半潛式平臺耦合動力響應(yīng)分析

孫麗萍，牛之友，劉子健，張立健（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

半潛式平臺耦合動力響應(yīng)分析

孫麗萍，牛之友，劉子健，張立健
（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

由于海洋這一特殊的環(huán)境，半潛式平臺在海上會受到風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用，使得半潛式平臺產(chǎn)生六自由度方向的運(yùn)動，影響平臺的作業(yè)，因此，進(jìn)行平臺運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報及系泊線強(qiáng)度校核就顯得尤為重要。本文選擇在 1 000 m 水深的情況下，分別在時域和頻域條件下對半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)報在頻域和時域條件下半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)，并對比分析在時域條件下不同風(fēng)、浪、流組合工況下平臺升沉運(yùn)動幅值，計算設(shè)計的平臺系泊線拉力，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

半潛式平臺；時域；頻域；響應(yīng)預(yù)報；系泊線；強(qiáng)度校核

0　引　言

半潛式平臺經(jīng)歷了從第一代半潛式平臺到第六代半潛式平臺的發(fā)展［1］，已經(jīng)從布局不合理、低自動化發(fā)展到了如今的合理布局、自動化程度高的特點(diǎn)。與其他海洋平臺相比，半潛式平臺具有適應(yīng)工作水深廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、甲板面積和裝載量大、轉(zhuǎn)移安裝方便等特點(diǎn)［2］，一直得到廣泛應(yīng)用。半潛式平臺通常由下浮體、撐桿、上部平臺、立柱及重要節(jié)點(diǎn)組成［3］。海洋平臺在作業(yè)時，總會遇到風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用，從而產(chǎn)生六自由度的運(yùn)動［4］，甚至引起系泊線斷裂，嚴(yán)重影響平臺作業(yè)。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者都對半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)做了研究：張威等［5］對比了頻域與時域 2 種方法預(yù)報半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果的異同。劉應(yīng)中等［6］采用準(zhǔn)定長時間域法分析了在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下海上系泊系統(tǒng)的運(yùn)動及動力特性。聶武等［7］敘述了用于細(xì)長桿件波浪載荷計算的 Morison公式及用于大尺度構(gòu)件的波浪載荷計算理論與方法。O.Yilmaz［8］應(yīng)用頻域和時域分析方法對半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行了模擬分析。

本文模擬半潛式平臺在頻域和時域下的響應(yīng)預(yù)報結(jié)果，分析頻域與時域預(yù)報響應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在平臺設(shè)計建造不同階段，如何選擇合適的預(yù)報方法。在時域條件下對比分析在不同風(fēng)、浪、流組合工況下平臺升沉運(yùn)動幅值，計算所設(shè)計的半潛式平臺系泊線的拉力，并進(jìn)行安全校核。

1　平臺主尺度參數(shù)及水動力模型

為研究頻域和時域在海洋平臺運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報中的特點(diǎn)，選用 SSCV-H206 半潛式起重平臺，作業(yè)水深1 000 m，主尺度見表1。

表1　半潛式平臺的主尺度列表Tab. 1　Principle dimensions of semi-submersible platform

給定系泊纜數(shù)量及其導(dǎo)纜孔位置，共有 12 根系泊纜，12 根系泊纜位置如下：原點(diǎn)縱向位置在首部向后64 m，橫向位置在中間，垂向位置在船底。系泊纜數(shù)量及導(dǎo)纜孔位置如表2 所示。

表2　系泊纜數(shù)量及導(dǎo)纜孔位置Tab. 2　Numbers of mooring lines and fairlead position

利用 Ansys 建立有限元模型后，導(dǎo)入到 AQWA 軟件生成平臺的水動力模型，如圖1 所示。

2　頻域運(yùn)動響應(yīng)分析

圖1　半潛式平臺水動力模型Fig. 1　Hydrdynamic model of semi-submersible platform

頻域計算是分析物體在波浪上運(yùn)動響應(yīng)的經(jīng)典方法，通常用于計算無航速浮體在微幅規(guī)則波作用下的微幅運(yùn)動，由于是微幅運(yùn)動，因此可用線性理論進(jìn)行求解。

