非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下淺水浮式海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)耦合分析

郭建廷，倪世杰，嵇春艷

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

建立淺水浮式海洋平臺(tái)作為多用途海上綜合保障平臺(tái)，可為軍民生產(chǎn)生活、海洋科學(xué)考察探測(cè)、漁業(yè)捕撈等提供保障。

由于浮式海洋平臺(tái)與系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果精度對(duì)平臺(tái)安全性及可靠性影響顯著，因此系泊系統(tǒng)與浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是浮式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造方面研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在進(jìn)行浮式結(jié)構(gòu)-系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，根據(jù)應(yīng)用水深不同，可以大致分為深水浮式結(jié)構(gòu)物耦合動(dòng)力響應(yīng)分析方法與淺水浮式結(jié)構(gòu)物耦合動(dòng)力響應(yīng)分析方法兩大類。

對(duì)于深水浮式結(jié)構(gòu)物耦合動(dòng)力響應(yīng)分析方法，童波等[1]采用時(shí)域耦合分析方法探討系泊纜直徑、長(zhǎng)度和預(yù)張力角度對(duì)系泊纜動(dòng)力特性的影響。嵇春艷等[2–4]針對(duì)深水半潛式海洋平臺(tái)采用時(shí)域全耦合分析法探討了新型系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力性能。Yang 等[5]采用全時(shí)域方法對(duì)系泊狀態(tài)下的桁架浮筒式平臺(tái)進(jìn)行耦合分析。

由于當(dāng)前研究主要關(guān)注深水條件下的結(jié)構(gòu)水動(dòng)力問(wèn)題，淺水浮體耐波性的研究相對(duì)于深水水動(dòng)力來(lái)說(shuō)非常有限[6]。但近年來(lái)，大型浮體在淺水中的水動(dòng)力特性由于實(shí)際工程需要，也引起了眾多學(xué)者的研究興趣。楊建民等[7]對(duì)FPSO 在渤海淺水不規(guī)則波浪中六自由度運(yùn)動(dòng)和碰底情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析。丁軍等[8]針對(duì)近島礁淺水環(huán)境下浮式海洋平臺(tái)提出一種新型樁柱式系泊系統(tǒng)。國(guó)外對(duì)于大型結(jié)構(gòu)物淺水水動(dòng)力性能研究相對(duì)較少。Buchner 等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了一浮式接收終端和LNG 船之間起輔助作用拖船的運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)即使一般的波浪也會(huì)引起拖船的顯著運(yùn)動(dòng)。

淺水浮式海洋平臺(tái)一般布置在水深不超過(guò)20 m 的淺水區(qū)，波浪條件易發(fā)生改變；平臺(tái)結(jié)構(gòu)接近海底，造成平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)發(fā)生改變；系泊系統(tǒng)往往為非對(duì)稱式，從而造成系泊與平臺(tái)、平臺(tái)與波浪之間耦合作用更為復(fù)雜。本文所研究?jī)深惖湫头菍?duì)稱系泊系統(tǒng)為左右非對(duì)稱和前后非對(duì)稱系泊系統(tǒng)，基于TMA 淺水波浪譜對(duì)2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下浮式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)以及張力分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與對(duì)稱式系泊作用下結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和變化規(guī)律。

1 基本理論

1.1 TMA 淺水波浪譜理論

波浪傳入近海淺水區(qū)，波浪譜將發(fā)生明顯變化，Kitaigorodoskii 等根據(jù)研究結(jié)果將淺水波浪譜表示為深水波浪譜與無(wú)因次水深kd函數(shù)的乘積形式：

式中，S0(ω)為深水波浪譜，無(wú)因次函數(shù)為：

式中無(wú)因次量為:

上述理論隨后被實(shí)測(cè)資料所證實(shí)并發(fā)展為淺水波浪譜TMA 譜。

式 中：S j(f)為 Jonswap 譜； Φ(kd)為 修 正 函 數(shù)，Goda所給建議公式為：

式中：k，d，f滿足色散關(guān)系。

1.2 時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程分為高頻與低頻2 個(gè)部分。1 階高頻運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：M為結(jié)構(gòu)物慣量矩陣； μ為附加質(zhì)量系數(shù)矩陣；K為時(shí)延函數(shù)矩陣；C為回復(fù)力系數(shù)矩陣；x(j1)為結(jié)構(gòu)物高頻運(yùn)動(dòng)；Fimoor為系泊力時(shí)歷。

