范星宇，杜君峰，劉 勇

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

為推進(jìn)深遠(yuǎn)海油氣資源的開發(fā)和利用，深海浮式平臺(tái)系統(tǒng)的研究十分必要。隨著水深的增大，系泊系統(tǒng)所受重力及環(huán)境荷載等也會(huì)增大，其與平臺(tái)的耦合效應(yīng)顯著。因此，大型深海浮式平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的耦合作用不容忽視。

關(guān)于頂部浮體運(yùn)動(dòng)與系泊纜索動(dòng)力響應(yīng)的相互影響以及浮體與系泊系統(tǒng)整體耦合動(dòng)力分析問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列的研究工作。Tcheou[1]，Ma等[2]，Lee等[3]，Yang和Teng[4]等通過研究指出：在深水條件下，傳統(tǒng)的解耦分析或準(zhǔn)靜態(tài)分析可能會(huì)得到不可靠的結(jié)果。Kim等[5]運(yùn)用時(shí)域方法，求得用線性無質(zhì)量彈簧和非線性無質(zhì)量彈簧模擬的系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和張力分布譜，研究平臺(tái)主體與系泊索之間耦合效應(yīng)對(duì)平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析的重要性。DeKat等[6]，Ran等[7]，Chen[8]等均曾給出了耦合分析的詳細(xì)計(jì)算過程，介紹了浮式生產(chǎn)系統(tǒng)及其撓性部件的整體耦合分析方法，并分別開展了系列研究。Low[9]等依據(jù)細(xì)長(zhǎng)桿理論建立纜繩模型，采用耦合計(jì)算法在頻域和時(shí)域內(nèi)分別計(jì)算了浮式結(jié)構(gòu)在規(guī)則波與隨機(jī)波浪下的響應(yīng)。肖越[10]分別采用間接時(shí)域法和直接時(shí)域Green函數(shù)法計(jì)算浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，然后與計(jì)算三維系泊纜索時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)的非線性有限元法耦合得到了兩種系泊系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)。易叢[11]、趙文斌[12]等考慮系纜所受到的海底接觸力、流體拖曳力、慣性力、結(jié)構(gòu)阻尼等因素，建立了Spar平臺(tái)主體-系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)方程，比較了全耦合方法和擬靜態(tài)方法計(jì)算結(jié)果的差別。

考慮浮體與系泊系統(tǒng)邊界約束，Berthelsen[13]將系泊系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性彈簧，對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。Johansson[14]將錨鏈固接于系泊浮體的一端，研究受迫運(yùn)動(dòng)后的動(dòng)力響應(yīng)，并且提出了一個(gè)用于耦合運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值積分的新方法。Zhang和Zou[15]考慮立管和導(dǎo)向架間的作用，對(duì)Spar平臺(tái)進(jìn)行了的全耦合和部分耦合分析，在分析中模擬了帶有真實(shí)邊界條件的接觸力。元志明[16]分別建立浮體、系泊纜索模型，并通過一系列的彈簧將浮體與系泊纜索耦合在一起，比較了全耦合分析、半耦合分析以及非耦合分析方法對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)結(jié)果的差異。王興剛[17]假定上端點(diǎn)與浮體系纜點(diǎn)為理想鉸接，研究了水深、波高、周期等對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜張力的影響。楊敏冬[18]考慮系泊纜索/立管與浮體的鉸接邊界條件，研究了波浪與整個(gè)系統(tǒng)非線性相互作用的耦合動(dòng)態(tài)分析問題。袁夢(mèng)[19]研究系泊纜索時(shí)，將錨泊線上端點(diǎn)通過導(dǎo)纜器與平臺(tái)鉸接，而對(duì)于立管，僅將上端在水平方向上進(jìn)行約束，采用彈性支座理論。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，浮體與系纜邊界約束形式主要包括固接、鉸接和彈簧連接三種，但目前對(duì)系統(tǒng)耦合動(dòng)力特性進(jìn)行研究時(shí)，均是直接采用某一種邊界約束來開展工作，沒有對(duì)比研究邊界約束形式對(duì)系統(tǒng)整體動(dòng)力響應(yīng)的影響，也未給出所選取約束形式的適用性和合理性。因此，本文將研究不同邊界約束對(duì)浮體/系泊整體系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)、系纜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷等的影響，研究成果可為深海浮式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析等提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型

基于SESAM軟件建立深水半潛式平臺(tái)分析模型，在頻域內(nèi)計(jì)算得到半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)，進(jìn)而通過時(shí)域耦合分析計(jì)算平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜張力，并研究系纜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

