劉勖恒

(清華大學(xué) 土木水利學(xué)院， 北京 100084)

0 引 言

海洋平臺是開發(fā)海洋資源的關(guān)鍵裝備，塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置通過軟剛臂將漂浮的海洋平臺系泊在固定單點(diǎn)塔架上，這是目前固定海洋平臺的一種普遍方式，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)長期被國外少數(shù)公司所壟斷[1]，我國已開始自主研發(fā)軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。軟剛臂系泊與纜鏈系泊的主要區(qū)別如下：軟剛臂在自重和壓載水重力作用下具有水平剛度，能為海洋平臺提供水平回復(fù)力，當(dāng)海洋平臺靠近單點(diǎn)塔架時(shí)對其產(chǎn)生推力，當(dāng)海洋平臺遠(yuǎn)離單點(diǎn)塔架時(shí)對其產(chǎn)生拉力，限制浮動的海洋平臺在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動，系泊海洋平臺并防止海洋平臺與單點(diǎn)塔架發(fā)生碰撞。

目前人們對軟剛臂進(jìn)行大量的理論建模、數(shù)值計(jì)算和縮比試驗(yàn)，涉及軟剛臂的剛度特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞，以及軟剛臂系泊系統(tǒng)與海洋浮動平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境載荷作用下的耦合動力學(xué)等。例如：FAN等[2]分析軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)原型試驗(yàn)測量方法及其精度；田冠楠等[3]對指定環(huán)境工況下的軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷進(jìn)行數(shù)值分析，將其與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性；呂柏呈等[4-5]建立軟剛臂多體動力學(xué)方程，分析軟剛臂系泊系統(tǒng)的動力學(xué)特性；張鳳偉等[6]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究軟剛臂系泊下浮式液化天然氣存儲及再氣化裝置的動力學(xué)特性；袁威等[7]建立系泊力、平臺水平位移與軟剛臂結(jié)構(gòu)形式之間的關(guān)系，以確定不同噸位的浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)適用的最佳軟剛臂結(jié)構(gòu)形式；金鋒等[8]建立軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，構(gòu)建保辛數(shù)值積分方法，計(jì)算系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)和系泊力；胡勇等[9]用ADAMS軟件分析軟剛臂系泊系統(tǒng)與平臺的多自由度耦合運(yùn)動；堯白蓮等[10]分析軟剛臂單點(diǎn)系泊的橫向剛度特性。

現(xiàn)有的研究都針對水艙滿載壓載水的軟剛臂，此時(shí)軟剛臂的重心在其結(jié)構(gòu)上的相對位置保持不變，其靜力學(xué)平衡方程和動力學(xué)方程相對容易建立。但是，由于軟剛臂系泊系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的長期性以及運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，在非正常情況下，一旦軟剛臂壓載水艙未滿載壓載水，壓載水會隨著軟剛臂的運(yùn)動在水艙內(nèi)流動，軟剛臂的重心隨之在其結(jié)構(gòu)上發(fā)生移動，導(dǎo)致軟剛臂的剛度特性不同于水艙滿載壓載水的正常工況。

本文針對水艙未滿載壓載水的軟剛臂縱向靜剛度問題，建立軟剛臂縱向靜回復(fù)力矩隨轉(zhuǎn)角變化的理論模型和計(jì)算方法，描述單點(diǎn)系泊軟剛臂系統(tǒng)在未滿載壓載水的靜態(tài)剛度特性，為軟剛臂和海洋平臺系統(tǒng)在非正常情況下的力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。

1 水艙軸線與壓載水水面夾角

軟剛臂由2個盛水的圓柱形密封壓載水艙和2個連桿呈A字形組成，如圖1所示。連桿與水艙的1個端面固定連接，2個連桿分別與對應(yīng)水艙的軸線共線并匯聚于點(diǎn)O，在O點(diǎn)與固定單點(diǎn)塔架鉸接連接。圓柱形水艙的半徑為r，長度為Lc，忽略水艙壁厚；連桿長度為Lb；軟剛臂的2個水艙軸線之間的夾角為2γ。2個長度均為La的系泊腿一端分別與2個水艙外壁鉸接連接，連接點(diǎn)至原點(diǎn)O的連線在水艙軸線方向的投影距離為Ld，系泊腿另一端與海洋平臺上的系泊支架鉸接連接。水艙、連桿和系泊腿均視為剛體，設(shè)單個水艙滿載時(shí)壓載水量為W0，單個水艙未滿載時(shí)壓載水量為kW0(0≤k<1)，k為壓載艙的裝載率。

