沈中祥，劉寅東，霍發(fā)力，張 健，聶 炎

（1.大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.戈朗（中國(guó)）海事技術(shù)咨詢公司，上海 201206）

0 引 言

半潛式平臺(tái)氣隙是指其甲板箱底部、救生艇底部等部位與水面之間的垂向間距，其作為平臺(tái)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)平臺(tái)安全服役至關(guān)重要。當(dāng)氣隙小于零，意味著波浪砰擊了平臺(tái)水面上結(jié)構(gòu)，砰擊嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞，威脅平臺(tái)和人員的安全。在復(fù)雜海洋里服役的半潛平臺(tái)，必須由定位來(lái)控制其在海上的位置，以保證惡劣海況下的安全作業(yè)。目前，半潛平臺(tái)最為廣泛采用的定位方式主要有錨泊定位系統(tǒng)（Mooring System）、動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System，DP）和DP輔助錨泊定位系統(tǒng)（Automatic Thruster Assistance System，ATA）。半潛平臺(tái)氣隙運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，與平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及外界載荷密切相關(guān)，尤其是平臺(tái)承受著線性和非線性疊加的波浪載荷，且受平臺(tái)多立柱和浮箱復(fù)雜的繞射和反射，以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的興波影響，這些因素疊加到入射波上會(huì)使波面局部波高明顯增加，使得平臺(tái)氣隙降低[1]。

近幾年，工程界與學(xué)術(shù)界對(duì)浮式平臺(tái)氣隙進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。Kazemi和Incecik等[2]基于混合邊界元方法、加權(quán)殘值理論的直接邊界元方法對(duì)半潛式平臺(tái)的氣隙性能進(jìn)行了初步預(yù)報(bào)。王志東等[3]基于勢(shì)流理論開展了半潛式平臺(tái)氣隙分布及氣隙量的數(shù)值預(yù)報(bào)，定量研究了半潛式平臺(tái)在不同浪向角特征周期及有義波高情況下對(duì)氣隙量的影響。姜宗玉，崔錦[4]應(yīng)用三維源匯分布方法，計(jì)算得到半潛式平臺(tái)在波浪中六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)以及設(shè)定計(jì)算位置點(diǎn)處的波面升高響應(yīng)函數(shù)，對(duì)平臺(tái)的氣隙響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。Matsumoto等[5]比較分析了幾種設(shè)計(jì)陡波下的較大低頻運(yùn)動(dòng)（垂蕩、橫搖與縱搖）對(duì)動(dòng)態(tài)氣隙量的影響。Huo等[6-10]提出了在時(shí)域中進(jìn)行非線性氣隙和波浪砰擊載荷相對(duì)于流體載荷的敏感性分析研究，同時(shí)研究了風(fēng)和流的速度與方向等參數(shù)對(duì)平臺(tái)氣隙運(yùn)動(dòng)的靈敏度分析，并基于勢(shì)流理論修正的CFD方法對(duì)平臺(tái)氣隙響應(yīng)進(jìn)行了研究。Shen等[11]就錨泊系統(tǒng)特性對(duì)平臺(tái)氣隙的影響研究做了比較分析，分析結(jié)果顯示錨泊系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平臺(tái)氣隙運(yùn)動(dòng)有著顯著影響。

浮式平臺(tái)作業(yè)水深從幾百米到幾千米，水深對(duì)平臺(tái)人員安全、工作環(huán)境以及水動(dòng)力性能都有一定的影響。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者就水深對(duì)海洋結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行了研究。Andersen[12]考慮船舶服役于有限水深，對(duì)其波浪載荷和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。肖龍飛等[13]基于數(shù)字模擬和模型試驗(yàn)的方法，對(duì)FPSO在淺水中低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。吳晞等[14]基于有限水深的三維勢(shì)流理論，對(duì)某船進(jìn)行了不同水深條件下的縱搖和垂蕩RAO計(jì)算。謝永和、楊建民等[15]基于縮尺比FPSO模型，考慮了水深對(duì)其波浪載荷的影響?；舭l(fā)力等[16-18]就水深對(duì)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能、波浪載荷以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、設(shè)計(jì)波以及波浪砰擊影響的敏感性進(jìn)行了研究。

