梅 蕾，李宏源,，王大政，王 鑫，徐 麗，劉 暢，任冬亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；3.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

新型半潛式海洋通信平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及傾斜試驗研究及傾斜試驗研究

梅 蕾1，李宏源1,2，王大政1，王 鑫2，徐 麗1，劉 暢3，任冬亮1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；3.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》設(shè)計新型半潛式海洋通信平臺并確定該平臺的主尺度及加筋結(jié)構(gòu)，然后運用SolidWorks軟件建立海洋平臺的三維結(jié)構(gòu)模型，并計算出模型的重心、浮心坐標。按照縮尺比=1∶30的比例設(shè)計并建造該半潛式海洋通信平臺的模型，其中模型采用玻璃鋼材料，且保證實體與模型的重心、浮心坐標及慣性矩等滿足相應的比例關(guān)系，最后進行模型傾斜試驗。將軟件模擬的結(jié)果與傾斜試驗的結(jié)果進行對比，重心坐標誤差為0.5%，驗證了設(shè)計的可行性。

半潛式平臺；結(jié)構(gòu)設(shè)計；傾斜試驗

0 引 言

新型半潛式海洋通信平臺不同于鉆井平臺和浮標，結(jié)構(gòu)設(shè)計上有很多創(chuàng)新，如系泊方案采用深海單點系泊方法。該海洋平臺集太陽能發(fā)電、液壓式風力發(fā)電等新能源于一體，為海洋平臺通信任務系統(tǒng)提供能量。該新型半潛式海洋通信平臺布設(shè)在中國南海水深約2 000 m海域，是一款用于獲取海上氣象水文觀測資料的綜合性大型海洋觀測平臺。該平臺能夠定時提供氣溫、氣壓、空氣濕度、風速、風向、海水溫鹽度、浪高、流速、流向等海上氣象水文資料，以加強對我國南海海域惡劣海況和氣候變化的監(jiān)測預警能力。對于新型半潛式海洋通信平臺，按照CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》設(shè)計壽命為30年。

半潛式海洋通信平臺能夠與衛(wèi)星、飛機、海洋調(diào)查船、海監(jiān)船和深潛器等構(gòu)成立體的海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該半潛式海洋通信平臺使用太陽能電池板及液壓風力發(fā)電系統(tǒng)為通信系統(tǒng)提供能源，能耗低，且對海洋環(huán)境幾乎不造成污染。與其他海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相比，半潛式海洋通信平臺具有抗風浪能力強、壽命長、外形結(jié)構(gòu)簡化、功能齊全、成本低、更大的工作水深、低能耗、無污染等優(yōu)點[1]。

傳統(tǒng)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物傾斜試驗的傾角測量多采用擺錘法。本文采用一種AH-100B航資傳感器測量海洋平臺的傾角，并用LabVIEW程序進行數(shù)據(jù)采集，對船舶與海洋結(jié)構(gòu)物傾斜試驗的創(chuàng)新及改進有廣泛的借鑒意義。

1 新型半潛式海洋通信平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

半潛式海洋通信平臺的主尺寸包括平臺長度、寬度和型深。平臺長度指平臺在中縱剖面上的最大水平投影尺寸；平臺寬度指垂直于縱剖面量得的兩舷殼板內(nèi)側(cè)之間的最大水平距離；平臺型深指平臺長度中點處沿舷側(cè)從基線量至下殼體最上層連續(xù)甲板梁上緣的垂直距離。新型半潛式海洋通信平臺主尺度及主體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示(選取中縱剖面、中橫剖面和水線面交點為坐標原點；Z軸為上下方向，向上為正)。

按照CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》[2]，對半潛式海洋通信平臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主尺度如表1所示，加強筋方案如表2所示。平臺整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備箱結(jié)構(gòu)、立柱和太陽能板結(jié)構(gòu)分別如圖1～圖4所示。

表1 半潛式海洋通信平臺技術(shù)參數(shù)Tab.1 Principal dimensions of semi-submersible communicationsplatform

表2 新型半潛式海洋平臺加強筋設(shè)計方案Tab.2 Stiffener design scheme of semi-submersiblecommunications platform

