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        風(fēng)浪流聯(lián)合作用下油氣資源開發(fā)保障平臺(tái)系泊系統(tǒng)響應(yīng)的計(jì)算分析

        2019-05-09 08:19:00袁洪濤1陳正豪陳剛2孔令海
        船海工程 2019年2期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)浪偏移量系泊

        袁洪濤1,2,陳正豪,陳剛2,孔令海

        (1.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;3.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

        在惡劣的海洋環(huán)境條件下,平臺(tái)的系泊定位能力尤為重要,為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)平臺(tái)在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng),國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者做了相應(yīng)的研究[1-11]。本文采用AQWA計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜的張力響應(yīng)。

        1 平臺(tái)系泊模型及環(huán)境條件

        1.1 水動(dòng)力模型

        根據(jù)平臺(tái)的型線圖建立有限元模型,平臺(tái)的主尺度及主要參數(shù)見表1,平臺(tái)的面元模型見圖1。

        表1 平臺(tái)主尺度及主要參數(shù) m

        圖1 平臺(tái)水動(dòng)力模型

        1.2 系泊參數(shù)

        目標(biāo)平臺(tái)采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位,系泊纜分為4組,每組4根,船艏船艉各2組,艏艉每組間夾角為55°,每組內(nèi)系泊纜夾角為5°。系泊纜采用三段式的組合,即:鋼鏈-鋼纜-鋼鏈,上部與船體導(dǎo)纜孔連接及底部與錨點(diǎn)連接處為了防止摩擦破壞均用鋼鏈,中間為減輕系泊重量采用鋼纜。系泊纜相關(guān)參數(shù)見表2,系泊布置見圖2。

        1.3 環(huán)境條件

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,海洋環(huán)境條件應(yīng)選取南海百年重現(xiàn)期有臺(tái)風(fēng)的海況。具體的環(huán)境參數(shù)見表3。

        1.4 計(jì)算工況

        根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),運(yùn)動(dòng)的最大值和張力的最大值可能出現(xiàn)在:風(fēng)浪同向,流與之夾角為0°、30°、45°、90°;流浪同向,風(fēng)與之夾角為0°、30°、45°、90°。具體工況見表4。

        2 平臺(tái)頻域計(jì)算分析

        2.1 平臺(tái)幅值響應(yīng)算子

        由于平臺(tái)船體是關(guān)于中縱剖面對(duì)稱,因此浪向角選取0°~180°,浪向角間隔45°。平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子見圖3。

        由計(jì)算結(jié)果可以看到,對(duì)某一運(yùn)動(dòng)模態(tài)的響應(yīng)幅值算子不僅與頻率有關(guān),與浪向角也有關(guān);由于平臺(tái)是關(guān)于中縱剖面對(duì)稱,所以在0°和180°浪向、45°和135°浪向的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子基本相似;就縱蕩和橫蕩而言,在入射波角頻率小于0.5 rad/s時(shí)產(chǎn)生較大響應(yīng),在大于0.5 rad/s時(shí)響應(yīng)基本趨于0,表現(xiàn)出強(qiáng)低頻效應(yīng);在6自由度運(yùn)動(dòng)中橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是最大的,主要集中在0.3~0.6rad/s之間,在0.5 rad/s左右,90°浪向角時(shí)響應(yīng)達(dá)到最大值,在0.8 rad/s之后響應(yīng)趨于0;相對(duì)于橫搖而言,縱搖和艏搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較小,艏搖在頂浪、順浪、橫浪時(shí)響應(yīng)基本為0,只有在斜浪時(shí)有一定的響應(yīng)。

        表2 系泊纜參數(shù)

        圖2 系泊布置示意

        環(huán)境屬性波浪波浪譜JONSWAP有義波高/m13.3 譜峰升高因子3譜峰周期/s15.5 風(fēng)風(fēng)譜1 h平均風(fēng)速/( m·s-1)NPD55 流水面流速/( m·s-1)1.97

        圖3 平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

        2.2 平臺(tái)附加質(zhì)量

        平臺(tái)6自由度附加質(zhì)量見圖4??梢钥闯?,縱搖、艏搖附加質(zhì)量在量級(jí)上大于其他4個(gè)自由度,橫蕩和艏搖附加質(zhì)量的變化趨勢(shì)一致,都是先增后減。

        圖4 平臺(tái)附加質(zhì)量

        2.3 平臺(tái)輻射阻尼

        平臺(tái)6自由度輻射阻尼見圖5。由計(jì)算結(jié)果可以看出,縱搖、艏搖輻射阻尼在量級(jí)上大于其他四個(gè)自由度,并且縱搖和垂蕩、艏搖和橫蕩輻射阻尼的變化趨勢(shì)一致,都是先增后減。