在線性理論的假定下，浮體對于任一波浪成分的運(yùn)動響應(yīng)是這個成分波波幅的線性函數(shù)并且與它對其他波浪成分的響應(yīng)獨(dú)立無關(guān)，浮體的運(yùn)動響應(yīng)采用幅值響應(yīng)算子 RAO 進(jìn)行描述。幅值響應(yīng)算子 RAO 是波浪波幅到平臺各位置參數(shù)的傳遞函數(shù)，即

式中：ηi為平臺運(yùn)動第 i 個自由度的值；ξ 為某一頻率波浪高度的幅值。

圖2　平臺縱蕩 RAOFig. 2　Sway RAO of semi-submersible platform

圖3　平臺橫蕩 RAOFig. 3　Surge RAO of semi-submersible platform

在建立平臺水動力模型后，本文模擬了在未系泊情況下自由漂浮狀態(tài)的 RAO。這里選取 0°，45°，90°三個方向的浪向進(jìn)行說明，給出平臺縱蕩、橫蕩及升沉的時歷曲線。

當(dāng)計算完半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng) RAO 后，可采用擬靜態(tài)方法預(yù)報半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)，計算結(jié)果可看作頻域響應(yīng)預(yù)報結(jié)果。

圖4　平臺升沉 RAOFig. 4　Heave RAO of semi-submersible platform

3　時域分析

時域分析可以模擬海洋結(jié)構(gòu)物在一定時間范圍內(nèi)一定環(huán)境條件下的運(yùn)動狀態(tài)，并可以真實(shí)反映出其在海上的實(shí)際變化情況。對半潛式平臺運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行時域分析，首先要根據(jù)波浪譜隨機(jī)生成波浪時歷，然后在每一個時間步求解運(yùn)動方程，在求解過程中，需要考慮平臺與錨泊系統(tǒng)的耦合效應(yīng)，并實(shí)時模擬平臺的運(yùn)動響應(yīng)。本文對半潛式平臺進(jìn)行短期預(yù)報，在極端海況下 3 h 內(nèi)對平臺的運(yùn)動響應(yīng)及系泊系統(tǒng)響應(yīng)情況進(jìn)行描述。

3.1海洋環(huán)境條件

本文所分析的半潛式平臺系泊系統(tǒng)采用十年一遇的風(fēng)、浪、流組合作為設(shè)計工況，其風(fēng)、浪、流的詳細(xì)參數(shù)見表3。

3.2時域條件下平臺運(yùn)動響應(yīng)的求解

對海洋結(jié)構(gòu)物來說，其運(yùn)動方程可寫為：

式中，M 為頻域質(zhì)量矩陣；m 為平臺主體質(zhì)量；A 為頻域附加質(zhì)量矩陣；C 為頻域勢流阻尼矩陣；D1為線性阻尼矩陣；D2為二階阻尼矩陣；f 為矢量函數(shù)，每個單元由給出；K 為靜水力剛度矩陣；x 為位移矢量；q 為激勵力矢量。

通過提取半潛式平臺 6 個自由度的時歷曲線，對 6個自由度的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析，獲得平臺在該海況下的運(yùn)動情況，這里只給出浪、流、風(fēng)分別為 0°，45°，30° 時平臺縱蕩和垂蕩運(yùn)動的響應(yīng)曲線。時域運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果見表4。

表3　南海海況的風(fēng)浪流參數(shù)Tab. 3　Parameters of wind， wave and flow in South China Sea

表4　半潛式平臺時域運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報結(jié)果Tab. 4　Time-domain motion response prediction result of semisubmersible platform

圖5　半潛式平臺縱蕩響應(yīng)曲線Fig. 5　Surge response curve of semi-submersible platform

圖6　半潛式平臺橫蕩響應(yīng)曲線Fig. 6　Sway response curve of semi-submersible platform

3.3不同風(fēng)浪流組合下平臺運(yùn)動響應(yīng)對比分析

為對比分析不同環(huán)境載荷對半潛式平臺動力響應(yīng)的影響，波浪譜的入射角取 0o 和 180o 兩個方向。具體的風(fēng)、浪、流組合如表5 所示。

每根系泊纜由鋼絲繩和鎖鏈構(gòu)成，分為 2 段，鋼絲繩連接到導(dǎo)纜孔處，鎖鏈連接到錨處。表6 給定了所設(shè)計的系泊纜參數(shù)。

表5　風(fēng)、浪、流方向組合表Tab. 5　Combination of wind， wave and flow

表6　鋼絲繩和鎖鏈的參數(shù)Tab. 6　Parameters of wire and chain

計算不同組合情況下半潛式平臺升沉運(yùn)動幅值，作為對比半潛式平臺時域條件下平臺的運(yùn)動響應(yīng)情況。表7 給出了半潛式平臺在不同組合工況下平臺升沉運(yùn)動的最大值、平均值以及最小值。

