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(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

深吃水半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析及模型試驗(yàn)分析

徐祥，康莊，付森，賈五洋

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

針對(duì)某深吃水半潛平臺(tái)在實(shí)際海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，基于AQWA，對(duì)深吃水半潛平臺(tái)頻域和時(shí)域下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并開(kāi)展半潛平臺(tái)的模型試驗(yàn)，分析6自由度幅值響應(yīng)算子(RAO)和不規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。比較由2種方法獲得的RAO響應(yīng)曲線和極限海況下的運(yùn)動(dòng)幅值，證明數(shù)值方法正確，該深吃水潛平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

深吃水半潛平臺(tái)；模型試驗(yàn)；RAO；不規(guī)則波；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

深吃水半潛式平臺(tái)在傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了立柱的長(zhǎng)度、增加了吃水。吃水的增加使下浮體遠(yuǎn)離波浪作用，在很大程度上減小了波浪激勵(lì)力對(duì)下浮體的作用，對(duì)平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)有不錯(cuò)的抑制作用，與常規(guī)半潛式鉆井平臺(tái)相比，平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)將會(huì)顯著減小[1-3]。另外，由于吃水較深，深吃水半潛式平臺(tái)往往沒(méi)有自我航行能力，平臺(tái)的浮體常采用四方環(huán)形設(shè)計(jì)，這樣可以更好地保證平臺(tái)的穩(wěn)定性。

羅勇等人提出了一種把甲板和平臺(tái)立柱分離開(kāi)的新型深吃水干樹(shù)式半潛平臺(tái)，使得平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足干式采油樹(shù)的要求；此外，還優(yōu)化了平臺(tái)主尺度，在改善穩(wěn)性的同時(shí)，使平臺(tái)的垂蕩固有周期遠(yuǎn)離了波浪能量集中范圍[4]。為驗(yàn)證其結(jié)果的正確性，本文對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值分析和模型試驗(yàn)分析。

1 模型試驗(yàn)

對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)進(jìn)行水池模型試驗(yàn)，研究該平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和極限海況的水動(dòng)力性能，為數(shù)值計(jì)算提供參考。該試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)深水池中進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容包括靜水自由衰減試驗(yàn)，幅值響應(yīng)算子(RAO)試驗(yàn)和平臺(tái)耐波性試驗(yàn)等。

1.1 模型數(shù)據(jù)

模型試驗(yàn)時(shí)，考慮平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺度、水池尺度、造波能力，以及整個(gè)系統(tǒng)的耦合實(shí)驗(yàn)要求等因素的影響，合理地選取了1∶70的縮尺比[5]。根據(jù)深吃水半潛平臺(tái)的縮尺比，可以得到深吃水半潛平臺(tái)模型主尺度。該平臺(tái)的主要參數(shù)以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭鞒叨葏?shù)屬性見(jiàn)表1。

表1 干式半潛平臺(tái)模型參數(shù)

模型浮筒和立柱由倒模技術(shù)制成，采用玻璃鋼材質(zhì)；桁架結(jié)構(gòu)采用不銹鋼管制成，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

圖1 深吃水半潛平臺(tái)模型

在干式半潛平臺(tái)模型試驗(yàn)中，除靜水自由衰減試驗(yàn)部分外，RAO試驗(yàn)、不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)均涉及到系泊系統(tǒng)。為達(dá)到限制平臺(tái)在波浪下的二階低頻運(yùn)動(dòng)不能對(duì)一階高頻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的目的, 采用水平系泊的方式，用4根相互垂直的系泊線將模型固定在水池中。4根系泊線均采用細(xì)鋼繩和彈簧相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，通過(guò)改變錨固點(diǎn)的位置和鋼繩的長(zhǎng)度來(lái)改變平臺(tái)的迎浪角度。

1.2 環(huán)境條件及坐標(biāo)定義

該平臺(tái)設(shè)計(jì)為中國(guó)南海海域作業(yè)的深吃水半潛式平臺(tái)，其工作水深為1 500 m。南海的海浪譜的譜峰值大小和譜的形狀都與JONSWAP譜較接近，故選擇JONSWAP譜作為波浪譜。工況為百年一遇的極限海況，波浪參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 海洋環(huán)境條件