平臺(tái)在相同的環(huán)境載荷下，定位方式不同以及作業(yè)水深差異會(huì)影響到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致平臺(tái)負(fù)氣隙產(chǎn)生差異。因此，定位方式以及作業(yè)水深對(duì)平臺(tái)氣隙和波浪砰擊的影響成為平臺(tái)設(shè)計(jì)研究的一個(gè)重要部分。本文結(jié)合水池試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了粘滯曳力和輻射阻尼修正。考慮平臺(tái)所受的風(fēng)、浪、流載荷以及全尺寸錨泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，運(yùn)用試驗(yàn)修正數(shù)值模型參數(shù)的時(shí)域全耦合分析方法，對(duì)錨泊定位和ATA定位平臺(tái)在不同作業(yè)水深下的氣隙響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及氣隙預(yù)報(bào)理論

1.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

浮式結(jié)構(gòu)在海上定位作業(yè)時(shí)產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，必然受到各種外力的作用，通常包括：風(fēng)、浪、流等所產(chǎn)生的海洋環(huán)境載荷，錨鏈張力、推進(jìn)器推力、運(yùn)動(dòng)阻尼等共同作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生低頻運(yùn)動(dòng)和高頻運(yùn)動(dòng)。一階波浪力主要引起高頻運(yùn)動(dòng)，易導(dǎo)致平臺(tái)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但是平臺(tái)位置不會(huì)受明顯影響，因此，我們?cè)谘芯縿?dòng)力輔助錨泊定位系統(tǒng)時(shí)一般只考慮平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)，對(duì)于高頻運(yùn)動(dòng)一般是忽略的[18]。浮式平臺(tái)動(dòng)力輔助錨泊定位系統(tǒng)低頻運(yùn)動(dòng)模型如下式所示：

式中：系統(tǒng)質(zhì)量（包含附加質(zhì)量）矩陣用M表示，水動(dòng)力阻尼矩陣用D表示。

式中：m表示平臺(tái)總質(zhì)量；CRB（v）、CA（vr）表示回復(fù)力矩陣；Xu˙、Yv˙、xg表示平臺(tái)中心和重心間的距離，一般取為 0；Iz表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩陣；Yr˙、Nv˙、Nr˙為附加質(zhì)量系數(shù)；Xu、Yv、Yr、Nv、Nr為水動(dòng)力系數(shù)；τ表示外界環(huán)境載荷，包括風(fēng)平均載荷、二階波浪漂移力和流平均載荷；τthr表示推進(jìn)器的推力；τmo表示錨鏈張力。我們可以假定動(dòng)力輔助錨泊定位系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度很小，即CRB（v）和CA（vr）等同于零。（1）式則可簡(jiǎn)化為下式[18]：

1.2 氣隙預(yù)報(bào)理論

氣隙是指海洋平臺(tái)甲板底部、救生艇平臺(tái)底部等位置與水面之間的垂向間隙，如圖1所示。平臺(tái)在波浪中運(yùn)動(dòng)的t時(shí)刻的氣隙a（）t由三部分組成，按下式計(jì)算：

式中：a0為靜水氣隙；η（t）為響應(yīng)波高；δ（t）為平臺(tái)垂向位移；r（t）為相對(duì)波面升高。

響應(yīng)波高η（t）常常顯示出非線性特性。一般情況下，η（t）是入射波ηi和繞射波ηd的總和，每一個(gè)都是假定為一階和二階部分的總和，即：

響應(yīng)波高與平臺(tái)垂向位移之差為相對(duì)波面的升高，平臺(tái)垂蕩、縱搖和橫搖三部分運(yùn)動(dòng)組成其垂向位移。相對(duì)波面升高和平臺(tái)垂向位移分別按下式計(jì)算：

式中：ξ1、ξ2、ξ3分別為平臺(tái)的垂蕩、橫搖和縱搖廣義位移。

圖1 氣隙的定義Fig.1 Air gap variable definition

2 平臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值模型修正

2.1 數(shù)值模型

平臺(tái)的主要尺寸參數(shù)如表1所示，三維模型如圖2所示，平面元模型如圖3所示。平臺(tái)采用懸鏈線式八點(diǎn)對(duì)稱的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，錨泊系統(tǒng)布置如圖4所示。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 The parameters of the platform

