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        軟剛臂單點系泊系統(tǒng)系泊力計算兩種方法對比

        2018-03-01 02:53:40,,
        船海工程 2018年1期
        關鍵詞:單點系泊系泊頻域

        ,,

        (武漢第二船舶設計研究所,武漢 430064)

        浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)以其投產(chǎn)快、投資低、適應水深范圍廣、儲油能力大以及應用靈活等優(yōu)勢被廣泛應用于淺海、深海及邊際油田的開采[1]。在船舶系泊方面,目前國外系泊產(chǎn)品大部分采用單點系泊系統(tǒng)。國內(nèi)共有單點系泊系統(tǒng)20多套,主要與FPSO配套使用。軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)由于結構簡單,工作安全可靠,維修工作量少,環(huán)境適應性較強,便于解脫等優(yōu)點,在渤海海域FPSO系泊系統(tǒng)中得到了廣泛應用。渤海油田FPSO軟剛臂單點系泊系統(tǒng)共計7套,其中3套是由SBM公司制造,均采用水上軟剛臂結構形式[2]。

        此前,有不少關于軟剛臂單點系泊系統(tǒng)系泊力計算的研究。早期系泊力的計算都是采用CCS規(guī)范中介紹的準靜態(tài)方法,即計算定常力、一階波浪力、二階波浪力,線性疊加得到總的系泊力。準靜態(tài)系泊力計算的局限性較大,后來發(fā)展成采用單根彈簧(錨鏈)模擬軟剛臂,保證系統(tǒng)剛度與實際剛度相同,計算FPSO的運動和受力[4]。單根彈簧簡化模型不考慮三維結構,同樣不夠準確。現(xiàn)在一般都是建立軟剛臂三維模型模擬實際系泊結構,采用時域耦合方法計算系統(tǒng)的受力和運動情況[5- 6]。目前還沒有人比較過準靜態(tài)方法和時域方法的優(yōu)缺點及誤差情況。

        軟剛臂單點系泊系統(tǒng)系泊性能的計算極為關鍵,直接影響到系泊支架、系泊剛臂以及導管架等結構件的設計,是單點系泊系統(tǒng)設計的基礎。傳統(tǒng)計算方法是基于準靜態(tài)的頻域計算,具有一定的局限性。在此情況下很有必要研究準靜態(tài)方法與動態(tài)時域方法的差別、精度及適用情況等。

        1 理論概述

        1.1 系泊船運動

        單點系泊FPSO在迎浪不規(guī)則波中的運動主要包括一階波頻運動和二階低頻縱蕩運動。對于一階波浪力,其譜密度函數(shù)可直接根據(jù)波浪譜密度函數(shù)S(ω)和波頻運動傳遞函數(shù)|Hx(ω)|計算得到[3]

        Sx(ω)=|Hx(ω)|2S(ω)

        (1)

        對于二階波浪力,其譜密度函數(shù)計算公式為

        (2)

        式中:SF(μ)為波漂力譜;μ為差頻;S(ω)為波浪譜密度函數(shù);T(ω+μ,ω)為波漂力幅的二次傳遞函數(shù)(QTF)。

        平均波漂力可由波浪譜密度函數(shù)S(ω)和平均波漂力二次傳遞函數(shù)T(ω,ω)計算得到:

        (3)

        系泊船低頻縱蕩運動的最大值可按下式計算。

        (4)

        (5)

        式中:σxl為低頻縱蕩運動標準差;C11為系統(tǒng)平均剛度;b為總線性化阻尼;SF(μc)為波漂力譜;Xmax,lf為低頻縱蕩最大偏移;N為振蕩次數(shù)。

        1.2 多體耦合時域運動方程

        綜合考慮風、浪、流以及單點系泊系統(tǒng)回復力的聯(lián)合作用,F(xiàn)PSO的時域運動方程為[5- 6]

        (6)

