾角，當浪向角為0°時，沿X 軸方向，當浪向角為90°時，沿X軸逆時針旋轉90°。因此，Deep－C 中選取的浪向角范圍為0°～90°。

2.3 環(huán)境條件

本文目標位為我國南部深海海域，系泊系統(tǒng)設計條件如表2所示。系泊系統(tǒng)布置圖及三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)模型如圖3所示。

表2 海洋環(huán)境條件Tab.2 Marine environmental conditions

圖3 系泊系統(tǒng)布置圖及三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)模型Fig.3 Mooring system and three-dimensional catenary mooring system model

3 三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)選取及動力響應分析

系泊纜的長度、每段的直徑、系泊纜間的夾角等是系泊系統(tǒng)設計中主要考慮的參數(shù)，它們會影響浮體和系泊纜的耦合運動響應。本文以懸鏈線式系泊系統(tǒng)作為研究對象，系泊纜均采用“鋼鏈－鋼纜－鋼鏈”三段式。在研究過程中，首先保持系泊纜的總長不變，通過改變鋼鏈、鋼纜的直徑，設計出不同系泊方案;并且研究分析系泊纜長度、系泊纜間夾角等因素對浮體運動和系泊系統(tǒng)動力響應的影響。為了保證平臺在設計環(huán)境條件下的水平偏移最大和系泊纜張力最大，根據(jù)上述因素對系統(tǒng)運動和動力響應的影響規(guī)律，設計出一種適用于1 000 m水深的懸鏈線式系泊系統(tǒng)。其基本參數(shù)如表3所示。

表3 懸鏈線式系泊纜基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of catenary type mooring

利用SESAM 軟件中的Deep－C 對各工況下的情況進行動態(tài)計算。表4和圖4 詳細描述了浮體水平運動結果，圖5和圖6為各系泊纜張力結果。

表4 不同波浪和來流角度下LFS的水平位移Tab.4 Horizontal displacement of LFS in different waves and flow angle

圖4 平臺在各風浪流角度下的平均與最大位移Fig.4 Average and maximum displacement of platform in different storm flow angles

圖5 各工況系泊纜頂部平均張力圖Fig.5 Average tension strength at the top of mooring in different conditions

圖6 各工況系泊纜頂部最大張力圖Fig.6 Maximum tension strength at the top of mooring in different conditions

由計算結果可知:LFS的水平位移從71.7 m 增至91.9 m，增幅為28.4%，而平均位移僅由25.9 m增至29.3 m，增幅為13.1%，在位移上先是隨著風浪流角度的增加而減小，在60°左右達到最小值然后再增加，這與半潛型式有關，半潛平臺抗橫搖及縱搖能力較好，而最大位移幾乎是平均位移的3 倍。

由圖5和圖6 可知，當海流來流角度與波浪浪向角均為0°時，X 軸對稱系泊纜張緊力基本相同，與實際情況下的對稱結構受力一致;當海流來流角度與浪向角均為90°時，迎流側各系泊纜張緊力均達到最大值，而背流側各系泊纜張緊力均處于最小值。與位移相似，在位移上先是隨著風浪流角度的增加而減小，在60°左右達到最小值然后再增加，而最大張力在0°時約是平均張力的2 倍，在90°時約是平均張力的3 倍。

由于浮體系泊時是按順流方向布置，風浪流90°的情況幾乎遇不到。所以將風浪流為0°的時候作為主要考慮的常規(guī)工況，同時也兼有考慮風浪流為90°時的極限工況。

3.1 改變系泊纜長度

系纜長度對LFS 水動力性能有著顯著影響。本研究選取系泊水深為1 000 m，系泊半徑為2 400 m，在風浪流分別為0°和90°共同作用的前提下，取系纜總長分別為2 680.8 m，2 700.8 m和2 720.8 m 時，縱蕩、橫蕩和垂蕩響應及系纜張力的變化［6］，具體參數(shù)如表5所示，變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

表5 風浪流0°和90°下各參數(shù)Tab.5 Each parameter at 0 °and 90 °waves flow

圖7 系纜長度對縱蕩響應的影響Fig.7 Influence of mooring length on vertical response

圖8 系纜長度對橫蕩響應的影響Fig.8 Influence of mooring length on sway response

從圖7和圖8 可以看出，隨著系纜長度的增加，縱蕩及橫蕩響應都相應增大，因為系泊對船體控制效應隨著系纜長度的增加而減弱，船體水平恢復力減小，系纜張力快速減小。圖中，當系纜長度達到2 700.8 m 時，橫蕩幅度達到水深的10%;系纜長度大于2 700.8 m 時，結構物運動響應增速增大，系纜頂端張力動力響應減速減小。因此，在水深為1 000 m，系泊半徑為2 400 m 時，系纜最大長度應該控制在2 700.8 m 以內。

3.2 改變系泊纜布置角度

系泊纜的對稱布置角度對LFS 水動力性能也會產生影響。圖9為系泊纜夾角分別為5°，10°，15°時的布置形式。研究中不同布置形式的系統(tǒng)響應結果如表6所示，系泊纜夾角對動力響應結果如圖10和圖11所示。

表6 不同布置形式的系統(tǒng)響應結果Tab.6 The response results in different layout

圖9 系泊系統(tǒng)不同布置形式Fig.9 The different layout of mooring systems

圖10 系泊纜夾角變化對縱蕩特征的影響Fig.10 The influence on vertical swing characteristics in different mooring angle

從表6 中還可以看出，風浪流為90°時的平臺橫蕩偏移的幅值、平均值和標準差均比風浪流為0°有所增加。此外由圖10和圖11 可以看出，系泊纜頂端張力和平臺縱蕩偏移的最大值、平均值及標準差均隨著系泊纜夾角的減小而略有降低。由上述圖表我們可以得出，改變系纜間的夾角并不會顯著影響系纜張力和縱蕩、橫蕩響應。

4 結 語

本文探討在深水條件下大型浮式結構物懸鏈線式系泊的耦合動力響應，主要分析各不同角度風浪流條件下各個系泊纜及平臺的動力響應特征和系泊纜的相關參數(shù)(長度和系泊纜間夾角等)對LFS 懸鏈線式系泊系統(tǒng)的影響，從而初步計算分析了1 000 m 水深時懸鏈線式系泊系統(tǒng)，結論如下:

1)隨著系纜長度的增加，縱蕩及橫蕩響應都相應增大;

圖11 系泊纜的夾角對頂端張力的影響Fig.11 The influence on Top tension in different mooring angle

2)系纜間夾角對LFS 水動力性能的影響較小。

通過本文研究，加深了對深海海域條件下的LFS 等浮式結構物在水動力特性的認識，為進一步研究海上大型浮式結構物系泊設計奠定基礎。

［1］崔維成，吳有生，李潤培，等.超大型海洋浮式結構物動力特性研究綜述［J］.船舶力學，2001，5(1):73－81.

［2］林伍雄，多點系泊型式浮式生產儲油船F(xiàn)PSO的運動響應［J］.船舶，2007(1):9－12.

［3］劉曉健.FPSO 單點系泊系統(tǒng)運動響應分析［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學，2013.

［4］童波.深海半潛式鉆井平臺水動力性能分析［D］.上海:上海交通大學，2006.

［5］劉曉健.FPSO 單點系泊系統(tǒng)運動響應分析［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學，2013.

［6］張威.深海半潛式鉆井平臺水動力性能分析［D］.上海:上海交通大學，2006.