圖2 平臺(tái)三維模型Fig.2 The 3 d model of platform

圖3 平臺(tái)面元模型Fig.3 The panel model of platform

2.2 數(shù)值模型修正

輻射阻尼是描述流固耦合作用的固有阻尼，而粘滯曳力既是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的阻尼力也是激振力。因此粘滯曳力和輻射阻尼在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析中是不可缺少的部分，彼此不能夠互相替代。為了深入研究不同作業(yè)水深下平臺(tái)氣隙運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)平臺(tái)數(shù)值模型參數(shù)進(jìn)行修正，以進(jìn)一步精確模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2.2.1 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)是在拖曳水池中用縮尺比模型進(jìn)行。水池試驗(yàn)平臺(tái)模型幾何相似比為1：38.9。平臺(tái)模型與真實(shí)平臺(tái)之間在運(yùn)用幾何、時(shí)間等相似的前提下，還要保證模型與平臺(tái)的Froude數(shù)相似，通過(guò)多次測(cè)量取其平均值來(lái)消除偶發(fā)事件引起的測(cè)量誤差。

2.2.2 模型修正

（1）數(shù)值模型固有周期

平臺(tái)在靜水中的固有周期是衡量其水動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。在靜水條件下試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的固有周期見表2。由表中可知，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的平臺(tái)垂蕩、橫搖和縱搖在靜水中的固有周期較為接近。

圖4 錨鏈系統(tǒng)布置圖Fig.4 The arrangement of chain mooring system

表2 靜水情況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期比較Tab.2 Comparison of the natural periods in still water

（2）粘滯曳力和輻射阻尼

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c錨泊固定系統(tǒng)Fig.5 The test model and mooring system

根據(jù) DNV-RP-C205（2010）[19]和結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，Morison單元取得恰當(dāng)?shù)耐弦妨ο禂?shù)，對(duì)于Disc單元，在水平和垂直方向上取得不同的系數(shù)。運(yùn)用Morison單元和Disc單元來(lái)調(diào)整數(shù)值模型。通過(guò)增加輻射阻尼，來(lái)修正平臺(tái)的數(shù)值模型。針對(duì)試驗(yàn)中使用的一種工況（有義波高Hs=17.28 m，跨零周期Tz=16.5 s），通過(guò)多組的模擬比較，根據(jù)與水池試驗(yàn)結(jié)果比較最后取3e9 Nm/（rad/s）作為增加縱搖的輻射阻尼。

（3） 錨泊力

根據(jù)水池試驗(yàn)測(cè)得的錨泊系統(tǒng)的線性剛度，在數(shù)值模擬中運(yùn)用彈簧單元來(lái)模擬錨泊系統(tǒng)。數(shù)值模擬計(jì)算出錨泊系統(tǒng)的水平錨鏈張力與水池試驗(yàn)在相同工況下測(cè)得錨鏈張力進(jìn)行比較，如圖6所示，結(jié)果表明錨泊系統(tǒng)的數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)非常相近。

圖6 錨泊系統(tǒng)在X方向上受力的比較Fig.6 Comparison of mooring force in X direction

（4）平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

對(duì)修正后的平臺(tái)數(shù)值模型在時(shí)域范圍內(nèi)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬，模擬結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。平臺(tái)在尾迎浪工況下的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域和頻域分析如圖7和圖8所示，并和水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由比較結(jié)果可知，3e9 Nm/（rad/s）作為增加縱搖的輻射阻尼的數(shù)值模型模擬的縱搖結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果非常相近。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型的相關(guān)分析結(jié)果比較可知，模型的固有頻率、波浪、錨泊系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都比較相近，因此，修正后的數(shù)值模型可以較好地進(jìn)行平臺(tái)數(shù)值模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模擬。

圖7 平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較Fig.7 Comparison of pitch motion response

3 環(huán)境載荷和海況

半潛式平臺(tái)環(huán)境載荷主要是指風(fēng)、浪、流、潮汐、地震、海冰等自然環(huán)境引起的載荷。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，錨泊分析主要考慮風(fēng)、波浪以及海流的環(huán)境載荷。

圖8 平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較Fig.8 Comparison of heave motion response

3.1 風(fēng)載荷

根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式，作用在平臺(tái)上的風(fēng)載一般由下式來(lái)計(jì)算：

式中：Fw為風(fēng)載荷，N；Ch為結(jié)構(gòu)物的高度系數(shù)；Cs為結(jié)構(gòu)物的形狀系數(shù)；A為結(jié)構(gòu)物垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積，m2；Vw為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