試驗(yàn)采用的總體坐標(biāo)系見(jiàn)圖2，原點(diǎn)位于浮體的重心處，x軸指向船頭方向?yàn)檎?，z軸向上為正，y軸以右手法則定義，以沿半潛式平臺(tái)縱向船頭方向?yàn)?°。半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為Oxyz，x軸指向船頭方向?yàn)檎?，z軸向上為正，y軸由右手法則定義，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于平臺(tái)重心處；平臺(tái)任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)都可分解為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

圖2 試驗(yàn)坐標(biāo)系

1.3 自由衰減試驗(yàn)

深吃水干樹(shù)式半潛式平臺(tái)的6個(gè)自由度中，垂直面內(nèi)的3個(gè)自由度(橫搖、縱搖和垂蕩)存在靜水回復(fù)力或力矩，在外力的作用下偏離平衡位置，但當(dāng)外力停止作用后，依靠靜恢復(fù)力或力矩的作用可以恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置。對(duì)模型在靜水中分別進(jìn)行橫搖、縱搖自由衰減試驗(yàn)，目的在于獲得這些運(yùn)動(dòng)的固有周期和阻尼系數(shù)等重要參數(shù)，驗(yàn)證模型制作以及重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬的準(zhǔn)確性[6]。分別進(jìn)行多次橫搖和縱搖衰減試驗(yàn)，取所得結(jié)果的平均值作為數(shù)值計(jì)算輸入的阻尼系數(shù)。

從深吃水干樹(shù)式半潛式平臺(tái)模型靜水自由衰減試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，平臺(tái)的橫搖和縱搖固有周期均為45.6 s，橫搖的無(wú)因次阻尼系數(shù)為0.076，縱搖的無(wú)因次阻尼系數(shù)則為0.075。試驗(yàn)所得的無(wú)因次阻尼系數(shù)將輸入數(shù)值計(jì)算模型中，用于頻域和時(shí)域分析。

1.4 RAO試驗(yàn)

試驗(yàn)研究過(guò)程中，可以用在白噪聲波譜不規(guī)則波浪中的一次試驗(yàn)代替在一系列規(guī)則波中的模型試驗(yàn)，同時(shí)試驗(yàn)精度也有較大改善。浮體在不規(guī)則波試驗(yàn)中測(cè)得的運(yùn)動(dòng)參數(shù)表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)譜的形式，將運(yùn)動(dòng)譜與入射波譜進(jìn)行對(duì)比，可以得到對(duì)應(yīng)頻率的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)RAO[7]。

在白噪聲不規(guī)則波條件下，對(duì)深吃水半潛平臺(tái)模型進(jìn)行RAO試驗(yàn)，由于半潛平臺(tái)模型前后、左右對(duì)稱，因此浪向角選取180°和135°。試驗(yàn)RAO與數(shù)值計(jì)算RAO的對(duì)比分析結(jié)果，可以驗(yàn)證試驗(yàn)的正確性與否，并確定阻尼系數(shù)的選取是否正確。

1.5 不規(guī)則波耐波性試驗(yàn)

對(duì)深吃水半潛平臺(tái)進(jìn)行不規(guī)則波試驗(yàn)，模擬環(huán)境條件為百年一遇工況，僅考慮波浪的影響。試驗(yàn)中實(shí)測(cè)波浪作用時(shí)間為25 min。

百年一遇環(huán)境工況，浪向角為180°時(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)換算可得實(shí)船統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 模型試驗(yàn)180°統(tǒng)計(jì)結(jié)果

百年一遇環(huán)境工況，180°浪向角時(shí)平臺(tái)的縱搖最大值為4.22°，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值為6.85 m。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，百年一遇環(huán)境工況，180°浪向角時(shí)波浪淹沒(méi)了半潛式平臺(tái)的立柱，但并未對(duì)甲板造成沖擊，見(jiàn)圖3。

表4 實(shí)船180°統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 百年一遇工況180°浪向試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