1.1半潛式平臺(tái)和系纜模型

本文以某深水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，作業(yè)水深1 000 m，排水量為51 849 t。主尺度參數(shù)如表1所示，該平臺(tái)是典型的立柱支撐式半潛平臺(tái)，主要由甲板、4個(gè)立柱、2個(gè)浮筒和4根水平橫撐組成。根據(jù)表中參數(shù)建立平臺(tái)模型(見圖1)。

表1 半潛式平臺(tái)參數(shù)表Table 1 Parameters of semi-submersible platform

圖1 半潛式平臺(tái)數(shù)值模型圖Fig.1 The numerical model diagrams of semi-submersible platform

半潛式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)為分組式系泊，共4組，每組3根。相鄰組夾角為90°，每組內(nèi)相鄰兩根系纜夾角為5°，圖2給出了系泊系統(tǒng)布置的俯視圖。為保證系泊系統(tǒng)具有足夠剛度的同時(shí)質(zhì)量較小，采用“錨鏈-鋼纜-錨鏈”的分段張緊式系泊形式，其主要參數(shù)見表2。

表2 系纜參數(shù)表Table 2 Parameters of moorings

圖2 系泊系統(tǒng)布置圖Fig.2 The arrangement diagram of mooring system

1.2 邊界約束模型

對(duì)平臺(tái)與系纜的連接邊界，分別采用固接、鉸接和彈簧連接來模擬，對(duì)比研究不同的約束模型對(duì)浮體/系泊系統(tǒng)整體耦合動(dòng)力響應(yīng)和疲勞損傷的影響。3種邊界約束模型如圖3所示。

圖3 邊界約束模型圖Fig.3 The model diagram of boundary constraints

固接是指系纜頂端與導(dǎo)纜孔通過一個(gè)錨鏈環(huán)連接，且該錨鏈環(huán)與平臺(tái)導(dǎo)纜孔進(jìn)行剛性連接，即6個(gè)自由度完全被平臺(tái)約束。鉸接是指不約束轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)自由度，將系纜上端點(diǎn)與導(dǎo)纜孔通過球鉸連接。

彈簧連接是利用具有一定剛度和長(zhǎng)度的彈簧來模擬系纜與平臺(tái)的連接，描述導(dǎo)纜孔至平臺(tái)甲板上部錨點(diǎn)之間系纜的受力與變形特征。依據(jù)實(shí)際錨鏈的力學(xué)特性，遵循彈性相似提出了彈簧剛度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1)

式中，F(xiàn)為該段系纜所受張力。根據(jù)該段系纜的長(zhǎng)度lchain、剛度(EA)chain和彈簧的長(zhǎng)度lspring(取一個(gè)錨鏈環(huán)長(zhǎng)度)，則可對(duì)數(shù)值模擬中彈簧剛度(EA)spring進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 邊界模型對(duì)浮體/系泊整體系統(tǒng)響應(yīng)的影響

2.1 時(shí)域耦合計(jì)算理論

考慮系泊系統(tǒng)與浮體耦合作用的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式如下：

(2)

式中：[M]、[μ]、[λ]、[C]分別表示浮體的廣義質(zhì)量矩陣，附加質(zhì)量矩陣，阻尼系數(shù)矩陣和靜水恢復(fù)力矩陣；Fw(t)、FM分別表示波浪激勵(lì)力和系泊力矩陣。

邊界約束形式的不同則會(huì)影響系泊系統(tǒng)對(duì)浮體的作用力矩陣，即上式中的FM。系泊力矩陣FM可記為FM=[Fm,MM]T，F(xiàn)m為系纜作用于浮體的力，Mm為系纜作用于浮體的力矩。

固接約束時(shí)，系泊系統(tǒng)對(duì)浮體的作用力為Fm，作用力矩為

Mm=[(r×Fm)+M′]。

(3)

其中：r為系纜上端點(diǎn)的位置；M′為錨鏈與浮體之間由于固接而產(chǎn)生的力矩。

鉸接約束時(shí)，與固接相比，系泊系統(tǒng)對(duì)浮體的作用力矩有所變化，沒有M′的作用。

彈簧約束時(shí)，系泊系統(tǒng)對(duì)浮體的作用力為

Fm=-[K](X+p+θ×p-r)。

(4)

其中：[K]為彈簧剛度矩陣；X是平動(dòng)位移；θ是角位移；p是彈簧與浮體連接點(diǎn)位置；r是系纜上端點(diǎn)的位置。

系泊系統(tǒng)對(duì)浮體的作用力矩即為

Mm=p×Fm。

(5)