3.2 海流載荷

半潛式平臺(tái)流載大小一般由下式來(lái)計(jì)算：

式中：Fcs為流載，N；Css為半潛式平臺(tái)流載系數(shù)，515.62 Ns2/m4；Cd為拖曳力系數(shù)；Ac和 Af分別是圓柱型和扁平型結(jié)構(gòu)總的投影面積。

3.3 海況與觀測(cè)點(diǎn)

該平臺(tái)采用北大西洋海況進(jìn)行計(jì)算分析，運(yùn)用CMA和IFORM方法結(jié)合波浪的極限波陡計(jì)算設(shè)計(jì)了北大西洋100年一遇的海況，本節(jié)計(jì)算選取Hs=17.28 m，Tz=16.5 s。研究平臺(tái)在自存工況下氣隙響應(yīng)。浪向角是指浪向與X軸正向的夾角，如圖9所示。為便于觀測(cè)平臺(tái)在各工況下的氣隙變化量，在平臺(tái)甲板箱上布置了7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)主要位于平臺(tái)甲板箱的下邊緣，觀測(cè)點(diǎn)分布見圖10。

圖9 半潛式平臺(tái)入射波浪浪向角示意Fig.9 Incident wave angle diagram

圖10 甲板氣隙關(guān)注點(diǎn)位置示意圖Fig.10 The interest points for air gap in deck box bottom

根據(jù)DNV-RP-C205[19]規(guī)定，峰值周期Tp與跨零周期Tz關(guān)系如下：

其中：γ定義如下：

4 不同工作水深下平臺(tái)時(shí)域耦合計(jì)算

4.1 分析工況

根據(jù)修正的數(shù)值模型，在相同的錨鏈預(yù)緊力、錨鏈長(zhǎng)度和環(huán)境載荷工況下分別選取了4組工況，比較不同定位方式下平臺(tái)氣隙響應(yīng)。工況條件如表3所示，其中A-Case表示ATA定位方式，B-Case表示錨泊定位方式。

表3 各工況細(xì)節(jié)Tab.3 The detail of analysis cases

4.2 計(jì)算結(jié)果

考慮到時(shí)域內(nèi)模擬波浪的不穩(wěn)定性，對(duì)每組工況分別選取10段不同的隨機(jī)波浪海況作為該工況下的子工況，每個(gè)子工況模擬時(shí)間為3 h，各工況中10個(gè)子工況所運(yùn)用的隨機(jī)波浪是相同的。ACase01-02工況以及B-Case01-02工況下的平臺(tái)最小氣隙響應(yīng)的平均值計(jì)算結(jié)果見表4。由表中可知，在斜浪下ATA定位平臺(tái)的關(guān)注點(diǎn)最小氣隙響應(yīng)的平均值N-01、N-04和N-06的負(fù)氣隙值從500 m水深下的-4.954 m、-2.927 m和-2.154 m改善到300 m水深下的-3.114 m、-0.779 m、-0.215 m；在斜浪下錨泊定位平臺(tái)的關(guān)注點(diǎn)最小氣隙響應(yīng)平均值N-01、N-02、N-03、N-04和N-06的負(fù)氣隙值從500 m水深下的-4.648 m、-1.107 m、-1.618 m、-1.750 m和-1.548 m改善到300 m水深下的-4.515 m、-1.004 m、-1.440 m、-1.614 m和-1.174 m；由此可見，作業(yè)水深對(duì)平臺(tái)氣隙影響顯著。

表4 最小氣隙響應(yīng)的平均值Tab.4 The mean value of min air gap response

4.3 影響分析

為了進(jìn)一步探討不同作業(yè)水深下的定位方式對(duì)平臺(tái)氣隙響應(yīng)的影響，分別進(jìn)行了平臺(tái)關(guān)注點(diǎn)砰擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)、關(guān)注點(diǎn)氣隙預(yù)報(bào)以及平臺(tái)響應(yīng)時(shí)域值能量分析。

4.3.1 關(guān)注點(diǎn)砰擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖11 關(guān)注點(diǎn)砰擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 The slamming frequency staistics of interest points

