韓榮貴，時(shí) 磊，王金光，丁朝蓬

（煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，煙臺(tái) 264000）

0 引言

半潛式海洋平臺(tái)在營(yíng)運(yùn)期間承受的環(huán)境載荷包括風(fēng)、浪、流、水溫等自然環(huán)境引起的載荷。波浪載荷是半潛式平臺(tái)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全評(píng)估中一個(gè)非常重要的載荷之一，正確計(jì)算波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義。

目前比較常用的確定波浪載荷的方法有譜分析方法[1]和設(shè)計(jì)波方法[1-2]，由于譜分析方法的計(jì)算量大，現(xiàn)多用于平臺(tái)的疲勞分析中，在強(qiáng)度分析中應(yīng)用較少。而設(shè)計(jì)波方法的計(jì)算量相對(duì)較小，在工程應(yīng)用上較多。在設(shè)計(jì)波方法中又分為確定性方法和隨機(jī)性方法[1-2]。本文主要研究設(shè)計(jì)波計(jì)算中確定性方法和隨機(jī)性方法的區(qū)別，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)波計(jì)算方法

1.1 確定性方法

確定性設(shè)計(jì)波分析方法是根據(jù)某一海域的百年最大波高與相應(yīng)的波陡關(guān)系式換算出來(lái)的不同周期下的規(guī)則波波高，其中最大波陡計(jì)算公式[1]如下:

其中:S為波陡；T為規(guī)則波周期；H100為百年一遇最大波高。

規(guī)則波波高計(jì)算公式[1]為:

其中:H為規(guī)則波波高；g為重力加速度。

根據(jù)平臺(tái)主次度，選取合適的波浪周期，應(yīng)用公式(1)和(2)即可得到相應(yīng)的規(guī)則波的波高。公式(1)給出的是最大波陡極限值，根據(jù)該公式計(jì)算會(huì)得到比較保守的計(jì)算結(jié)果。

1.2 隨機(jī)性方法

隨機(jī)性設(shè)計(jì)波分析方法[1-3]的主要思想是將特征載荷RAO（Response Amplitude Operator）與波浪譜結(jié)合進(jìn)行3小時(shí)短期預(yù)報(bào)，從而求取特征載荷在一定海況條件下的最大響應(yīng)值。然后根據(jù)公式(3)[2]求解設(shè)計(jì)波的波幅。

其中:Ad為設(shè)計(jì)波的波幅；Rmax為特征載荷最大值；RAOC為對(duì)應(yīng)關(guān)鍵周期下的特征載荷RAO。

典型的特征載荷如圖1[1]所示。

圖1 典型特征載荷

2 算例分析

水動(dòng)力計(jì)算采用HARP軟件[4]中的Hydrodynamic Module模塊，特征載荷及設(shè)計(jì)波統(tǒng)計(jì)分析由自己開(kāi)發(fā)的后處理程序完成。

2.1 水動(dòng)力模型

下面以?xún)煞N不同形式半潛平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究，其一為非對(duì)稱(chēng)下浮體半潛式起吊平臺(tái)，水動(dòng)力網(wǎng)格如圖2所示。另一座為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的半潛式鉆井平臺(tái)，水動(dòng)力網(wǎng)格如圖3所示。分別命名這兩個(gè)平臺(tái)為平臺(tái)1和平臺(tái)2。

圖2 半潛起吊平臺(tái)水動(dòng)力網(wǎng)格

圖3 半潛鉆井平臺(tái)水動(dòng)力網(wǎng)格

確定性方法波浪周期為4 s～15 s，浪向?yàn)?180°～180°，15°為一個(gè)間隔。

隨機(jī)性設(shè)計(jì)波方法波浪周期4 s～40 s，1 s為一個(gè)間隔，在固有周期附近及10 s左右進(jìn)行局部加密大概0.3 s～0.5 s間隔；浪向-180°～180°，15°為一個(gè)間隔。

2.2 海況參數(shù)

具體海況信息如表1所示，短期預(yù)報(bào)波浪譜采用JONSWAP 譜[3]。

表1 海況信息

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖4根據(jù)確定性設(shè)計(jì)波方法計(jì)算出的規(guī)則波波高。為比較兩種設(shè)計(jì)波方法的結(jié)果，文章將比較各自選取的設(shè)計(jì)波對(duì)應(yīng)的特征載荷大小。根據(jù)公式(4)計(jì)算出確定性方法計(jì)算的規(guī)則波對(duì)應(yīng)的特征載荷。

其中:Rmax0為確定性方法特征載荷最大值；H為規(guī)則波波高；RAOC為對(duì)應(yīng)周期下的特征載荷響應(yīng)值。根據(jù)公式(4)及隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法計(jì)算出的特征載荷最大值在表2和表3中。

表2 平臺(tái)1兩種設(shè)計(jì)波法特征載荷對(duì)比

表3 平臺(tái)2兩種設(shè)計(jì)波法特征載荷對(duì)比

2.4 結(jié)果分析

從表2和表3中可以看出確定性方法所得設(shè)計(jì)波對(duì)應(yīng)的特征載荷與隨機(jī)性方法所得到的特征載荷大體接近。確定性方法相對(duì)于隨機(jī)性方法偏保守一些。主要是由于在進(jìn)行確定性方法選取設(shè)計(jì)波時(shí)使用了規(guī)范規(guī)定的最大波陡，由于規(guī)范中的波陡關(guān)系式是個(gè)極限值，實(shí)際海況中波陡可能會(huì)小于該值，因此會(huì)得到相對(duì)保守的波浪載荷。

對(duì)于確定性設(shè)計(jì)波法來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)波的個(gè)數(shù)會(huì)較多，因此會(huì)增加強(qiáng)度計(jì)算的工作量。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算研究表明，確定性設(shè)計(jì)波方法一般會(huì)得到偏于保守的結(jié)果，其優(yōu)點(diǎn)是在水動(dòng)力計(jì)算及后處理上比較簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行特征載荷及相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析，只需要計(jì)算部分周期和浪向下的水動(dòng)力系數(shù)，最后根據(jù)確定的設(shè)計(jì)波波高將波浪載荷施加到有限元模型上即可；其缺點(diǎn)是有限元分析計(jì)算量會(huì)大一些，但還是比譜分析方法的計(jì)算量小。隨機(jī)性設(shè)計(jì)波方法的優(yōu)點(diǎn)是選取的設(shè)計(jì)波數(shù)量較少，有限元分析計(jì)算量較??；缺點(diǎn)是水動(dòng)力計(jì)算部分相對(duì)復(fù)雜，需要進(jìn)行特征載荷計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析，若沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算程序，該項(xiàng)工作將無(wú)法進(jìn)行。因此，在計(jì)算條件允許的情況下，建議優(yōu)先采用隨機(jī)性設(shè)計(jì)波方法進(jìn)行波浪載荷計(jì)算，可避免不必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，有利于平臺(tái)的重量控制。

[1]DNV. RECOMMENDED PRACTICE DNVRP-C103 COLUMN-STABILISED UNITS[S].FEBRUARY, 2005.

[2]ABS. RULE FOR BUILDING AND CLASSING.MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS[S]. 2008.

[3]戴仰山, 沈進(jìn)威, 宋競(jìng)正. 船舶波浪載荷[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.

[4]HARP MANUAL[Z].

[5]DNV. OFFSHORE STANDARD DNVOS-E301 POSITION MOORING[S]. 2008-10.