吳 博 張亞新 黃自華 鄭 永 曹 政

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 湖南株洲 412000)

一、引言

隨著海洋資源探索開發(fā)的推進(jìn)[1]，各種新興海洋工程裝備應(yīng)運(yùn)而生，其中超大型海上浮式結(jié)構(gòu)物也稱為超大型海上浮動(dòng)平臺(tái)（Very Large Floating Struture，簡稱VLFS）的研究最為熱點(diǎn)。VLFS是尺度以公里記的海洋工程結(jié)構(gòu)物，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的海上平臺(tái)的尺度[2]。VLFS可布置在近?；蜻h(yuǎn)海區(qū)域工作，由于它的漂浮式特點(diǎn)，VLFS在防震抗震方面亦具有優(yōu)越性[3]。

早在20世紀(jì)初，就有一位名叫Edward Armstrong的美國人提出了建造浮式中繼機(jī)場(chǎng)的想法，名為阿姆斯特朗海上機(jī)場(chǎng)，目的是為跨越大西洋的國際航班提供導(dǎo)航和補(bǔ)給服務(wù)[4]。但由于當(dāng)時(shí)的科技研究技術(shù)能力有限，僅進(jìn)行到了1∶32的模型試驗(yàn)。日本由于國土面積小和國家地理位置的緣故，投入研究精力在海上發(fā)展?？紤]到日本地震多發(fā)及海上平臺(tái)良好的抗震性，日本自20世紀(jì)70年代就開始深入研究VLFS。1995年四月，日本提出了一種超大型浮式機(jī)場(chǎng)的概念，并取名為“Mega-Float”，它采用箱式浮體結(jié)構(gòu)。為此日本成立了專門的技術(shù)研究協(xié)會(huì)（TRAM）來研究浮式機(jī)場(chǎng)建造技術(shù)的可行性。并在研究結(jié)束后建造了仿真模型機(jī)場(chǎng)，在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)之后模型機(jī)場(chǎng)被拆除。

同樣對(duì)超大型海上浮式結(jié)構(gòu)平臺(tái)有深入研究的還有美國。從1985年開始，美國就一直參加或召開關(guān)于此研究課題的國際會(huì)議。在1997～2000年之間，美國海軍研究團(tuán)隊(duì)投入經(jīng)費(fèi)深入研究可移動(dòng)式海上基地——MOB（Mobile Offshore Base）。Brown&Root公司設(shè)計(jì)出一種5模塊半潛式模塊化結(jié)構(gòu)，模塊之間用8個(gè)連接器剛性連接，整個(gè)MOB總長可達(dá)到2000m。1996年McDerrnott公司提出了鉸鏈連接方案，到1997年Bechtel公司提出了動(dòng)力定位的獨(dú)立模塊式方案，同年阿克公司提出了鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組合方案，再到1998年Kvaerner公司提出柔性橋連接方案。

本文開展環(huán)狀多模塊超大型海上浮式平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析。首先基于線性波浪理論和振動(dòng)力學(xué)理論建立超大型浮動(dòng)平臺(tái)多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)六模塊環(huán)狀超大型浮動(dòng)平臺(tái)開展平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和連接器載荷分析，考慮非規(guī)則波輸入，開展模塊響應(yīng)和連接器載荷極值響應(yīng)分析，為環(huán)狀超大型浮動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

二、計(jì)算模型

圖1 六邊形平臺(tái)浮體模塊坐標(biāo)平面示意圖

圖2 六邊形平臺(tái)連接器坐標(biāo)示意圖

所有模塊間的連接器剛度均定義為僅考慮三向線位移約束的剛度矩陣

三、結(jié)果與討論

計(jì)算模型中單浮體模塊采用箱式模型，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 單浮體參數(shù)表

采用數(shù)值計(jì)算軟件編制動(dòng)力學(xué)求解程序，求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可獲得浮體系統(tǒng)的模塊響應(yīng)和連接器載荷。為了了解系統(tǒng)在規(guī)則波激勵(lì)下的幅頻響應(yīng)特性，首先繪制了典型浪向角下的浮體模塊和連接器載荷響應(yīng)幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）。圖3給出了0°浪向角下浮體模塊三個(gè)主要自由度的響應(yīng)幅值算子圖。從圖中可以看出，垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在0.3rad/s附近存在共振峰?？v搖和艏搖運(yùn)動(dòng)在0.5-1rad/s附近存在共振響應(yīng)。

圖3 0°浪相角下浮體模塊響應(yīng)RAO

為了進(jìn)一步研究連接器載荷的響應(yīng)情況，同樣給出0°浪向角下，連接器載荷的響應(yīng)幅值算子，如圖4所示。從圖中可以看出，縱向連接器載荷在0.5rad/s-1rad/s之間存在峰值，橫向載荷的峰值基本與縱向載荷的峰值區(qū)間基本一致。垂向載荷的峰值主要出于0.5rad/s左右，均低于橫向和縱向載荷的峰值區(qū)間。從峰值大小來看，橫向載荷明顯小于連接器的縱向和垂向載荷一個(gè)量級(jí)。這是由于本計(jì)算采用箱式浮體，浮體彎矩較大，會(huì)產(chǎn)生巨大的縱向連接載荷。橫向連接載荷較小的原因是連接器由于環(huán)狀浮體的耦合作用，橫向載荷可以由不同的方向連接器進(jìn)行分擔(dān)。

圖4 0°浪相角下浮體模塊間連接器響應(yīng)RAO

下面開展非規(guī)則波激勵(lì)下浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和連接器載荷響應(yīng)特性研究。為了研究，采用JONSWAP波譜開展研究，因?yàn)樵摬ㄗV為標(biāo)準(zhǔn)波譜，這里不做詳細(xì)介紹。圖5給出了浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的千一響應(yīng)極值隨浪向角的演化情況圖。從圖中可以看出，浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在0-180°內(nèi)存在明顯的三個(gè)響應(yīng)峰值。響應(yīng)峰值分別處于30°、90°和150°附近。從總體響應(yīng)峰值可以看出，該浮體的平動(dòng)響應(yīng)較大，轉(zhuǎn)角響應(yīng)均相對(duì)較小。

類似圖5所示，圖6給出了浮體間連接器載荷的千一響應(yīng)極值隨入射波浪向角的變化情況圖。從圖中可以看出，連接器載荷與浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的變化趨勢(shì)基本一致，這是由于本文采用線彈性柔性連接器，故連接器載荷與浮體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值線性相關(guān)。對(duì)比圖5和圖6可以看出，對(duì)于浪向角處于60和120°時(shí)，浮體模塊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和連接器載荷均相對(duì)較小，此時(shí)可作為環(huán)狀超大型浮動(dòng)平臺(tái)的布設(shè)方向。

四、結(jié)束語

本文對(duì)新型環(huán)狀超大型浮式平臺(tái)開展動(dòng)力學(xué)建模與響應(yīng)特性分析。開展了波浪頻率及入射角對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及連接器載荷的影響研究，得到如下結(jié)論：

1.當(dāng)波浪激勵(lì)頻率在0.3-0.8(rad/s)和1.2(rad/s)附近時(shí)，浮體模塊RAO響應(yīng)及連接器載荷產(chǎn)生明顯的共振峰值。

2.當(dāng)浪向角為60°和120°時(shí)，浮體模塊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和連接器載荷相對(duì)較小，可以選擇40°或140°作為環(huán)狀超大型浮動(dòng)平臺(tái)的布置浪向角。