圖1 新型半潛式海洋平臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General design structure of semi-submersible communications platform

圖2 新型半潛式海洋平臺設(shè)備箱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Equipment compartment structure of semi-submersible communications platform

圖3 新型半潛式海洋平臺立柱結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Column structure of semi-submersible communications platform

海洋平臺在水池中進行模型水動力性能試驗的第一道工序是模型制作。平臺模型不僅在外形上要和實體幾何相似，而且和性能有關(guān)的參數(shù)如重量、重心位置以及慣性矩等也要滿足幾何相似要求。

在海洋平臺的初步設(shè)計中，重心、浮心坐標及慣性矩的計算十分重要，所以本文基于SolidWorks軟件對該新型半潛式海洋通信平臺進行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算出海洋平臺整體結(jié)構(gòu)的重心、浮心及慣性矩，為水動力計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化做準備。其中，半潛式海洋通信平臺整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，艙室及太陽能板結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。

圖4 半潛式海洋通信平臺整體示意圖Fig.4 The overall schematic of semi-submersible communications platform

圖5 新型半潛式海洋通信平臺艙室示意圖Fig.5 The cabin schematic of semi-submersible communications platform

圖6 新型半潛式海洋通信平臺太陽能板結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The solar panel structure of semi-submersible communications platform

2 海洋平臺模型傾斜試驗

外形及上層建筑幾何相似的海洋平臺模型制成后，需要根據(jù)海洋平臺實體的數(shù)據(jù)，對模型的重心位置及慣性矩等技術(shù)參數(shù)進行校核，以保證模型與實體的質(zhì)量和質(zhì)量分布相似，這些參數(shù)直接影響到海洋平臺在海上風、浪、流作用下的運動及受力。傾斜試驗的目的在于確定空海洋平臺的實際排水量及其重心的實際位置[3]。

2.1 試驗原理

當海洋平臺正浮于水線WL時，其排水量為Δ，若將海洋平臺上A點處的重物P橫向移動某一段距離L至A1點，則海洋平臺橫傾并浮于新水線W1L1。

從海洋平臺上載荷移動公式可知，此時海洋平臺的橫傾角φ的正切[4]：

(1)

將式(1)帶入式(2)，即可得到海洋平臺重心垂向坐標ZG的計算公式：

(2)

2.2 試驗模型及設(shè)施

按照1∶30的比例，運用玻璃鋼材料制造該半潛式海洋通信平臺的模型，傾斜試驗模型如圖7所示。該試驗在哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶與海洋工程學院循環(huán)水槽進行。

圖7 模型示意圖Fig.7 The schematic of model

2.3 試驗步驟

重物布置情況如圖8和圖9所示，傾斜試驗重物布置情況如表3所示。傾斜試驗重物移動情況如表4所示。試驗數(shù)據(jù)采集和記錄采用Labview程序，傾角測量示意圖如圖10所示，傾斜試驗結(jié)果如表5所示。試驗數(shù)據(jù)計算如表6所示。

圖8 傾斜試驗移動重物位置分布Fig.8 Location map of moving weight in inclining experiment

圖9 傾斜試驗移動重物實際位置示意圖Fig.9 The actual location of moving weight in inclining experiment

圖10 傾角測量示意圖Fig.10 Angle measurement schematic diagram

表3 傾斜試驗重物布置情況Tab.3 Weight arrangement in inclining experiment

表4 傾斜試驗重物移動情況Tab.4 Moving condition in inclining experiment

表5 傾斜試驗結(jié)果記錄表Tab.5 The results form of inclining experiment

表6 初穩(wěn)性高計算表Tab.6 Calculating tables of metacentric height

初穩(wěn)性高計算：

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知，采用算數(shù)平均值算法和最小二乘法計算的GM值相同。

試驗時海洋平臺重心垂向坐標計算：

1.269/30=0.443m，

與SolidWorks軟件計算結(jié)果0.445誤差為0.5%。

圖11 SolidWorks計算結(jié)果Fig.11 Calculating result of SolidWorks

3 結(jié) 語

本文基于CCS規(guī)范完成了新型半潛式海洋通信平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用SolidWorks軟件計算出平臺的重心、浮心。運用AH-100BAHRS航姿控制系統(tǒng)對海洋平臺的傾角進行測量并記錄數(shù)據(jù)，將傾斜試驗計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果進行對比，誤差僅為0.5%，滿足工程要求，對未來船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的傾斜試驗有重要參考意義。

[1] 陳新權(quán), 劉振輝, 譚家華.深海半潛式平臺選型研究[J].中國海洋平臺,2008(1):7-13.

