郭建廷，倪世杰，嵇春艷

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

建立淺水浮式海洋平臺作為多用途海上綜合保障平臺，可為軍民生產(chǎn)生活、海洋科學考察探測、漁業(yè)捕撈等提供保障。

由于浮式海洋平臺與系泊系統(tǒng)耦合動力響應的計算結果精度對平臺安全性及可靠性影響顯著，因此系泊系統(tǒng)與浮式結構運動分析是浮式海洋平臺設計與建造方面研究的重點和難點，在進行浮式結構-系泊系統(tǒng)運動分析時，根據(jù)應用水深不同，可以大致分為深水浮式結構物耦合動力響應分析方法與淺水浮式結構物耦合動力響應分析方法兩大類。

對于深水浮式結構物耦合動力響應分析方法，童波等[1]采用時域耦合分析方法探討系泊纜直徑、長度和預張力角度對系泊纜動力特性的影響。嵇春艷等[2–4]針對深水半潛式海洋平臺采用時域全耦合分析法探討了新型系泊系統(tǒng)的水動力性能。Yang 等[5]采用全時域方法對系泊狀態(tài)下的桁架浮筒式平臺進行耦合分析。

由于當前研究主要關注深水條件下的結構水動力問題，淺水浮體耐波性的研究相對于深水水動力來說非常有限[6]。但近年來，大型浮體在淺水中的水動力特性由于實際工程需要，也引起了眾多學者的研究興趣。楊建民等[7]對FPSO 在渤海淺水不規(guī)則波浪中六自由度運動和碰底情況進行了試驗研究分析。丁軍等[8]針對近島礁淺水環(huán)境下浮式海洋平臺提出一種新型樁柱式系泊系統(tǒng)。國外對于大型結構物淺水水動力性能研究相對較少。Buchner 等[9]通過模型試驗研究了一浮式接收終端和LNG 船之間起輔助作用拖船的運動特性，發(fā)現(xiàn)即使一般的波浪也會引起拖船的顯著運動。

淺水浮式海洋平臺一般布置在水深不超過20 m 的淺水區(qū)，波浪條件易發(fā)生改變；平臺結構接近海底，造成平臺的水動力系數(shù)發(fā)生改變；系泊系統(tǒng)往往為非對稱式，從而造成系泊與平臺、平臺與波浪之間耦合作用更為復雜。本文所研究兩類典型非對稱系泊系統(tǒng)為左右非對稱和前后非對稱系泊系統(tǒng)，基于TMA 淺水波浪譜對2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下浮式平臺的動力響應以及張力分布進行數(shù)值計算，計算結果與對稱式系泊作用下結果進行對比分析，獲得非對稱系泊系統(tǒng)作用下平臺運動特點和變化規(guī)律。

1 基本理論

1.1 TMA 淺水波浪譜理論

波浪傳入近海淺水區(qū)，波浪譜將發(fā)生明顯變化，Kitaigorodoskii 等根據(jù)研究結果將淺水波浪譜表示為深水波浪譜與無因次水深kd函數(shù)的乘積形式：

式中，S0(ω)為深水波浪譜，無因次函數(shù)為：

式中無因次量為:

上述理論隨后被實測資料所證實并發(fā)展為淺水波浪譜TMA 譜。

式 中：S j(f)為 Jonswap 譜； Φ(kd)為 修 正 函 數(shù)，Goda所給建議公式為：

式中：k，d，f滿足色散關系。

1.2 時域運動方程

時域運動方程分為高頻與低頻2 個部分。1 階高頻運動方程為：

其中：M為結構物慣量矩陣； μ為附加質量系數(shù)矩陣；K為時延函數(shù)矩陣；C為回復力系數(shù)矩陣；x(j1)為結構物高頻運動；Fimoor為系泊力時歷。

2 階低頻運動方程為:

式中：m為結構物質量； μ為附加質量系數(shù)矩陣；x(2)為2 階低頻運動；B11，B22，B66為阻尼系數(shù)；Bwdd為縱蕩方向慢漂阻尼系數(shù)；Fiwind為風載荷時歷；Ficurrent為流載荷時歷；Fiwave(2)為2 階波浪漂移力時歷；Fimoor為系泊力時歷。

2 淺水浮式平臺及非對稱系泊系統(tǒng)設計

2.1 平臺主尺度及基本參數(shù)

本文所分析淺水浮式海洋平臺如圖1 所示。

圖1 淺水浮式海洋平臺Fig. 1 Shallow Water Floating Offshore Platform

其主體結構由浮體、立柱、橫撐與主甲板組成，具體特征參數(shù)見表1[10]。

2.2 非對稱系泊系統(tǒng)設計

本文采用張緊式系泊方式，8 根系泊纜分為4 組，每組由2 根組成，每組系泊纜夾角為15°，仰角為45°，選取3 段組合纜形式，即上下2 段為錨鏈，中間為聚酯纜，具體參數(shù)如表2 所示。前后非對稱與左右非對稱系泊布置方式如圖2 和圖3 所示，地形坡度設為45°，系泊纜布置于島礁地形中間，預張力均設為1 500 kN。

2.3 工作海況

為模擬南海淺水區(qū)生存海況下平臺運動情況，本文所選環(huán)境工況如表3 所示[3]。研究90°典型浪向，浪向角坐標系定義如圖4 所示，波浪譜選用TMA 淺水波浪譜，如圖5 所示。風譜選用NPD 風譜，風速為40 m/s；由于平臺布置在20 m 水深的島礁淺水區(qū)，海流流速較小，計算時暫不予考慮。