百年一遇環(huán)境工況，浪向角為135°時(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。經(jīng)過(guò)換算可得實(shí)船統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 模型試驗(yàn)135°統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 實(shí)船135°統(tǒng)計(jì)結(jié)果

百年一遇環(huán)境工況，135°浪向角時(shí)平臺(tái)的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)相似，最大值分別為3.76°和3.05°，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值為6.3m。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，百年一遇環(huán)境工況，135°浪向角時(shí)波浪淹沒(méi)了半潛式平臺(tái)的立柱，但并未對(duì)甲板造成沖擊，見(jiàn)圖4。

圖4 百年一遇工況135°浪向試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

AQWA為研究復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)分析所需的初始水動(dòng)力參數(shù)提供了一個(gè)集成環(huán)境，可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維線性繞射和輻射分析。利用AQWA軟件建立干樹(shù)式半潛平臺(tái)在1 500 m工作水深的水動(dòng)力濕表面模型，見(jiàn)圖5。建模時(shí)，立柱和浮筒用Panel單元模擬，因?yàn)槠涑叽缙?，輻射作用顯著，其水動(dòng)力基于三維勢(shì)流理論計(jì)算，而平臺(tái)的桁架構(gòu)件，屬于小尺度構(gòu)件，則應(yīng)用TUBE單元(莫里森單元)進(jìn)行模擬，基于Morison公式計(jì)算其受到的波浪力[8]。

圖5 水動(dòng)力濕表面模型

2.2 頻域分析

由于平臺(tái)主體設(shè)計(jì)采用全對(duì)稱的方式，所以頻域計(jì)算時(shí)，波浪入射角分別采用0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 7個(gè)方向。通過(guò)自由漂浮狀態(tài)的頻域計(jì)算可以得到不同頻率單位波幅規(guī)則波下的6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子RAO，不同浪向角下的結(jié)果見(jiàn)圖6。由于對(duì)稱性，縱蕩和縱搖可以分別參考橫蕩和橫搖。

圖6 不同浪向角下的RAO

通過(guò)計(jì)算得出平臺(tái)橫縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期分別為45 s和21.8 s，其結(jié)果與模型試驗(yàn)測(cè)得近似。對(duì)深吃水半潛平臺(tái)180°和135°浪向角時(shí)的RAO結(jié)果與模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

圖7 180°浪向角下的比較結(jié)果

在白噪聲波條件下，測(cè)得的180°和135°浪向角時(shí)平臺(tái)6自由度RAO，與應(yīng)用水動(dòng)力軟件AQWA計(jì)算得到的RAO吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性，同時(shí)獲得了在不同頻率單位波幅規(guī)則波作用下的水動(dòng)力參數(shù)，包括一階波浪力傳遞函數(shù)RAO、二階波浪力傳遞函數(shù)QTF、附加質(zhì)量以及輻射阻尼等，頻域分析的結(jié)果為后面干樹(shù)半潛平臺(tái)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 時(shí)域分析

根據(jù)錨泊參數(shù)在AQWA中建立平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)，模擬3×4的12點(diǎn)系泊形式，錨泊線為三段復(fù)合型式[4]。不考慮風(fēng)載荷和流載荷的影響，只采用錨鏈線完整的工況來(lái)模擬。對(duì)半潛平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行極限海況下不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，預(yù)測(cè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅值，并校核其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是否滿足要求。

圖8 135°浪向角下的比較結(jié)果

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)滿足如下設(shè)計(jì)要求。

1)要滿足立管的設(shè)計(jì)極限要求，系泊完整狀態(tài)下，平臺(tái)極限位移不超過(guò)5%的水深。

2)為滿足干樹(shù)采油要求，平臺(tái)垂蕩幅值要小于8 m。

180°浪向角下的6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7 可知，在百年一遇環(huán)境工況浪向角為180°時(shí)，平臺(tái)的水平偏移值為60.34 m，小于水深的5%；其垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值為5.04 m，小于8 m；縱搖運(yùn)動(dòng)幅值為5.59°，小于20°；平臺(tái)的橫蕩、橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)幅值都很小，可見(jiàn)該平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 180°浪向角下的結(jié)果

