多浮箱拼接浮體模擬試驗方案設計

梁世龍，懷利敏，康正凌

（92228 部隊，北京100072）

1 前言

多浮箱組成的大型浮體平臺，是由浮箱間不同類型的多個連接器拼接而成的。在惡劣的海洋環(huán)境中，多浮箱組合浮體平臺承受風、浪、流等多種載荷的作用，系泊系統(tǒng)及浮體間的連接器遭受極大的環(huán)境載荷，通過模型試驗的方法得到多浮箱組合浮體平臺內部受力情況具有重要意義，可為多浮箱拼接浮體平臺設計提供參考。

多位專家學者對大型浮體組合平臺進行了相關的研究：祁恩榮[1]等以橫向浮筒式的淺吃水超大型浮體為研究對象，設計柔性連接器模型，研究了超大型浮體連接器的剛度特性；呂海寧[2]等進行了半潛式超大型浮體的多剛體模型試驗，對各浮體間的相對運動以及浮體間連接器載荷的動力響應特性進行了研究；丁偉[3]等用縮尺比為1：100 的移動式海上基地模型，對超大型浮體進行水池試驗，研究浮體間連接器的動力響應；王永恒[4]等通過數(shù)值仿真和模型試驗的方法，對由三個相同模塊由連接器連接組成的超大型浮體的動態(tài)響應性能開展了研究，確定了連接器剛度最佳匹配原則；劉超[5]等用剛性模塊柔性連接器模型，研究了連接器動力響應受淺水效應的影響;陸曄[6]等通過模型試驗的方式，研究了超大型浮體平臺柔性連接器的極限結構強度及其失效模式；祁恩榮[7]等通過數(shù)值仿真和模型試驗的方法，研究了超大型浮體平臺鉸接式連接器的疲勞強度;朱璇[8]等設計了一種柔性連接器，并通過數(shù)值計算研究了不同剛度連接器的載荷響應。

本文以多浮箱拼接浮體平臺為研究對象，通過衰減試驗、水平剛度試驗、風浪流聯(lián)合海況試驗，獲得平臺的固有周期和阻尼系數(shù)、系泊系統(tǒng)的剛度、相應海況下平臺運動性能及系泊系統(tǒng)的系泊性能，為系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供可靠的試驗依據(jù)。同時，獲得連接接頭在平臺運動過程中的受力，以此來驗證連接接頭設計的合理性和可靠性。

本次試驗由多浮箱拼接浮體物理模型和模擬組合系泊纜兩部分組成：多浮箱拼接浮體平臺，采用一根組合系泊纜定位，由3x3 個箱型模塊拼接而成；橫向采用橫向連接器連接，相鄰兩個箱體之間布置4 個橫向連接器；縱向采用縱向連接器和剪力接頭的組合方式進行連接，如圖1 所示。

圖1 多浮箱系泊平臺試驗示意圖

2 模擬試驗模型

2.1 平臺模型

綜合考慮試驗對象尺寸、環(huán)境條件以及實驗室模擬能力，本次試驗采用合理的模型縮尺比進行模擬，試驗中采用的模擬平臺的總體和單個模塊的主要參數(shù)見表1。

表1 平臺主要參數(shù)

在試驗準備階段，使用3D 打印技術按照表1 縮減尺寸試制了模型。

2.2 系泊纜模型

系泊系統(tǒng)主要由大抓力錨、錨泊線和錨位浮標等組成。選用錨鏈加纖維纜組合纜的形式作為系泊纜，實型和模型的主要參數(shù)見表2。

表2 組合纜參數(shù)

2.3 連接器模型

多浮箱模塊間的連接器有三種形式：縱向連接器、橫向連接器和剪力連接器。試驗采用的縱向和橫向連接器參數(shù)，如表 3 所示。

表3 縱向和橫向連接器參數(shù)

縱向連接器在試驗過程中簡化為兩端鉸接的桿件；連接器桿件采用尼龍1010 材質制成其軸向剛度滿足設計要求。

橫向連接器連接后，兩個模塊間的平動和轉動都非常有限，所以可看成為剛性連接；橫向連接器材質采用尼龍1010。

剪力連接器由于受力情況與其外形密切相關，因此在試驗中采用3D 打印技術縮比后直接打印，其材質也是尼龍1010。

3 水池模型試驗

多浮箱拼接浮體平臺實際工作水深為12 m，水池試驗水深為0.6 m；風速采用定常風平均風速模擬（見表4），模擬時間10 min；由于流速較高，海流模擬采用整體造流和復合局部造流的方式。水池模擬平臺試驗圖，如圖2 所示。

圖2 水池模擬平臺試驗圖

不規(guī)則波浪譜采用JONSWAP 譜，γ=3.3；波浪模擬中，搖板信號需要同步采樣，采樣頻率25 Hz；極限系泊條件采樣時間＞36 min（對應實際3 h），采樣點數(shù)不少于54 000 點；從下達造波指令開始到采樣記錄開始，需間隔1.5 min，以使正式試驗采樣時模型能夠處于基本穩(wěn)定的運動狀態(tài)。具體如表4 所示。