2 階低頻運(yùn)動(dòng)方程為:

式中：m為結(jié)構(gòu)物質(zhì)量； μ為附加質(zhì)量系數(shù)矩陣；x(2)為2 階低頻運(yùn)動(dòng)；B11，B22，B66為阻尼系數(shù)；Bwdd為縱蕩方向慢漂阻尼系數(shù)；Fiwind為風(fēng)載荷時(shí)歷；Ficurrent為流載荷時(shí)歷；Fiwave(2)為2 階波浪漂移力時(shí)歷；Fimoor為系泊力時(shí)歷。

2 淺水浮式平臺(tái)及非對(duì)稱系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)主尺度及基本參數(shù)

本文所分析淺水浮式海洋平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 淺水浮式海洋平臺(tái)Fig. 1 Shallow Water Floating Offshore Platform

其主體結(jié)構(gòu)由浮體、立柱、橫撐與主甲板組成，具體特征參數(shù)見表1[10]。

2.2 非對(duì)稱系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用張緊式系泊方式，8 根系泊纜分為4 組，每組由2 根組成，每組系泊纜夾角為15°，仰角為45°，選取3 段組合纜形式，即上下2 段為錨鏈，中間為聚酯纜，具體參數(shù)如表2 所示。前后非對(duì)稱與左右非對(duì)稱系泊布置方式如圖2 和圖3 所示，地形坡度設(shè)為45°，系泊纜布置于島礁地形中間，預(yù)張力均設(shè)為1 500 kN。

2.3 工作海況

為模擬南海淺水區(qū)生存海況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況，本文所選環(huán)境工況如表3 所示[3]。研究90°典型浪向，浪向角坐標(biāo)系定義如圖4 所示，波浪譜選用TMA 淺水波浪譜，如圖5 所示。風(fēng)譜選用NPD 風(fēng)譜，風(fēng)速為40 m/s；由于平臺(tái)布置在20 m 水深的島礁淺水區(qū)，海流流速較小，計(jì)算時(shí)暫不予考慮。

表1 淺水浮式平臺(tái)主要特征參數(shù)Tab. 1 Main parameters of shallow water floating platform

表2 系泊纜主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of mooring lines

圖2 前后非對(duì)稱系泊系統(tǒng)Fig. 2 Forward and backward asymmetric mooring system

圖3 左右非對(duì)稱系泊系統(tǒng)Fig. 3 Left and right asymmetric mooring system

表3 環(huán)境參數(shù)Tab. 3 Environment parameters

圖4 坐標(biāo)系定義Fig. 4 Coordinate system definition

3 平臺(tái)水動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果及分析

90°浪向角下，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4 所示。在所給環(huán)境力條件下，2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)雖較大，但均在API 規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

取系統(tǒng)穩(wěn)定后的4 000～4 060 s 這60 s 之間平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6 所示。

圖5 TMA 淺水波浪譜Fig. 5 TMA shallow water wave spectrum

表4 90°浪向角下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果Tab. 4 Results of motion response of platform at 90°wave angle

結(jié)合平臺(tái)六自由度時(shí)歷曲線及表4 可以看出，當(dāng)浪向角為90°時(shí)，3 種系泊方式作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都主要表現(xiàn)為橫蕩、垂蕩與橫搖運(yùn)動(dòng)。

相比對(duì)稱系泊系統(tǒng)，前后非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下平臺(tái)縱蕩、縱搖與首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幾乎不變，橫蕩、垂蕩與橫搖運(yùn)動(dòng)均有不同程度改善。橫蕩最大值由3.348 m減小到3.26 m，減小了2.63%；垂蕩最大值由3.418 m減小到3.31 m，減小了3.16%；橫搖最大值由4.521°減小到4.322°，減小了4.4%。