圖1 軟剛臂幾何尺寸及整體和局部坐標(biāo)系

如圖1所示：建立整體坐標(biāo)系O-XYZ，其中X軸沿2個水艙軸線的角平分線方向(EX=(1,0,0))，Y軸豎直向上(EY=(0,1,0))，Z軸沿軟剛臂的轉(zhuǎn)動軸方向(EZ=(0,0,1))；以整體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系O-xyz，x軸沿水艙軸線方向，z軸為該豎直面的法線方向，y軸位于水艙的垂直橫截面內(nèi)。忽略海洋平臺繞單點(diǎn)塔架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及平臺艏搖，僅考慮軟剛臂繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角度φ定義為軟剛臂的2個水艙軸線形成的平面與水平面之間的夾角。

由于對稱性，取軟剛臂的一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。如圖2所示，P為初始水艙自由端面(左端面)的中心點(diǎn)，該點(diǎn)在軟剛臂繞Z軸旋轉(zhuǎn)φ后運(yùn)動至Q點(diǎn)，R點(diǎn)為P點(diǎn)和Q點(diǎn)在Z軸上的投影點(diǎn)，LOP=LOQ=L=Lb+Lc，LPR=lQR=a=Lcosγ，PR與QR之間的夾角為φ。在三角形PQR中，求得PQ長度為

圖2 水艙軸線與壓載水水面之間夾角示例

(1)

在三角形PQO中，求得PO與QO的夾角θ為

(2)

θ即為軟剛臂旋轉(zhuǎn)后水艙中的水面與水艙軸線之間的夾角。

2 壓載水艙中的水面位置

在整體坐標(biāo)系下，X軸的方向向量EX繞Y軸旋轉(zhuǎn)γ角度，然后再繞Z軸旋轉(zhuǎn)φ角度，即得到局部坐標(biāo)系的x軸在整體坐標(biāo)系中的方向向量nx。利用羅德里格旋轉(zhuǎn)公式，空間向量B繞單位向量A旋轉(zhuǎn)角度α后得到向量的表達(dá)式為

B′=Bcosα+(A×B)sinα+A(A·B)(1-cosα)

(3)

得到nx為

nx=n′xcosφ+(EZ×n′x)sinφ+EZ(EZ·n′x)(1-cosφ)

(4)

式中：

n′x=EXcosγ+(EY×EX)sinγ+EY(EX·EY)(1-cosγ)=(cosγ,0,-sinγ)

(5)

同理，旋轉(zhuǎn)EY和EZ可以得到局部坐標(biāo)系y和z軸在整體坐標(biāo)系下的方向向量ny和nz。

若任意一個空間向量在整體坐標(biāo)系下的分量為[T1,T2,T3]T，在局部坐標(biāo)系下的分量為[t1,t2,t3]T，則兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(6)

式中：Λ為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換陣

Λ=[nxnynz]

(7)

于是，整體坐標(biāo)系X軸在局部坐標(biāo)系下的方向向量為

eX=ΛTEX=[nx[1]ny[1]nz[1]]T

(8)

用過壓載水艙軸線的豎直平面(垂直于水艙內(nèi)水面)將水艙切開，則水艙在局部坐標(biāo)系xy平面的圖形如圖3所示，水面以下為壓載水，水面以上為空，水面與水艙軸線之間的夾角為θ，由式(2)給出。水面在xy平面內(nèi)與水艙左端面、右端面、軸線、上表面、下表面交點(diǎn)的x軸坐標(biāo)分別為xa、xb、xc、xu、xd，其中：xa=Lb+Lc，xb=Lb，xc∈[xb-r/tanθ,xa+r/tanθ]，xu=xc+r/tanθ，xd=xc-r/tanθ。

圖3 局部坐標(biāo)系xy平面中的水艙截面

根據(jù)xu、xc、xd與xa、xb之間的關(guān)系，水艙內(nèi)水面位置分為8種情況，分別如圖4所示。

圖4 水艙水面的8種情況

在局部坐標(biāo)x軸橫截面(yz平面)內(nèi)，根據(jù)水艙的水面位置，分為水面在z軸之上和在z軸之下兩種情況(見圖5)，其中，水面距z軸的距離為h(x)。

圖5 水艙橫截面上水面與z軸的關(guān)系

容易計(jì)算水艙橫截面上的水面積為

(9)

根據(jù)圖4中水面的8種情形，水艙中水的重量W為

(10)

對于2個水艙的壓載水裝載率都為k的軟剛臂，當(dāng)其繞整體坐標(biāo)系Z軸的轉(zhuǎn)角為φ時(shí)，可根據(jù)載水量kW0確定xc，并判斷水艙中當(dāng)前水面屬于上述8種情形中的哪一種。由于水艙載水量函數(shù)的分段特性，難以直接根據(jù)kW0解方程計(jì)算xc，采用簡單的數(shù)值方法確定xc：(1) 當(dāng)0≤k≤0.5時(shí)先設(shè)定xc等于其最大取值xc=xa+r/tanθ，然后逐漸減小xc，每次均勻減小Δxc=(xa-xb+2r/tanθ)/n，n為給定的整數(shù)；當(dāng)0.5