        式中:M為FPSO的質(zhì)量矩陣;A(∞)為最大計算頻率對應的附連水質(zhì)量矩陣;r(t)為輻射阻尼的脈沖響應函數(shù)矩陣,附連水質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)均采用三維勢流理論應用源匯分布方法計算得到;D為FPSO慢漂阻尼矩陣;K為FPSO靜水回復力剛度矩陣;F(1,2)(t)為一階、二階波浪載荷;Fw(t)、Fc(t)分別為風流載荷;FSPM(t)為單點系泊系統(tǒng)提供的回復力。

        在不規(guī)則波浪下,作用于結構物上的瞬時波浪力可以寫為

        F(1,2)(t)=F(1)(t)+F(2)(t)

        (7)

        (8)

        [(ωj-ωk)t-εj-εk]}

        (9)

        式中:F(1)(t)為作用在FPSO上的一階波浪力;η(τ)為海浪的隨機波面升高的時域歷程;h(t)為脈沖響應函數(shù),由一階波浪力傳遞函數(shù)通過傅里葉變換得到,即

        (10)

        (11)

        若已知整個頻率范圍內(nèi)的fω(ω),即可按上式求得h(t),然后按波浪時歷η(τ),根據(jù)式(10)求得一階波浪力。

        FPSO與系泊剛臂通過位于船艏的系泊支架和系泊腿進行連接,系泊腿與系泊剛臂通過兩個萬向節(jié)和一個旋轉接頭進行連接。系泊腿作為中間結構,由于受風面積小,風載荷可以忽略,其時域運動方程為

        (12)

        式中:mp為系泊腿質(zhì)量矩陣;Kp為考慮結構之間相互影響的12×12的耦合剛度矩陣。

        1.3 風、流載荷計算

        風流載荷可以根據(jù)OCIMF(Oil Company International Marine Forum)規(guī)范給出的VLCC所受風、流載荷經(jīng)驗公式及其模型試驗所得系數(shù)進行計算[9- 10]。

        風載荷計算公式為

        (13)

        式中:CXW、CYW、CXYW分別表示縱向風力系數(shù)、橫向風力系數(shù)以及首搖風力矩系數(shù);ρW為空氣密度;VW為海平面10 m處風速;AT為艏向受風面積;AL為側向受風面積;LBP為垂線間長。

        流載荷計算公式為:

        (14)

        式中:CXC、CYC、CXYC分別表示縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)以及艏搖流力矩系數(shù);ρC為海水密度;VC為吃水范圍內(nèi)的平均流速;T為平均吃水;LBP為垂線間長。

        由于三維勢流理論不考慮粘性作用,只能得到附體的勢流阻尼,低頻運動阻尼對于單點系泊FPSO低頻縱蕩運動而言,至關重要[11]。本文根據(jù)BV船級社的經(jīng)驗公式計算低頻運動阻尼[12]。

        (15)

        式中:Bxx為低頻縱蕩阻尼;Byy為低頻橫蕩阻尼;Bφφ為低頻艏搖阻尼;L為船長;B為船寬。

        2 環(huán)境條件與耦合模型建立

        2.1 FPSO主尺度及海洋環(huán)境條件參數(shù)

        計算模型主要參數(shù)如表1所示。

        表1 FPSO主要參數(shù)

        選擇JONSWAP海浪譜,公式如下。

        (16)

        按照算例中選取的海洋環(huán)境條件(見表2),計算可得γ=4.05。

        表2 環(huán)境條件

        2.2 全耦合模型建立

        用Maxsurf建立FPSO三維模型,導入Workbench,在Workbench中建立軟剛臂系統(tǒng)模型并做相關處理,把系泊支架與船艏固結在一起。系泊支架與系泊腿通過萬向節(jié)連接,具有2個自由度;系泊腿與系泊剛臂通過球鉸接連接,具有3個自由度;用立柱表示固定塔架,系泊剛臂與固定塔架利用球鉸接連接,具有3個自由度。在劃分網(wǎng)格時,定義船體網(wǎng)格尺寸為3 m,系泊腿網(wǎng)格尺寸為1.0 m,軟剛臂網(wǎng)格尺寸為1.5 m,模型總網(wǎng)格數(shù)為9 549。FPSO及軟剛臂網(wǎng)格模型如圖1所示。坐標原點取在FPSO艉部水線面處。

