唐文獻(xiàn)，高 澤，張 建，黃海濤，陳曉雯

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于 AQWA 的 2 種立柱結(jié)構(gòu)的半潛式海洋平臺(tái)水動(dòng)力特性研究

唐文獻(xiàn)，高 澤，張 建，黃海濤，陳曉雯

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文在現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 2 種不同立柱式結(jié)構(gòu)的半潛海洋平臺(tái)。首先，根據(jù) 2 種不同立柱結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，建立平臺(tái)的三維模型；其次，建立 2 種平臺(tái)的水動(dòng)力模型，在相同的環(huán)境載荷下，運(yùn)用 AQWA 軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，得到 2 種平臺(tái)頻域下的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等數(shù)據(jù)，對(duì)比研究水動(dòng)力的關(guān)鍵因素對(duì)不同立柱結(jié)構(gòu)平臺(tái)的影響；最后，在 Ansys/Workbench 中對(duì) 2 種平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（RAO）進(jìn)行后處理分析，得到結(jié)果與函數(shù)曲線吻合，從而為平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ㄌ峁├碚摶A(chǔ)。

半潛式海洋平臺(tái)；立柱結(jié)構(gòu)；水動(dòng)力特性；AQWA

0 引 言

隨著全球能源供應(yīng)的緊缺，石油、天然氣的開(kāi)采越來(lái)越受到重視。然而，我國(guó)對(duì)石油和天然氣的開(kāi)采主要停留在淺海區(qū)域，開(kāi)采設(shè)備和技術(shù)人員的開(kāi)采能力較弱。在世界各國(guó)對(duì)深海資源激烈競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)際形勢(shì)和我國(guó)在海洋事業(yè)的投入力度加大的背景下，對(duì)海洋平臺(tái)技術(shù)的研究顯得尤為重要。

由于平臺(tái)在惡劣的環(huán)境載荷作用下會(huì)產(chǎn)生波頻搖蕩運(yùn)動(dòng)和低頻漂移運(yùn)動(dòng)，因此半潛平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和水動(dòng)力特性的分析具有重要意義。許多學(xué)者針對(duì)水動(dòng)力的各種特性對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響做了大量研究。朱航等[1]以“海洋 981”平臺(tái)進(jìn)行研究，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了 0o～ 90o風(fēng)載荷與平臺(tái)表面風(fēng)壓力分布規(guī)律，進(jìn)行了測(cè)壓實(shí)驗(yàn)和測(cè)力實(shí)驗(yàn)，得到了表面風(fēng)壓系數(shù)，從而計(jì)算了平臺(tái)所受的整體風(fēng)載荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本相同。StDenis[2]把船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)看成一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，提出了船舶在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法。Koevin Kroukovsky[3]首次提出了切片理論，并計(jì)算了船舶的縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)。張金平等[4]對(duì)海洋平臺(tái)波浪理論和波浪力計(jì)算方法的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述，總結(jié)了不同波浪理論的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。宋安科[5]對(duì)第五半潛式平臺(tái)進(jìn)行了水動(dòng)力分析，得到了水動(dòng)力時(shí)間歷程響應(yīng)曲線。張鳳偉[6]運(yùn)用 AQWA 軟件建立了風(fēng)機(jī)安裝船的頻域計(jì)算模型，對(duì)安裝船的水動(dòng)力性能進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。吳瀾等[7]針對(duì)深水半潛式平臺(tái)，建立了三維水動(dòng)力模型，使用 AQWA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了水動(dòng)力系數(shù)變化特征并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)。

本文在現(xiàn)役半潛平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 2種不同立柱結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，以滿足平臺(tái)在深水作業(yè)時(shí)的工作要求，運(yùn)用 AQWE-LINE 模塊對(duì) 2 種平臺(tái)進(jìn)行頻域下的水動(dòng)力分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行后處理，為半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 兩種立柱結(jié)構(gòu)的半潛式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著時(shí)間的推移，海洋石油的開(kāi)發(fā)已經(jīng)從淺水到深水，使開(kāi)發(fā)深度進(jìn)一步加大和開(kāi)采能力進(jìn)一步提高。由于半潛式海洋平臺(tái)的優(yōu)良性能，能夠適應(yīng)復(fù)雜的海況，使其最近幾年發(fā)展迅速，逐步在石油、天然氣的開(kāi)發(fā)中占據(jù)重要地位，海洋平臺(tái)正在向著鉆井深度超過(guò) 12 000 m，工作水深超過(guò) 3 000 m的方向發(fā)展。

在海洋深水區(qū)域，平臺(tái)所受的環(huán)境載荷極其惡劣，特別是波浪載荷對(duì)平臺(tái)立柱影響極大，這就要求有優(yōu)良的立柱結(jié)構(gòu)來(lái)抵擋各種不規(guī)則波浪所產(chǎn)生的力對(duì)平臺(tái)的影響，作業(yè)人員要時(shí)刻監(jiān)控平臺(tái)隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。根據(jù) API RP 2SK《浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析規(guī)范》、CCS2005《海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范》等規(guī)范，設(shè)計(jì)了 2 種不同立柱結(jié)構(gòu)的半潛式海洋平臺(tái)，由雙浮體、六立柱，箱型封閉式上平臺(tái)等組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 和圖 2 所示，尺寸如表 1 和表 2 所示。