135°浪向角下的6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。在百年一遇環(huán)境工況下，當(dāng)浪向角為135°時(shí)，平臺(tái)水平偏移極值為41.01 m，其垂蕩運(yùn)動(dòng)極值為5.10 m，橫搖運(yùn)動(dòng)與縱搖運(yùn)動(dòng)相似且幅值為3.61°。由此可知該平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)滿足規(guī)范要求。此外，由百年一遇環(huán)境工況的統(tǒng)計(jì)值結(jié)果可看出，當(dāng)浪向角改變時(shí)，平臺(tái)的最大垂蕩幅值基本保持一致，所以該平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)與浪向相關(guān)度較小。

表8 135°浪向角下的結(jié)果

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)半潛式干樹(shù)深水平臺(tái)在靜水中分別進(jìn)行橫搖、縱搖自由衰減模型試驗(yàn)，獲得了這些運(yùn)動(dòng)在無(wú)系泊狀態(tài)下的固有周期與阻尼系數(shù)等重要參數(shù)。在白噪聲不規(guī)則波條件下，進(jìn)行半潛式干樹(shù)深水平臺(tái)模型RAO試驗(yàn)，測(cè)得180°和135°浪向角時(shí)平臺(tái)6自由度RAO，與應(yīng)用水動(dòng)力軟件AQWA計(jì)算得到的RAO吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性，并得出平臺(tái)橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期分別為45,45,21.8 s。

2)通過(guò)平臺(tái)模型的水平系泊不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在百年一遇海況下，平臺(tái)180°浪向的縱搖最大值為5.59°，垂蕩偏移幅值為5.04 m；135°浪向下，橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)相似，角度最大為3.61°，垂蕩幅值為5.10 m。

3)經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)驗(yàn)證，該深吃水干樹(shù)半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，滿足規(guī)范要求。

[1] 龍?bào)銜?李巍,尤云祥.風(fēng)浪流中Truss Spar平臺(tái)耦合動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2013(1):29-35.

[2] Wellens Peter R., Luppes Roel, Veldman Arthur EP, et al, CFD simulations of a semi-submersible with absorbing boundary conditions[M]. American Society of Mechanical Engineers,2009.

[3] 姜哲,謝彬,謝文會(huì).新型深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)展綜述[J].海洋工程,2011(3):132-138.

[4] 羅勇,高巍,申輝,等.新型深水干樹(shù)半潛平臺(tái)選型及總體性能分析研究[C].2013年中國(guó)海洋工程技術(shù)年會(huì)論文集,2013.

[5] 賴智萌,肖龍飛,寇雨豐,等.新概念深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)水動(dòng)力截?cái)嘣囼?yàn)與數(shù)值計(jì)算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013(2):329-334.

[6] 田超.近島礁浮式平臺(tái)水動(dòng)力模型試驗(yàn)研究[C].第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2014.

[7] 戴遺山.艦船在波浪中運(yùn)動(dòng)的頻域與時(shí)域勢(shì)流理論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[8] 羅強(qiáng).981半潛式鉆井平臺(tái)錨泊系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)江大學(xué),2012.

Dynamic Response Analysis and Model Test of Deep Draft Semi-submersible Platform

XUXiang,KANGZhuang,FUSen,JIAWu-yang

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to analyze the motion response of semi-submersible platform with a deep draft in actual conditions, the motion response analysis were made in frequency domain and time domain by AQWA. The model test of semi-submersible platform was carried out to study the RAO of 6 degrees of freedom and dynamic response in irregular waves. The results obtained by the two methods about RAO curves and motion amplitude in ultimate conditions were comparatively analyzed, proving the correctness of numerical methods. The numerical results showed that motion response of the deep draft semi-submersible platform meets the requirements of design.

deep draft semi-submersible platform; model test; RAO; irregular wave; motion response

U674.941

A

1671-7953(2017)06-0131-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.030

2017-03-05

2017-04-17

徐祥(1991—)，男，碩士生

研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與制造