圖11（a）、（b）依次為45°工況下ATA定位與錨泊定位平臺(tái)的關(guān)注點(diǎn)平均氣隙變化圖。如圖所示，在同等的ATA定位方式下，500 m工作水深下的關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)較之于300 m工作水深關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)增加37次，增加幅度為31%；N-04關(guān)注點(diǎn)增加了18次，增加幅度為18.6% ；N-06關(guān)注點(diǎn)增加了27次，增加幅度為36%。在同等錨泊定位方式下，500 m工作水深下的關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)較之于300 m工作水深關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)增加了14次，增加幅度為10.7%；N-04關(guān)注點(diǎn)增加了12次，增加幅度為10.4%；N-06關(guān)注點(diǎn)增加了16次，增加幅度為17.9% 。

由上述計(jì)算數(shù)據(jù)可知，平臺(tái)在同等的環(huán)境載荷、預(yù)緊力工況下，關(guān)注點(diǎn)處波浪砰擊次數(shù)隨著工作水深的增加而加劇。

4.3.2 關(guān)注點(diǎn)氣隙預(yù)報(bào)

圖12（a）、（b）分別為ATA定位與錨泊下平臺(tái)在不同作業(yè)水深的關(guān)注點(diǎn)平均氣隙變化圖。由圖12（a）所示，關(guān)注點(diǎn)N-01的負(fù)氣隙平均值從500 m水深時(shí)的-4.954 m增值到300 m水深時(shí)的-3.114 m，增值1.84 m，增值幅度37.1%；關(guān)注點(diǎn)N-04的負(fù)氣隙增值2.148 m，增值幅度73.4%；關(guān)注點(diǎn)N-06的負(fù)氣隙增值1.939 m，增值幅度90%。由圖12（b）所示，關(guān)注點(diǎn)N-01的負(fù)氣隙平均值從500 m水深時(shí)的-4.648 m增值到300 m水深時(shí)的-4.515 m，增值0.133 m，增值幅度2.86%；關(guān)注點(diǎn)N-04的負(fù)氣隙增值0.136 m，增值幅度7.8%；關(guān)注點(diǎn)N-06的負(fù)氣隙增值0.374 m，增值幅度24%。由此可見，工作水深的變化對(duì)平臺(tái)負(fù)氣隙有著顯著影響。

圖12 關(guān)注點(diǎn)的平均氣隙值Fig.12 The average air gap values of interest points

4.3.3 平臺(tái)響應(yīng)時(shí)域值能量分析

為了進(jìn)一步分析水深對(duì)不同定位方式的平臺(tái)氣隙響應(yīng)的影響，選取A/B-Case01、A/B-Case02工況中的第一個(gè)子工況進(jìn)行分析。選取發(fā)生負(fù)氣隙的關(guān)注點(diǎn)N-01、N-04和N-06作為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)響應(yīng)的時(shí)域值進(jìn)行能量分析。圖13（a）至（f）依次為ATA定位和錨泊定位下平臺(tái)橫搖、縱搖以及垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)能量譜。圖14（a）至（f）依次為ATA定位和錨泊定位下關(guān)注點(diǎn)N-01、N-04和N-06處的氣隙響應(yīng)能量譜。

圖13 平臺(tái)橫搖、縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.13 Response spectral of rolling,pitching and heaving motion

圖14 關(guān)注點(diǎn)處的氣隙響應(yīng)能量譜Fig.14 Air gap response spectrum at the interest points

5 不同工作水深下平臺(tái)波浪砰擊比較分析

為了進(jìn)一步比較不同水深下的平臺(tái)關(guān)注點(diǎn)氣隙變化情況，分別選取兩種定位方式下的平臺(tái)的氣隙關(guān)注點(diǎn)在不同作業(yè)水深時(shí)波浪砰擊的變化次數(shù)、變化幅值以及負(fù)氣隙的增值、變化幅值進(jìn)行比較分析。A-Case 01-02為ATAT定位下平臺(tái)在兩種作業(yè)水深的氣隙及波浪砰擊變化；B-Case 01-02為錨泊定位下平臺(tái)在兩種作業(yè)水深的氣隙及波浪砰擊變化。表5為平臺(tái)波浪砰擊次數(shù)增值表；表6為平臺(tái)氣隙增值表；圖15（a）為不同工作水深的平臺(tái)波浪砰擊次數(shù)對(duì)比圖，圖15（b）為砰擊次數(shù)變化幅值比較；圖16（a）為平臺(tái)氣隙變化對(duì)比圖，圖16（b）為氣隙變化幅值的比較。