2 兩種平臺(tái)的水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 水動(dòng)力計(jì)算理論研究

表1 A 型立柱結(jié)構(gòu)平臺(tái)尺寸參數(shù)Tab. 1 Dimension parameters of A type column structure platform

表2 B 型立柱結(jié)構(gòu)平臺(tái)尺寸參數(shù)Tab. 2 Dimension parameters of A type column structure platform

深水半潛式海洋平臺(tái)由于工作環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致每時(shí)每刻承受環(huán)境載荷的影響，并且環(huán)境載荷具有隨機(jī)性，導(dǎo)致平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和變形，平臺(tái)所受載荷主要有風(fēng)載荷、浪載荷、流載荷，其中波浪載荷對(duì)平臺(tái)的影響最大[8]。

波浪載荷的計(jì)算方法有特征波法和譜分析法[9]。特征波法選擇單一規(guī)則波的有效波高、周期和平臺(tái)的有關(guān)尺寸代入 Morison 公式（小尺寸結(jié)構(gòu)物）或繞射理論公式（大尺寸結(jié)構(gòu)物）計(jì)算波浪力。譜分析法認(rèn)為波浪是許多不同周期和波高的規(guī)則波迭加成的不規(guī)則波，主要是利用概率論的方法和海浪譜來(lái)精確反應(yīng)波浪力，一般選擇不規(guī)則波 JONSWAP 譜，更有實(shí)際意義。

由北海聯(lián)合波浪研究計(jì)劃發(fā)展得到的 JONSWAP譜，適用于歐洲北海地區(qū)，其形式為：

式中：f 為頻率，Hz，

式中：f0為 S（f）的極大值所對(duì)應(yīng)的頻率值，與風(fēng)區(qū)參數(shù) F 有關(guān)，

2.2 平臺(tái)網(wǎng)格劃分與數(shù)值模型建立

將上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入 Workbench 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于分析海洋平臺(tái)的水動(dòng)力響應(yīng)等數(shù)據(jù)，因此只要建立其濕表面模型即可。大尺度結(jié)構(gòu)物的模型單元選擇如 shell63 等 Panel 單元。首先將簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行抽殼、冷凍、切片處理，再要對(duì)水面在平臺(tái)的高度進(jìn)行設(shè)定，然后對(duì)模型進(jìn)行重心質(zhì)量和重心位置的設(shè)定，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)要考慮以下事情：1）劃分的網(wǎng)格單元一般為四邊形，單元尺寸小于入射波的波長(zhǎng)；2）單元的橫縱比盡量統(tǒng)一且要大于1/3；3）網(wǎng)格單元要覆蓋平臺(tái)濕表面；4）一個(gè)波長(zhǎng)要最少覆蓋模型的 7 個(gè)最大的單元尺寸，網(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算量越大，但可計(jì)算的波浪頻率也增大。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)格尺寸與大小，選擇網(wǎng)格尺度為 3 m，采用均勻方式劃分。平臺(tái)水動(dòng)力模型如圖 3 和圖 4 所示。

3 兩種平臺(tái)水動(dòng)力特性的數(shù)值模擬結(jié)果

運(yùn)用 AQWA-LINE 模塊對(duì)兩種不同立柱結(jié)構(gòu)平臺(tái)橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、首搖 6 個(gè)自由度方向的一階波浪力和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

3.1 一階波浪力

一階波浪力是與波浪頻率相等的振蕩力，引起低頻運(yùn)動(dòng)，與波高成線性關(guān)系[10]。包括繞射波浪力和入射波浪力。波浪作用下半潛式平臺(tái)周圍波浪的繞射作用非常復(fù)雜，在線性理論為基礎(chǔ)的假設(shè)中，目標(biāo)平臺(tái)為一個(gè)線性系統(tǒng)，平臺(tái)在單一頻率的入射波作用下，一階波浪力的大小與入射波的幅值成正比。一階波浪力通常以頻率響應(yīng)函數(shù)的形式來(lái)表示，即單位波浪作用下半潛式平臺(tái)的系統(tǒng)響應(yīng)。一階波浪力的幅值響應(yīng)，如圖 5 和圖 6 所示。

由于波浪載荷對(duì)平臺(tái)垂蕩方向運(yùn)動(dòng)影響較大，因此分析垂蕩方向波浪力的大小尤為重要。A 型立柱平臺(tái)垂蕩方向在低頻區(qū)域產(chǎn)生的力最大，為 2.4 × 107N；B 型立柱平臺(tái)垂蕩方向在低頻區(qū)域產(chǎn)生的最大力為 2.2 × 107N；所以，B 型立柱平臺(tái)在垂蕩方向低頻區(qū)域內(nèi)較為穩(wěn)定。