表1 淺水浮式平臺主要特征參數(shù)Tab. 1 Main parameters of shallow water floating platform

表2 系泊纜主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of mooring lines

圖2 前后非對稱系泊系統(tǒng)Fig. 2 Forward and backward asymmetric mooring system

圖3 左右非對稱系泊系統(tǒng)Fig. 3 Left and right asymmetric mooring system

表3 環(huán)境參數(shù)Tab. 3 Environment parameters

圖4 坐標系定義Fig. 4 Coordinate system definition

3 平臺水動力響應數(shù)值計算結果及分析

3.1 平臺運動響應計算結果及分析

90°浪向角下，平臺運動響應結果統(tǒng)計如表4 所示。在所給環(huán)境力條件下，2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下平臺運動響應雖較大，但均在API 規(guī)范允許的范圍內。

取系統(tǒng)穩(wěn)定后的4 000～4 060 s 這60 s 之間平臺的運動時間歷程圖進行對比分析，如圖6 所示。

圖5 TMA 淺水波浪譜Fig. 5 TMA shallow water wave spectrum

表4 90°浪向角下平臺運動響應結果Tab. 4 Results of motion response of platform at 90°wave angle

結合平臺六自由度時歷曲線及表4 可以看出，當浪向角為90°時，3 種系泊方式作用下平臺運動響應都主要表現(xiàn)為橫蕩、垂蕩與橫搖運動。

相比對稱系泊系統(tǒng)，前后非對稱系泊系統(tǒng)作用下平臺縱蕩、縱搖與首搖運動響應幾乎不變，橫蕩、垂蕩與橫搖運動均有不同程度改善。橫蕩最大值由3.348 m減小到3.26 m，減小了2.63%；垂蕩最大值由3.418 m減小到3.31 m，減小了3.16%；橫搖最大值由4.521°減小到4.322°，減小了4.4%。

圖6 90°浪向角下平臺運動響應Fig. 6 Platform motion response at 90°wave angle

相比對稱系泊系統(tǒng)，左右非對稱系泊系統(tǒng)作用下平臺縱蕩、縱搖與首搖運動均有所增大，但運動幅度在規(guī)范允許范圍內?？v蕩最大值由0.006 m 增大到0.339 m，縱搖最大值由0.004°增大到0.377°，首搖最大值由0.01°增大到0.705°。橫蕩、垂蕩與橫搖運動均有所減小。橫蕩最大值由3.348 m 減小到3.211 m，減小了4.09%，垂蕩最大值由3.418 m 減小到3.292 m，減小了3.69%，橫搖最大值由4.521°減小到4.224°，減小了6.57%。

3.2 系泊纜張力計算結果及分析

為驗證2 種非對稱系泊方式的可行性，還需校核系泊纜張力，3 種系泊方式下8 根系泊纜最大張力如圖7 所示。

圖7 最大張力統(tǒng)計結果對比Fig. 7 Comparison of statistic results of maximum tension

可以看出，3 種系泊方式下受力最大系泊纜均為2 號纜繩，并且2 種非對稱系泊方式下纜繩最大張力相比對稱系泊均有不同程度增大。前后非對稱系泊方式作用下系泊纜最大張力由5 040 kN 增大到5 223 kN，增加了3.63%；左右非對稱系泊方式作用下系泊纜最大張力由5 040 kN 增大到5 131 kN，增加了1.81%。

前后非對稱系泊系統(tǒng)作用下受力最大系泊纜安全系數(shù)為1.71，大于1.67，滿足API 規(guī)范要求，系泊于島礁地形上的5#，6#，7#和8#系泊纜最大受力均比對稱系泊作用下有所增大。左右非對稱系泊系統(tǒng)作用下受力最大系泊纜安全系數(shù)為1.74，大于1.67，滿足規(guī)范要求，并且系泊于島礁地形上的1#，2#，7#和8#系泊纜最大受力相比對稱系泊作用下也有不同程度的增大。

2 種非對稱系泊方式作用下系泊纜最大張力安全系數(shù)雖然大于1.67，但均存在破斷風險，因此在設計系泊纜時，考慮到淺水浮式平臺處于變化的海況中，系泊纜時刻受到動力的作用，而每根系泊纜受力不均勻，容易發(fā)生疲勞斷裂，應進行強度校核。

4 結 語

根據(jù)研究目標平臺特點，考慮島礁地形變化，本文設計了2 種典型非對稱式系泊系統(tǒng)布置方案，基于TMA 淺水波浪譜理論，考慮平臺與系泊系統(tǒng)的耦合作用，對2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下浮式平臺的動力響應以及張力分布進行數(shù)值計算，計算結果與對稱式系泊系統(tǒng)作用下結果進行對比分析，得到以下結論：

1）在所給環(huán)境力條件下，2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下，淺水浮式平臺可以在島礁地形中較好地定位，由于淺水效應，平臺整體運動響應雖然較大，但根據(jù)API 規(guī)范要求，均在自存海況規(guī)范允許的范圍內；系泊纜張力雖然較大，但滿足自存海況的破斷要求，證明這2 種非對稱系泊方式應用于淺水島礁地形下平臺的定位是安全可行的。

2）相比對稱系泊系統(tǒng)，2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下，平臺橫蕩、垂蕩及橫搖運動均有所減小，降低了平臺的觸底風險。

3）相比對稱系泊系統(tǒng)，2 種非對稱系泊系統(tǒng)作用下，各環(huán)境工況下受力最大系泊纜均相同，但最大張力均有所增大，系泊于島礁地形上的纜繩最大張力大多有不同程度的增大，可能存在破斷風險，因此在設計系泊纜時有必要進行強度校核。