由表5和圖15可知，在同等環(huán)境載荷工況下的ATA定位方式平臺(tái)，關(guān)注點(diǎn)N-01在300 m工作水深下的波浪砰擊次數(shù)較之于500 m工作水深關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)減小了37次，減小幅度為31%；N-04砰擊次數(shù)減小了18次，減小幅度為18.6%；N-06砰擊次數(shù)減小了27次，減小幅度為36%。在同等環(huán)境載荷工況下的錨泊定位方式平臺(tái)，關(guān)注點(diǎn)N-01在300 m工作水深下的波浪砰擊次數(shù)較之于500 m工作水深關(guān)注點(diǎn)N-01砰擊次數(shù)減小了14次，減小幅度為10.7%；N-04砰擊次數(shù)減小了12次，減小幅度為10.4%；N-06砰擊次數(shù)減小了16次，減小幅度為17.9%。

表5 平臺(tái)波浪砰擊次數(shù)增值表Tab.5 Increment of wave slamming on platform

圖15 平臺(tái)波浪砰擊比較Fig.15 Comparison of wave slamming on platform

由表6和圖16可知，在同等環(huán)境載荷工況下的ATA定位方式平臺(tái)，關(guān)注點(diǎn)N-01在300 m工作水深下的波浪砰擊次數(shù)較之于500 m工作水深關(guān)注點(diǎn)N-01氣隙值改善了1.84 m，改善幅度為37.1%；N-04氣隙值改善了2.148 m，改善幅度為73.4%；N-06氣隙值改善了1.939 m，改善幅度為90%。在同等環(huán)境載荷工況下的錨泊定位方式平臺(tái)，N-01氣隙值改善了0.133 m，改善幅度為2.86%；N-04氣隙值改善了0.136 m，改善幅度為7.8%；N-06氣隙值改善了0.374 m，改善幅度為24%。

表6 平臺(tái)氣隙增值表Tab.6 Increment of air gap on platform

圖16 平臺(tái)氣隙變化比較Fig.16 Comparison of air gap changes on platform

由上述計(jì)算分析可知，在相同的環(huán)境載荷、預(yù)緊力工況下，工作水深對(duì)關(guān)注點(diǎn)處最小氣隙和波浪砰擊具有顯著影響。工作水深變化引起的ATA定位下同一關(guān)注點(diǎn)的砰擊次數(shù)以及改善幅值明顯優(yōu)于錨泊定位方式。工作水深變化引起的ATA定位下同一關(guān)注點(diǎn)的氣隙變化以及改善幅值也同樣明顯優(yōu)于錨泊定位方式。這說(shuō)明了在風(fēng)浪流載荷作用下，ATA定位平臺(tái)較之于錨泊定位平臺(tái)的隨動(dòng)性更好，可以有效地減小平臺(tái)與水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

6 結(jié) 論

由于半潛平臺(tái)作業(yè)水深范圍很廣，并且不同作業(yè)水深下平臺(tái)錨泊系統(tǒng)的剛度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致平臺(tái)氣隙響應(yīng)發(fā)生差異。針對(duì)半潛式平臺(tái)不同定位方式以及作業(yè)水深差異的特點(diǎn)，運(yùn)用試驗(yàn)結(jié)果修正數(shù)值模型參數(shù)的平臺(tái)時(shí)域全耦合分析方法，并以平臺(tái)的300 m和500 m作業(yè)水深為例，就錨泊定位與動(dòng)力輔助錨泊定位分別對(duì)平臺(tái)氣隙響應(yīng)的影響進(jìn)行研究。根據(jù)分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）平臺(tái)在同等環(huán)境載荷、預(yù)緊力工況下，關(guān)注點(diǎn)處負(fù)氣隙以及波浪砰擊次數(shù)隨著工作水深的增加而加劇。較之于錨泊定位，工作水深對(duì)ATA定位下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)能量譜、關(guān)注點(diǎn)氣隙響應(yīng)能量譜影響更為顯著。

（2）不同工作水深對(duì)平臺(tái)的氣隙和波浪砰擊存在著顯著影響。在同等環(huán)境載荷工況下，ATA定位平臺(tái)較之于錨泊定位平臺(tái)的隨動(dòng)性更好，可以有效地減小平臺(tái)與水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。工作水深變化引起的ATA定位平臺(tái)同一關(guān)注點(diǎn)的砰擊次數(shù)、氣隙變化以及改善幅值明顯優(yōu)于錨泊定位方式。

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