3.2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（RAO）

在頻域分析中，半潛式海洋平臺(tái)在規(guī)則波的作用下存在 6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和響應(yīng) 6 個(gè)方向的波浪力和力矩，由于平臺(tái)是一個(gè)線性系統(tǒng)，通過(guò)水動(dòng)力分析能夠得到這些量隨時(shí)間的響應(yīng)傳遞函數(shù) RAO[11]，表示單位波高作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。A 型平臺(tái)與 B 型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)如圖 7 和圖 8 所示。

根據(jù)圖像可看出，2 種平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)在低頻區(qū)域明顯，在高頻區(qū)域趨于 0，說(shuō)明縱蕩運(yùn)動(dòng)主要呈現(xiàn)低頻特性；A 型平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)在低頻區(qū)域內(nèi)高于 B 型平臺(tái)，并且隨著頻率的增加而減小，說(shuō)明橫蕩運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)低頻特性和波頻特性；同時(shí)，2 種平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)在0.4 ～ 1.0 rad/s 時(shí)變化劇烈，且 A 型平臺(tái)垂蕩方向變化比 B 型平臺(tái)劇烈，呈現(xiàn)低頻特性；而縱搖、橫搖的變化趨勢(shì)和垂蕩一樣，主要是波頻特性。所以，A 型平臺(tái)在垂蕩方向運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比 B 型平臺(tái)更明顯，B 型立柱平臺(tái)更為穩(wěn)定。

4 兩種平臺(tái) Ansys/WorkBench 后處理分析

通過(guò)后處理功能，顯示波浪作用方向與平臺(tái)浮體方向成 90o下 2 種平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（RAO），并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中波浪頻率設(shè)置為 0.233 Hz，波高設(shè)置為 2 m。

利用平臺(tái) 6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)求出每個(gè)波浪頻率下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，再疊加即可得到多個(gè)波浪作用下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。通過(guò) Workbench 的后處理可以得到 2 種平臺(tái)幅值運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（RAO）云圖[12]，如圖 9 和圖 10 所示，在頻率為 0.233 Hz，幅值為 2 m 時(shí)，A 型平臺(tái)的最大位移為 5.195 9 m，B 型平臺(tái)的最大位移為 5.095 5 m，均出現(xiàn)在平臺(tái)迎浪方向的波峰處，B 型平臺(tái)的位移略小于 A 型平臺(tái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以現(xiàn)役海洋平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了 2 種不同立柱結(jié)構(gòu)的半潛式海洋平臺(tái)，并建立水動(dòng)力數(shù)值模型運(yùn)用 AQWA 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同立柱結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)等數(shù)據(jù)。結(jié)果分析如下：

1）在相同環(huán)境載荷作用下，計(jì)算得到 2 種平臺(tái)6 個(gè)自由度方向所受一階波浪力隨時(shí)間變化的曲線由于海洋平臺(tái)的主要作用是鉆井，所以垂蕩方向受的大小決定了平臺(tái)的穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，B 型臺(tái)比 A 型平臺(tái)在垂蕩方向更加穩(wěn)定。

2）在相同環(huán)境載荷作用下，計(jì)算得到 2 種平臺(tái)6 個(gè)自由度方向隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到函數(shù)圖像，可以得知平臺(tái)運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)，為響應(yīng)預(yù)報(bào)做準(zhǔn)備。同時(shí)，在低頻區(qū)域內(nèi)，A 型平臺(tái)比 B 型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)更加劇烈，所以 B 型平臺(tái)在垂蕩方向更加穩(wěn)定。最后，運(yùn)用 Workbench 對(duì) 2 種立柱平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（RAO）進(jìn)行后處理，得到結(jié)果與函數(shù)曲線相吻合，為平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑻峁┝死碚撘罁?jù)。

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A study on the hydrodynamic characteristics of semi-submersible offshore platform with two column structures based on AQWA

TANG Wen-xian, GAO Ze, ZHANG Jian, HUANG Hai-tao, CHEN Xiao-wen
(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

This paper based on the structure of the marine platform, two kinds of semi-submersible offshore platform with different column structures are designed. First of all, according to the two main parameters of different column structure of the platform, three-dimensional model of two platforms were designed; Secondly, the hydrodynamic model of two platform were established, and simulate the motion response by using AQWA software, the results of two platform were acquired, and analyed the key factors of hydrodynamic to influence different column structure platform; Finally, two in response to the motion of the platform (RAO) were analyed in ANSYS/Workbench, the result is in agreement with the curve which can provide a theoretical basis for the platform model test.

semi-submersible；column structure；hydrodynamic analysis；AQWA

TV53+8.3

A

1672–7619(2017)05–0082–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.016

2016–09–01；

2017–03–10

江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)-青年基金資助項(xiàng)目(BK20150469)

唐文獻(xiàn)(1962–)，男，教授，主要研究方向?yàn)樯詈Ｑb備設(shè)計(jì)理論研究及其系統(tǒng)集成。