表7　平臺升沉運(yùn)動幅值Tab. 7　Heave motion amplitude of semi-submerible platform

從表中平臺升沉運(yùn)動幅值可以看出，當(dāng)風(fēng)、浪、流入射角為 0o，45o，30o 時平臺升沉幅值最大，此時為最危險工況。在正常工作條件下，半潛式平臺垂蕩運(yùn)動的幅度一般控制在 3 m 左右，半潛式平臺升沉運(yùn)動最大幅值為 2.733 m，符合作業(yè)要求。

3.4系泊線拉力對比分析及安全校核

3.4.1系泊線與平臺連接處的模擬

系泊線與平臺之間的連接采用的是 2 種模擬方法：扭轉(zhuǎn)彈簧與線性彈簧模擬，認(rèn)為系泊線與平臺連接處模擬彈簧的剛度很大，這樣可認(rèn)為系泊線的作用力直接作用在平臺上，此時，作用力為：

3.4.2系泊線拉力計算結(jié)果分析及安全校核

對于半潛式平臺來說，平臺運(yùn)動以及受力過大有可能會引起系泊線的斷裂，對半潛式平臺的工作性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此，研究半潛式平臺系泊受力分析十分重要。對于系泊線拉力安全性評估，可參照DNV RP 205 規(guī)范，對半潛式平臺錨泊線進(jìn)行安全校核，根據(jù)校核標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)系泊纜完整時，要求的安全系數(shù)為 1.5。本文選取在相應(yīng)風(fēng)、浪、流組合下產(chǎn)生最大拉力的系泊線作為分析對象，計算的結(jié)果如表8 所示。

表8　系泊線拉力及安全校核Tab. 8　Mooring line tension and security check

當(dāng)風(fēng)、浪、流為不同組合時，系泊線所承受的拉力大小不同，但所設(shè)計的系泊纜安全系數(shù)均大于1.50，說明設(shè)計的系泊纜可以滿足作業(yè)需求。

4　結(jié)　語

1）對半潛式平臺時域與頻域運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報可知，頻域分析適合預(yù)報非線性影響較小的響應(yīng)，適合于平臺的初步設(shè)計及選型階段。時域分析可以預(yù)報非線性較強(qiáng)的響應(yīng)，預(yù)報較為精確，但時域分析耗時較長，計算復(fù)雜，適合后期的設(shè)計階段。

2）對比不同工況組合下對系泊線拉力影響可知：浪、流、風(fēng)為 0o，45o，30o 以及 180o，135o，150o 時半潛式平臺升沉幅值最大，最大幅值為 2.733 m，同時系泊線產(chǎn)生的拉力最大，為最危險工況，但安全系數(shù)均大于 DNV 規(guī)范要求的 1.50，即所設(shè)計的系泊線符合安全規(guī)范的要求。

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Coupled dynamic response analysis of semi-submersible platform

SUN Li-ping， NIU Zhi-you， LIU Zi-jian， ZHANG Li-jian
（Harbin Engineering University， School of Ship Engineering， Harbin 150001， China）

Due to the specialist of the ocean environment， semi-submersible platform will be affected by the joint action of wind， wave and flow. The combination of wind， wave and flow cause six degrees of freedom in the direction of movement and affect operation of semi-submersible. Therefore， the platform motion response prediction and intensity check are particularly important. This article is chosen in the case of 1 000 meters depth， under the condition of frequency domain and time domain respectively， to simulate semi-submersible platform motion response. To predict the characteristics of semisubmersible platform motion response under the condition of frequency domain and time domain and comparative analysis is implemented on the platform heave motion of different combination of wind，wave and flow. To calculate the force size of designed mooring lines under the condition， then conduct intensity check.

semi-submersible platform；time domain；frequency domain；response prediction；mooring line；intensity check

U661.43

A

1672-7619（2016）05-0056-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.012

2015-09-14；

2015-09-29

孫麗萍（1962-），女，教授，主要從事海洋工程方面研究。