2.2 邊界約束模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證三種邊界約束的可靠性和合理性，將本文計(jì)算結(jié)果與某深水半潛式平臺(tái)的物理模型試驗(yàn)結(jié)果[20]進(jìn)行對(duì)比分析。在物理模型試驗(yàn)中[20]，系纜截?cái)嘁呀?jīng)過靜力和動(dòng)力相似設(shè)計(jì)，試驗(yàn)過程中的平臺(tái)模型參數(shù)、水深截?cái)嘞挡蠢|索參數(shù)、不規(guī)則波參數(shù)也經(jīng)過了校核，可確定模型試驗(yàn)?zāi)軌虻玫捷^為準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖4 導(dǎo)纜孔模型圖[21]Fig.4 The model diagram of fairleads[21]

在物理模型試驗(yàn)中[20]，平臺(tái)與系纜的連接邊界采用實(shí)際工程中的約束形式，如圖4所示。在數(shù)值模型中，平臺(tái)與系纜的連接邊界采用固接、鉸接和彈簧約束3種形式。

選取物模試驗(yàn)測(cè)得的系纜張力的一組典型數(shù)據(jù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)模分析時(shí)為驗(yàn)證彈簧剛度的選擇，在彈簧約束下設(shè)置多個(gè)不同的彈簧剛度(假定由(1)式得出的剛度為EA，則選取0.01EA至100EA中多組數(shù)據(jù))，分別計(jì)算其系纜張力的數(shù)值結(jié)果，并將其與模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)彈簧剛度為EA時(shí)，其數(shù)模結(jié)果與試驗(yàn)值最為接近。所以在數(shù)模分析中選擇彈簧約束時(shí)，其剛度由1.2小節(jié)中(1)式的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算得出。

確定彈簧的相關(guān)參數(shù)后，在相應(yīng)的工況下對(duì)固接、鉸接和彈簧約束進(jìn)行數(shù)模分析，對(duì)比系纜張力的模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和3種約束形式下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與物模試驗(yàn)系纜張力對(duì)比Table 3 The mooring tension comparison between numerical simulation and physical model test

由表3可以看出，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，數(shù)模分析中采用固接、鉸接和彈簧約束會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但三種約束下系纜張力的誤差均不超過10%，均具有較好的預(yù)測(cè)精度。但整體而言，彈簧連接的預(yù)測(cè)精度是最高的。

2.3 不同邊界約束下系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)的比較

選取平臺(tái)作業(yè)海域中發(fā)生概率較大的波浪工況來研究，有效波高Hs=4.5 m，譜峰周期Tp=9 s，波譜為Jonswap譜。取浪向角θ=90°，即平臺(tái)受到來自橫向的波浪作用，如圖2所示，處于最大橫向受力狀態(tài)。

計(jì)算三種邊界約束形式下系統(tǒng)的耦合動(dòng)力響應(yīng)，錨鏈設(shè)置相同的預(yù)張力，均為53 500 kN。其中，彈簧約束形式的剛度遵循1.2小節(jié)中(1)式的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，止鏈器和導(dǎo)纜孔之間的錨鏈長(zhǎng)度lchain為27.06 m、剛度(EA)chain為2 186 240 kN，彈簧長(zhǎng)度lspring為0.96 m，所以計(jì)算可得彈簧剛度(EA)spring為77560.6 kN。為能充分描述不規(guī)則波及其作用下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的隨機(jī)特性，對(duì)每個(gè)工況的數(shù)值模擬時(shí)間采用工程上建議的10 800 s。

在橫浪作用下，平臺(tái)縱蕩、縱搖、艏搖三個(gè)自由度的響應(yīng)較小，本文重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)橫蕩、橫搖、垂蕩和系纜張力，其響應(yīng)時(shí)歷曲線見圖5～8，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 橫蕩時(shí)程比較圖 Fig.5 The comparison diagram of swaying time history

圖6 垂蕩時(shí)程比較圖Fig.6 The comparison diagram of heaving time history

圖7 橫搖時(shí)程比較圖Fig.7 The comparison diagram of rolling time history

圖8 1#系纜張力時(shí)程比較圖Fig.8 The comparison diagram of 1# mooring tension time history

由表4分析可得，3種約束形式下的耦合動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果比較接近。不同方法運(yùn)動(dòng)幅值的計(jì)算結(jié)果相差不超過5%，不同方法系纜張力的計(jì)算結(jié)果相差僅在2%左右。