圖6 90°浪向角下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig. 6 Platform motion response at 90°wave angle

相比對(duì)稱系泊系統(tǒng)，左右非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下平臺(tái)縱蕩、縱搖與首搖運(yùn)動(dòng)均有所增大，但運(yùn)動(dòng)幅度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。縱蕩最大值由0.006 m 增大到0.339 m，縱搖最大值由0.004°增大到0.377°，首搖最大值由0.01°增大到0.705°。橫蕩、垂蕩與橫搖運(yùn)動(dòng)均有所減小。橫蕩最大值由3.348 m 減小到3.211 m，減小了4.09%，垂蕩最大值由3.418 m 減小到3.292 m，減小了3.69%，橫搖最大值由4.521°減小到4.224°，減小了6.57%。

3.2 系泊纜張力計(jì)算結(jié)果及分析

為驗(yàn)證2 種非對(duì)稱系泊方式的可行性，還需校核系泊纜張力，3 種系泊方式下8 根系泊纜最大張力如圖7 所示。

圖7 最大張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比Fig. 7 Comparison of statistic results of maximum tension

可以看出，3 種系泊方式下受力最大系泊纜均為2 號(hào)纜繩，并且2 種非對(duì)稱系泊方式下纜繩最大張力相比對(duì)稱系泊均有不同程度增大。前后非對(duì)稱系泊方式作用下系泊纜最大張力由5 040 kN 增大到5 223 kN，增加了3.63%；左右非對(duì)稱系泊方式作用下系泊纜最大張力由5 040 kN 增大到5 131 kN，增加了1.81%。

前后非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下受力最大系泊纜安全系數(shù)為1.71，大于1.67，滿足API 規(guī)范要求，系泊于島礁地形上的5#，6#，7#和8#系泊纜最大受力均比對(duì)稱系泊作用下有所增大。左右非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下受力最大系泊纜安全系數(shù)為1.74，大于1.67，滿足規(guī)范要求，并且系泊于島礁地形上的1#，2#，7#和8#系泊纜最大受力相比對(duì)稱系泊作用下也有不同程度的增大。

2 種非對(duì)稱系泊方式作用下系泊纜最大張力安全系數(shù)雖然大于1.67，但均存在破斷風(fēng)險(xiǎn)，因此在設(shè)計(jì)系泊纜時(shí)，考慮到淺水浮式平臺(tái)處于變化的海況中，系泊纜時(shí)刻受到動(dòng)力的作用，而每根系泊纜受力不均勻，容易發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)研究目標(biāo)平臺(tái)特點(diǎn)，考慮島礁地形變化，本文設(shè)計(jì)了2 種典型非對(duì)稱式系泊系統(tǒng)布置方案，基于TMA 淺水波浪譜理論，考慮平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的耦合作用，對(duì)2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下浮式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)以及張力分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與對(duì)稱式系泊系統(tǒng)作用下結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）在所給環(huán)境力條件下，2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下，淺水浮式平臺(tái)可以在島礁地形中較好地定位，由于淺水效應(yīng)，平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)雖然較大，但根據(jù)API 規(guī)范要求，均在自存海況規(guī)范允許的范圍內(nèi)；系泊纜張力雖然較大，但滿足自存海況的破斷要求，證明這2 種非對(duì)稱系泊方式應(yīng)用于淺水島礁地形下平臺(tái)的定位是安全可行的。

2）相比對(duì)稱系泊系統(tǒng)，2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下，平臺(tái)橫蕩、垂蕩及橫搖運(yùn)動(dòng)均有所減小，降低了平臺(tái)的觸底風(fēng)險(xiǎn)。

3）相比對(duì)稱系泊系統(tǒng)，2 種非對(duì)稱系泊系統(tǒng)作用下，各環(huán)境工況下受力最大系泊纜均相同，但最大張力均有所增大，系泊于島礁地形上的纜繩最大張力大多有不同程度的增大，可能存在破斷風(fēng)險(xiǎn)，因此在設(shè)計(jì)系泊纜時(shí)有必要進(jìn)行強(qiáng)度校核。