3 縱向靜回復(fù)力矩

考慮軟剛臂水艙橫截面上水的微元dxdy，其在局部坐標(biāo)系下的位置向量為s，所受的重力豎直向下，該微元重力對軟剛臂轉(zhuǎn)軸(整體坐標(biāo)系Z軸)的力矩為dM=ρdydze，其中：ρ為水密度；e為該微元至整體坐標(biāo)系YZ平面的距離，e=eX·s。則水艙中的壓載水對軟剛臂轉(zhuǎn)軸的重力矩M為

(11)

設(shè)水艙為均勻圓柱殼體結(jié)構(gòu)，重量為Ws，結(jié)構(gòu)質(zhì)心位于水艙幾何中心，在局部坐標(biāo)系下位置為(Lb+Lc/2,0,0)，則水艙結(jié)構(gòu)自重對軟剛臂轉(zhuǎn)軸的力矩為

Ms=Ws(Lb+Lc/2)cosγcosφ

(12)

軟剛臂的總回復(fù)力矩為2(M+Ms)，于是建立軟剛臂縱向靜回復(fù)力矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。

計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 軟剛臂縱向靜回復(fù)力矩計(jì)算流程

4 算 例

利用所建立的軟剛臂縱向靜回復(fù)力矩模型，取r=2 m,La=40 m,Lb=12 m,Lc=12 m,Ld=23 m,γ=20°,W0=27.64 t,n=10 000, Δφ=0.09°，計(jì)算得到不同壓載水裝載率下的軟剛臂壓載水的縱向靜回復(fù)力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線(見圖7)，軟剛臂縱向總靜回復(fù)力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線(見圖8)。圖7中：曲線M_Full為用固定質(zhì)心方法計(jì)算得到的滿載時(shí)的曲線，曲線M_Full_k(k=0.10,0.30,0.50,0.70,0.90,0.99)為滿載壓載水時(shí)的壓載水回復(fù)力矩乘以裝載率k(k=0.10,0.30,0.50,0.70,0.90,0.99)得到的曲線，其中曲線M_Full_0.99與M_Full 基本一致，不再畫出；曲線M_k(k=0.10,0.30,0.50,0.70,0.90,0.99)為用本模型計(jì)算得到的裝載率k(k=0.10,0.30,0.50,0.70,0.90,0.99)下的壓載水回復(fù)力矩曲線。圖8中M_k+Ms、M_Full_k+Ms為相應(yīng)的壓載水回復(fù)力矩與軟剛臂結(jié)構(gòu)重力矩之和。由圖7和圖8可知，不同壓載水裝載率下的回復(fù)力矩曲線之間不存在線性比例規(guī)律。

圖7 軟剛臂壓載水縱向靜回復(fù)力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

圖8 軟剛臂縱向總回復(fù)力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

圖9為考慮水流動和不考慮水流動兩種方法計(jì)算的壓載水縱向靜回復(fù)力矩之間的相對誤差，相對誤差定義為(M_Full_k-M_k)/M_k。由圖9可知：當(dāng)壓載水裝載率較小時(shí)，相對誤差較大，隨著壓載水裝載率的逐漸增大，二者的差異越來越??；當(dāng)壓載水裝載率為0.99時(shí)，軟剛臂回復(fù)力矩曲線與滿載壓載水的曲線很接近；當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度接近0°，即軟剛臂基本水平時(shí)，2種情況下的壓載水質(zhì)心一致，因此回復(fù)力矩相同；隨著角度從0°開始增大，相對誤差迅速增大，然后保持緩慢增大；當(dāng)角度接近90°時(shí)，相對誤差迅速增大，但此時(shí)的絕對誤差非常小。

圖9 不同壓載艙裝載率下壓載水縱向靜回復(fù)力矩與固定質(zhì)心靜回復(fù)力矩之間的相對誤差

5 結(jié) 論

推導(dǎo)單點(diǎn)系泊軟剛臂未滿載壓載水時(shí)的靜回復(fù)力矩模型和計(jì)算方法，算例計(jì)算結(jié)果表明，在水艙未滿載時(shí)，水的流動會導(dǎo)致軟剛臂質(zhì)心發(fā)生變化，軟剛臂回復(fù)力矩與相同重量下固定質(zhì)心的軟剛臂回復(fù)力矩曲線有較大差異，并且壓載水裝載率越小二者差異越大。需要指出的是，模型假定軟剛臂結(jié)構(gòu)對稱，當(dāng)2個水艙中的載水量不相等時(shí)，重力會產(chǎn)生扭矩，使軟剛臂產(chǎn)生繞X軸的附加轉(zhuǎn)動，對于這種情況，可以在本建模方法的基礎(chǔ)上建立其靜力學(xué)模型。此外，本模型忽略了動態(tài)效應(yīng)，沒有考慮未滿載時(shí)壓載水在軟剛臂旋轉(zhuǎn)過程中復(fù)雜的液面晃動問題。