系泊纜索是細(xì)長(zhǎng)的柔性結(jié)構(gòu)，改變平臺(tái)與系纜連接邊界的約束形式對(duì)系纜整體剛度矩陣影響不大，因此不同的邊界模型對(duì)平臺(tái)/系泊整體動(dòng)力響應(yīng)(平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系纜張力)影響不大。但約束模型的改變可能會(huì)對(duì)系纜局部節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，因此接下來對(duì)系纜節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷做進(jìn)一步的研究。

3 邊界模型對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷的影響

3.1 疲勞損傷計(jì)算理論[22]

海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞損傷評(píng)估的基本步驟如下：

(1)對(duì)波浪散布圖中每一組海況，用有效波高Hs和Tp譜峰周期定義不規(guī)則波，遍及所有海況，進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析，得到系纜張力(彎矩)時(shí)程，并計(jì)算系纜應(yīng)力時(shí)程；

(2)依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法則(本文采用雨流計(jì)數(shù)法)，統(tǒng)計(jì)出系纜應(yīng)力幅值及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；

(3)結(jié)合S-N曲線以及Miner線性疲勞累積損傷法則，對(duì)系纜年疲勞損傷率和疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。

表4 響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 The statistical result of response data

由于很多因素會(huì)影響S-N曲線的選擇，計(jì)算時(shí)難以給定每種具體情況下的S-N曲線，所以絕大多數(shù)船級(jí)社選用已有的試驗(yàn)成果來確定該曲線。本文選用DNV規(guī)范提供的S-N曲線進(jìn)行疲勞損傷分析，形式如下[23]：

(6)

其中，Δσ為應(yīng)力幅值；N為相應(yīng)于應(yīng)力幅值的預(yù)期疲勞循環(huán)次數(shù)；loga為S-N曲線在Y軸上的截距；m為S-N曲線的斜率；tref為參照壁厚，非管節(jié)點(diǎn)連接一般取25 mm；t為裂紋最可能生長(zhǎng)的貫穿長(zhǎng)度，小于tref時(shí)，取t=tref；k為疲勞強(qiáng)度壁厚指數(shù)。

根據(jù)DNV規(guī)范選擇B1曲線來計(jì)算系纜的疲勞損傷[24]，具體參數(shù)見表5：

表5 B1曲線相關(guān)參數(shù)Table 5 Related parameters of the curve

Miner線性疲勞累積損傷法則：

對(duì)于結(jié)構(gòu)受變幅交變應(yīng)力作用的情況，結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量可以通過把各不同的應(yīng)力循環(huán)造成的疲勞損傷按線性的原則累積得到。當(dāng)結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，就將發(fā)生疲勞破壞。Miner線性累積損傷理論認(rèn)為：某個(gè)應(yīng)力范圍的實(shí)際循環(huán)次數(shù)與該循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)之比即為該應(yīng)力范圍造成的損傷分量。

3.2 不同邊界約束下系纜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的比較

海域長(zhǎng)期的波浪條件通常采用波浪散布圖來表示，如表6所示為平臺(tái)作業(yè)海域的波浪散布圖數(shù)據(jù)，每個(gè)海況用波浪的特征參數(shù)和該海況出現(xiàn)的頻率加以描述。對(duì)波浪散布圖中的每個(gè)海況分別進(jìn)行計(jì)算，得到其導(dǎo)致的系纜疲勞損傷，然后進(jìn)行求和得到結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷。

浮式結(jié)構(gòu)在波浪作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)響應(yīng)主要包括一階波頻和二階低頻成分，它們構(gòu)成了浮體水平運(yùn)動(dòng)的主要部分和升沉運(yùn)動(dòng)。以1#系纜為例，依據(jù)上表海域的波浪分布，通過時(shí)域耦合動(dòng)力分析，再結(jié)合S-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷法則，分別計(jì)算考慮二階慢漂和不考慮二階慢漂時(shí)固接、鉸接和彈簧連接這三種約束條件下系纜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷。其中，所取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均在系纜上部錨鏈段，節(jié)點(diǎn)1為該段錨鏈上端點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2為距上端點(diǎn)30 m處，節(jié)點(diǎn)3為距上端點(diǎn)60 m處，節(jié)點(diǎn)4為距上端點(diǎn)90 m處，結(jié)果見表7和表8。此外，還給出了表8和7相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的比值，如表9所示。