表4 環(huán)境條件

3.1 靜水試驗

靜水試驗共11 個工況，包括：單模塊運動衰減試驗、兩模塊運動衰減試驗、三模塊運動衰減試驗、平臺整體橫搖衰減、系泊系統(tǒng)水平剛度試驗。

3.2 波浪試驗

不規(guī)則波浪試驗共9 個工況，包括：風浪流同向、風浪同向、浪流同向。

4 試驗數(shù)據(jù)采集

模型傳感器按試驗要求布置后，開始進行各項數(shù)據(jù)的測量，各項測試數(shù)據(jù)均由在線 A-D 轉換器和微機同步采樣。

5 試驗結果

5.1 靜水衰減

靜水衰減試驗共11 個工況，試驗結果如表5 所示。

表5 靜水衰減試驗結果

5.2 系泊系統(tǒng)水平剛度

試驗時將模型在船尾重心高度處系上細鋼絲繩，細鋼絲繩呈水平狀態(tài)，通過鋼絲繩拉動來測試整個系泊系統(tǒng)在特定角度水平位移下的回復力。系泊纜水平剛度回復曲線，如圖3 所示。

圖3 系泊纜水平剛度回復曲線

5.3 水動力性能

（1）系泊纜載荷

各工況下系泊纜載荷，如圖4 所示。由圖4 可知：風浪同向下，系泊纜載荷相對于浪流同向更小；系泊纜載荷單幅最大值和雙幅有義值，在C4 工況最不顯著，此時風浪同向、流與風浪呈90°夾角；單幅最大值的和雙幅有義值極大值，出現(xiàn)在C5 工況，此時浪流同向、風與浪流呈30°夾角；對比C1、C1-2 工況，風浪流同向下增加浮箱縱向間隙會使得系泊纜上載荷有所增加；對比C5、C2-2 工況，浪流同向、風與浪流呈30°夾角時增加浮箱縱向間隙后，系泊纜載荷單幅最大值和雙幅有義值都有所增加。

圖4 系泊纜載荷試驗數(shù)據(jù)曲線

（2）縱向連接器受力

縱向連接器上的拉力和剪力，如圖5 和圖6 所示。

由圖5 可知：增加浮箱間的縱向間隙，可以有效減小縱向連接器上的拉力；對比C1 和C1-2 工況，縱向連接器7 和8 號上的單幅最大值，分別從6 855.0 kN和7 331.3 kN 下降到1 762.1 kN 和1 143.0 kN；對比C5和C2-2 工況，縱向連接器7 和8 號上的單幅最大值，分別從6 780.9 kN 和6 951.9 kN 下降到2 595.7 kN 和1 436.7 kN。

圖5 縱向連接器上拉力和剪力單幅最大值曲線圖

由圖6 可知：增加浮箱間的縱向間隙，縱向連接器上的剪力極值也會減小，在風浪流同向的環(huán)境條件下尤其明顯。

圖6 縱向連接器上拉力和剪力雙幅有義值曲線圖

（3）橫向連接器受力

模塊5 和6 之間的橫向連接器上的拉力和剪力，如圖7 和圖8 所示.

由圖7 和圖8 可知：5 號和6 號模塊間的橫向連接器上的拉力呈現(xiàn)兩端大、中間小的特征；橫向拉力最大值出現(xiàn)在C7 號工況，此時浪流同向、風與浪流90°夾角；橫向連接器上的剪力值，也是兩端大、中間小；橫向連接器上的剪力最大值出現(xiàn)在C4 工況，此時風浪同向、流與風浪呈90°夾角。

圖7 橫向連接器上拉力和剪力單幅最大值曲線圖

圖8 橫向連接器上拉力和剪力雙幅有義值曲線圖

（4）橫向連接器扭矩

經(jīng)分析橫向連接器彎矩和扭矩試驗數(shù)據(jù)可知：橫向連接器上的彎矩，也是兩端大、中間小；橫向連接器上的彎矩最大值，出現(xiàn)在C4 工況，此時風浪同向、流與風浪呈90°夾角；橫向連接器上的扭矩，也是在兩端大、中間小；橫向連接器上的扭矩最大值，出現(xiàn)在C1 工況，此時風浪浪同向。

（5）平臺運動

試驗中模塊1、2、3 橫向拼接成浮箱1，模塊4、5、6 拼接成浮箱2，模塊7、8、9 拼接成浮箱3，每個浮箱由橫向連接件固定連接可看成一個剛體；試驗中測量了三個浮箱各自的運動；浮箱間的相對運動，主要發(fā)生在垂蕩和縱搖這兩個自由度上，因此本模擬平臺試驗分析了這兩個方向運動結果。

第一次試驗，中間浮箱的垂蕩運動相對于平臺首部和尾部浮箱的垂蕩運動不顯著；大部分環(huán)境條件下，平臺首部浮箱的縱搖運動最劇烈，其次為中間浮箱，最小為尾部浮箱，這和垂蕩運動有所區(qū)別。

第二次試驗，增加浮箱間縱向間隙后，相鄰浮箱間的垂蕩運動差值增加；增加浮箱間間隙后相鄰間的縱搖運動差值也加大。

6 總結

通過上述試驗研究，主要結論如下：

（1）如果風浪流環(huán)境條件中的其中兩者為90°夾角，橫向連接器上的拉力、剪力和彎矩往往相對于其他環(huán)境方向會更大；

（2）增加浮箱間的縱向間隙后，浮箱將不會產生擠壓現(xiàn)象，增加浮箱間的縱向間隙避免浮箱互相擠壓，可以有效降低縱向連接器上載荷；

（3）大部分環(huán)境條件下，平臺首部浮箱的縱搖運動最劇烈，其次為中間浮箱，運動最小的為尾部浮箱；

（4）中間浮箱的垂蕩運動，相對于平臺首部和尾部浮箱的垂蕩運動不顯著。