        圖5 平臺(tái)輻射阻尼

        3 平臺(tái)系泊系統(tǒng)時(shí)域計(jì)算分析

        3.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

        對(duì)表4中不同風(fēng)浪流夾角的7種計(jì)算工況計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值見表5。其中最大位移表示平臺(tái)六自由度偏移量的最大值,標(biāo)準(zhǔn)差表示平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。由計(jì)算結(jié)果可以看到,在流浪同向橫風(fēng)即工況7時(shí),平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)到達(dá)最大值;流浪同向,風(fēng)與浪的夾角由0°增加到90°時(shí),平臺(tái)偏移量最大值逐漸增加,平均值也逐漸增加的;風(fēng)浪同向,流與浪的夾角由0°增加到90°時(shí),平臺(tái)偏移量的最大值先增后減再增,但平均值逐漸增加。總體來(lái)說(shuō)風(fēng)浪同向,流與浪的夾角增加時(shí),平臺(tái)的偏移量也逐漸增加;風(fēng)或流與浪有夾角時(shí),斜風(fēng)產(chǎn)生的平臺(tái)偏移量比斜流產(chǎn)生的平臺(tái)偏移量要大,說(shuō)明平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)風(fēng)載荷更敏感;風(fēng)浪同向(流浪同向),流(風(fēng))與浪的夾角增加時(shí),平臺(tái)偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,說(shuō)明隨著流(風(fēng))與浪的夾角增加,平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性更好,同時(shí)斜風(fēng)的平臺(tái)偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差基本比斜流的平臺(tái)偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差要大,說(shuō)明斜風(fēng)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性比斜流的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性要差。

        表5 不同工況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值 m

        3.2 系泊纜張力響應(yīng)分析

        按圖2的系泊布置進(jìn)行系泊,對(duì)不同的風(fēng)浪流夾角分別計(jì)算系泊纜的張力響應(yīng),計(jì)算結(jié)果見表6。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出工況7為最危險(xiǎn)工況,工況7下系泊纜張力的柱狀圖見圖6,張力最大的系泊纜的張力時(shí)歷曲線見圖7。

        可以看到,在流浪同向橫風(fēng)即工況7時(shí),系泊纜張力響應(yīng)達(dá)到最大值,并且其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都達(dá)到最大值,說(shuō)明頂浪、頂流和橫風(fēng)這種工況是最危險(xiǎn)的,系泊纜張力大、張力標(biāo)準(zhǔn)差也大,在這種工況下系泊纜易發(fā)生疲勞破壞;流浪同向,風(fēng)與浪的夾角由0°增加到90°時(shí),系泊纜張力最大值逐漸增加,平均值也逐漸增加;風(fēng)浪同向,流與浪的夾角由0°增加到90°時(shí),系泊纜張力最大值基本是逐漸增加的,平均值也逐漸增加;風(fēng)或流與浪有夾角時(shí),斜風(fēng)產(chǎn)生的系泊纜張力比斜流產(chǎn)生的系泊纜張力要大,說(shuō)明斜風(fēng)對(duì)系泊纜張力的影響要大于斜流;風(fēng)浪同向,流與浪的夾角增加時(shí),系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差是逐漸減小的,說(shuō)明隨著流與浪的夾角增加,系泊纜張力響應(yīng)的穩(wěn)定性更好;流浪同向,風(fēng)與浪的夾角增加時(shí),系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增加,說(shuō)明隨著流與浪的夾角增加,系泊纜張力響應(yīng)的穩(wěn)定性更差;并且在斜風(fēng)的工況下系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差都比斜流的工況下系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差要大,說(shuō)明系泊纜在斜風(fēng)的工況下更不穩(wěn)定,更易被破壞。

        表6 不同工況下系泊纜張力響應(yīng)值 N

        圖6 工況7下系泊纜張力

        圖7 工況7下10#系泊纜張力-時(shí)歷曲線

        4 結(jié)論

        分析結(jié)果表明,在頂浪、頂流、橫風(fēng)的工況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力響應(yīng)最大,油氣資源開發(fā)保障平臺(tái)服役期間的艏向布置應(yīng)盡量避開頂浪、頂流、橫風(fēng)的環(huán)境組合工況。另外,系泊方案的設(shè)計(jì)以及系泊纜的強(qiáng)度分析、平臺(tái)系泊結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)需要考慮此組合工況。

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