CHENXin-quan,LIUZhen-hui,TANJia-hua.Astudyonsemisubmersibletypesindeepwater[J].ChinaOffshorePlatform,2008(1):7-13.

[2] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[S],2012.

ChinaClassificationSociety(CCS).RulesforConstructionandclassificationofmobileoffshoredrillingunits[S],2012.

[3] 盛振邦, 劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2003：72-78.

SHENGZhen-bang,LIUYing-zhong.Shippingpriciple[M].Shanghai:ShanghaiJiaotongUniversityPress,2003:72-78.

[4] 中國船級社.船舶傾斜試驗與靜水橫搖試驗實施指南[S],1996.

ChinaClassificationSociety(CCS).Rulesforshipincliningtestandhydrostaticrollingtest[S],1996.

[5] 顧恩凱, 黃維平, 孫銘遠.自升式鉆井平臺傾斜試驗方法研究[J].中國造船,2011,52(S1):140-146.

GUEn-kai,HUANGWei-ping,SUNMing-yuan.Studyonmethodofincliningtestofjackuprig[J].ShipbuildingofChina,2011,52(S1):140-146.

[6] 劉新寶, 程龍, 曹士峰, 等.懸臂梁式鉆井平臺傾斜試驗方法探索[J].中國造船,2011,52(S1):148-152.

LIUXin-bao,CHENGLong,CAOShi-feng,etal.Incliningtestmethodofoffshoredrillingplatformwithcantilever[J].ShipbuildingofChina,2011,52(S1):148-152.

[7]LOWYM.Frequencydomainanalysisofatensionlegplatformwithstatisticallinearizationofthetendonrestoringforces[J].MarineStructures,2009,22(3):480-503.

[8]HIRDARISSE,BAIW,DESSID,etal.Loadsforuseinthedesignofshipsandoffshorestructures[J].OceanEngineering,2014,78:131-174.

[9]MORANDIAC,FRIEZEPA,BIRKINSHAWM,etal.Jack-upandjacketplatforms:acomparisonofsystemstrengthandreliability[J].MarineStructures,1999,12(4-5):311-325.

[10] 由廣輝，竇培林.浮動隔聲結(jié)構(gòu)在自升式海洋平臺上的應用[J].艦船科學技術(shù)，2011,36(3):121-125.

YOUGuang-hui，DOUPei-lin.Applicationoffloatingsoundinsulationstructureinjack-upplatform[J].ShipScienceandTechnology,2011,36(3):121-125.

Study on structure design and inclining experiment of semi-submersible communications platform

MEI Lei1,LI Hong-yuan1,2,WANG Da-zheng1,WANG Xin2,XU Li1,LIU Chang3, REN Dong-liang1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,China; 2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;3.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

Based on CCS,the semi-submersible communications platform was designed and its main dimensions and stiffened structures were determined first.The model was then designed and made in GRP material according to the scale ratio of 1:30，assuring the gravity center，buoyancy center，moments of inertia and other features of the model and the real platform meet the corresponding proportion.The model inclining test was done at last.Contrasting results of the test with the one simulated by the software，the deviation of gravity center coordinate was 0.5 percent，which means the project is feasible.

semi-submersible platform; structure design; inclining experiment

2014-09-23；

2015-04-30

中國電子科技集團資助項目；山東省科技廳資助項目(2013GGA10065)

梅蕾(1981-)，女，博士，講師，從事復合材料船舶設(shè)計建造研究。

U663.2

A

1672-7649(2015)10-0128-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.027