        圖1 軟剛臂單點系泊FPSO全耦合模型網(wǎng)格

        3 系泊運動計算及結果分析

        3.1 系泊運動計算方法

        頻域計算中,首先計算風、流載荷、平均波浪漂移力,根據(jù)這3個定常力,結合剛度曲線,計算出平均位移以及對應的平均剛度。然后計算波頻位移、低頻位移,根據(jù)API推薦的算法,得到FPSO總的位移;根據(jù)總位移和系統(tǒng)剛度曲線,計算出總的系泊力。

        時域方法是通過建立多體時域耦合運動方程,迭代計算,從而得到FPSO的各自由度運動響應,與實際系泊系統(tǒng)比較接近,因此該方法基本可以模擬實際工況下FPSO的運動響應及單點系統(tǒng)的受力。

        圖2 系統(tǒng)剛度曲線

        3.2 計算結果及分析

        表3 頻域計算結果

        表4 時域計算結果及試驗值

        表5 計算結果誤差對比

        注:誤差計算以實驗值為基準,只關心極值大小,忽略方向。

        從計算的內(nèi)容來看,頻域方法一般只計算風浪流同向的工況,且只能估算系統(tǒng)的水平系泊力,不能預報船體的六自由度運動和各關節(jié)上的受力;時域方法可以計算各種風浪流組合工況,除了系統(tǒng)的水平系泊力以外,還可以計算垂向系泊力及其他關節(jié)上的受力,能預報船體的六自由度運動。從計算的精度來看,頻域計算的誤差相對較大,時域計算的結果比較接近試驗值,說明時域方法在預報軟剛臂單點系泊系統(tǒng)系泊性能時是可行的。

        從兩種方法理論基礎來看,頻域方法是基于準靜態(tài),風、浪、流各不干擾,三者進行線性疊加,而且認為軟剛臂系統(tǒng)對于船體的運動也幾乎沒有影響,采用裸船運動的頻響來計算船體的運動。對于系統(tǒng)剛度曲線的使用,先計算定常力,再計算其對應的平均位移和平均剛度,用平均剛度來代替系統(tǒng)的實際剛度,顯然也是有一定誤差的。另外,這種方法把系統(tǒng)看成了二維空間的運動,沒有考慮軟剛臂其他自由度運動的影響,各結構慣性力的影響也被忽略了,種種原因?qū)е铝祟l域計算的較大誤差。

        時域方法建立FPSO與系泊系統(tǒng)的全耦合模型沒有以上缺點,能更好地反應真實情況。萬向節(jié)、球鉸接的使用,使運動和載荷可以方便的傳遞,各結構之間的相互作用可以很好地模擬,最終的計算結果也表明了該方法確實可行。

        系泊力計算需要與軟剛臂系統(tǒng)設計迭代進行,首先參考母型主尺度及壓載重量,得到剛度曲線,計算系泊力;根據(jù)計算結果修改軟剛臂尺寸及重量,重新進行系泊力計算,不斷迭代直到FPSO的位移和系統(tǒng)受力均滿足要求。在迭代過程中,需要進行大量計算,頻域方法雖然誤差較大,但是使用簡單,可以很快地得出結果,而時域計算則比較費時。李淑一、夏華波、劉成義等人采用時域方法進行計算,其前提是軟剛臂的主尺度已經(jīng)確定,才能方便地使用,如果是初次設計,軟剛臂系統(tǒng)的主尺度沒有確定時,準靜態(tài)方法的優(yōu)勢就顯示出來了。所以說準靜態(tài)方法在單點系泊系統(tǒng)設計的初級階段仍然具有一定的指導意義,而且計算的結果可以作為軟剛臂時域耦合計算的參考。在單點系泊系統(tǒng)詳細設計階段,采用軟剛臂時域耦合計算,可以較為準確地提供船體運動及各關節(jié)受力,為結構件設計提供輸入。

        通過本文的比較,不僅可以明確兩種方法的差別和適用情況,還可以知道二者大概的誤差范圍,今后在計算過程中,考慮這部分誤差,可以得到更為準確的結果,為軟剛臂單點系泊系統(tǒng)系泊性能計算提供參考。

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