表6 作業(yè)海域波浪散布圖Table 6 The waves scatter diagram of operation waters

表7 考慮二階慢漂時(shí)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命Table 7 The nodes fatigue life with considering the second order slow drift

表8 不考慮二階慢漂時(shí)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命Table 8 The nodes fatigue life without considering the second order slow drift

表9 不考慮二階慢漂與考慮二階慢漂對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的比值Table 9 The ratio of corresponding node fatigue life when considering or not the second order slow drift

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)約束條件的影響

由表7、8可知，三種邊界約束下相同節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命存在差異：

考慮二階慢漂時(shí)，彈簧連接下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命最高，鉸接次之，固接最低，彈簧約束比鉸接高約10%，比固接高約16%。因?yàn)樵谄脚_(tái)做大幅慢漂運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧可以起到緩沖調(diào)節(jié)的作用，其張力幅值較小，對(duì)應(yīng)錨鏈的疲勞損傷最低，壽命最高。

不考慮二階慢漂時(shí)，鉸接和彈簧約束下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命相差不到1%，比固接高約6%。因?yàn)椴豢紤]大幅慢漂，平臺(tái)正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，與固接相比，鉸接和彈簧連接下平臺(tái)導(dǎo)纜孔與系纜上端點(diǎn)相互作用較弱，系纜在耦合作用下的運(yùn)動(dòng)和受力幅度較小，所以疲勞損傷也就較小。

更直觀地，由表9數(shù)據(jù)可以看出：不考慮二階差頻效應(yīng)時(shí)，三種約束形式下系纜的疲勞壽命均變大，其對(duì)固接和鉸接方式系纜疲勞壽命影響較為顯著，約增大22%，而對(duì)彈簧連接形式的影響相對(duì)較小，增大11%左右。

(2)系纜節(jié)點(diǎn)位置的影響

將表7、表8中數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治隹傻?，?duì)于上部錨鏈段，節(jié)點(diǎn)由上至下，即由節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4，在同種邊界約束下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命逐漸減小，且邊界約束形式的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響也越來越小。

系纜采用“錨鏈-鋼纜-錨鏈”的分段形式，由于錨鏈與鋼纜的直徑、質(zhì)量、剛度等方面存在的差異，在耦合運(yùn)動(dòng)中，錨鏈與鋼纜的連接點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)最為劇烈，受力幅值最大，導(dǎo)致疲勞損傷最大，壽命最短。所以，對(duì)上部錨鏈段而言，越靠近錨鏈與鋼纜連接處，節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷越大，壽命越低。同理，對(duì)于鋼纜段和海底錨鏈段也是如此[21]。因此，在上部錨鏈段，由節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4疲勞壽命逐漸減小。

此外，彈簧與固接、彈簧與鉸接的比值隨著節(jié)點(diǎn)由上至下逐漸減小(比值小于1時(shí)逐漸增大)，說明邊界約束形式的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響也隨著節(jié)點(diǎn)由上至下越來越小。因?yàn)楸疚难芯康倪吔缂s束模型是處于導(dǎo)纜孔與系纜上端點(diǎn)之間，改變其約束形式對(duì)連接處附近系纜節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)影響較大，而對(duì)遠(yuǎn)離連接處的系纜節(jié)點(diǎn)影響較小。

4 結(jié)論

本文選取經(jīng)典雙浮筒四立柱半潛式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，在平臺(tái)與系纜之間設(shè)置固接、鉸接和彈簧連接三種邊界約束模型，求解三種邊界連接下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系纜張力及其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷，并與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明，三種約束模型對(duì)浮式平臺(tái)與系纜整體耦合動(dòng)力響應(yīng)(平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與系纜張力)影響不大，但對(duì)系纜疲勞損傷評(píng)估影響明顯：

(1)在固接、鉸接和彈簧連接三種不同的邊界條件下，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值的計(jì)算結(jié)果相差不超過5%，系纜張力的計(jì)算結(jié)果相差約為2%。

(2)對(duì)于上部錨鏈段，節(jié)點(diǎn)由上至下分析時(shí)，在同種邊界約束下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命逐漸減小，且邊界約束形式的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響也越來越小。

(3)考慮二階慢漂時(shí)，彈簧約束下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)值最高，與彈簧約束相比，固接和鉸接均對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生低估，其中固接低估約16%，鉸接低估約10%；固接和鉸接模型比彈簧模型對(duì)二階差頻效應(yīng)更為敏感；不考慮二階慢漂時(shí)，鉸接和彈簧約束下節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命相差很小，而固接相較于彈簧約束低估約6%。