丁愛兵， 汪學(xué)鋒， 徐勝文

（上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和陸地資源的日益緊張，人類越來(lái)越注重開發(fā)和利用海洋空間和資源，超大型浮體正是人們開發(fā)利用海洋的一項(xiàng)重要裝備［1］。超大型浮體由若干個(gè)浮體模塊化連接構(gòu)成，整體平臺(tái)尺度往往以km計(jì)，其通常布置在沿海島嶼附近或遠(yuǎn)海海島瀉湖內(nèi)，帶有永久或半永久性，具有綜合性、多用途的功能。

上世紀(jì)末以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)超大型浮體相繼開展了一系列相關(guān)技術(shù)研究［2］，提出了幾種概念設(shè)計(jì)方案，也形成了針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境中浮體水動(dòng)力響應(yīng)分析的部分理論方法［3］，但在水池模型試驗(yàn)研究方面尚存在相當(dāng)?shù)牟蛔悖?］。系泊系統(tǒng)作為保證超大型浮體安全定位的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)計(jì)［5］、數(shù)值分析［6-7］和水池試驗(yàn)［8］研究也與常規(guī)的海洋平臺(tái)有很大的差別。針對(duì)超大型浮體開展水池模型試驗(yàn)研究不僅需要考慮比常規(guī)海洋平臺(tái)更復(fù)雜的多模塊連接［9］、復(fù)雜的系泊系統(tǒng)模擬［10］，同時(shí)還需要考慮由于浮體大尺寸所帶來(lái)的復(fù)雜的海洋環(huán)境［11］和海底地形［12］的模擬等難點(diǎn)問題。

本文以由8個(gè)半潛式平臺(tái)模塊組成的超大型浮體為研究對(duì)象開展水池模型試驗(yàn)研究，通過對(duì)超大型浮體及其系泊系統(tǒng)、浮體遭遇的風(fēng)浪海洋環(huán)境、浮體布置位置海底地形條件的模擬，重點(diǎn)分析超大型浮體在非均勻波浪環(huán)境下不同模塊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊受力情況［13］，驗(yàn)證復(fù)雜環(huán)境條件對(duì)超大型浮體安全性和可靠性影響。同時(shí)為后續(xù)超大型浮體系泊性能評(píng)估和優(yōu)化以及相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)概述

本次試驗(yàn)研究對(duì)象超大型浮體由8個(gè)半潛式單體平臺(tái)模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)單模塊由上部甲板、中間立柱與5個(gè)下部浮箱組成。超大型浮體的部署地點(diǎn)考慮為由環(huán)礁包圍的水深為50 m左右的瀉湖內(nèi)，由于靠近島礁且超大型浮體尺寸較大，其系泊性能的研究必須考慮海底地形以及非均勻波浪條件的影響。

1.1 相似原理

海洋平臺(tái)在波浪中模型和實(shí)體兩個(gè)系統(tǒng)需要滿足3個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似［14］。在模型試驗(yàn)中通常忽略或放棄黏性的影響，保持弗勞德數(shù)和斯特羅哈數(shù)相等，即

式中：v、L、T分別為特征速度、特征線尺度和周期，下標(biāo)m和s分別表示模型和實(shí)體。綜合考慮超大型浮體及其系泊系統(tǒng)尺寸和水池的試驗(yàn)?zāi)芰Γ敬卧囼?yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比選為1∶100。

1.2 試驗(yàn)布置及坐標(biāo)系

圖1所示為整個(gè)試驗(yàn)的水池布置方案，包括水池造波系統(tǒng)、島礁模型、超大型浮體模型、地形模擬裝置等組成。其中地形模擬裝置用于模擬平臺(tái)所處的邊水深海底地形條件；島礁模型用于模擬產(chǎn)生平臺(tái)遭遇的非均勻波浪條件，W1～W13為布置在水池中不同位置的浪高儀，用于測(cè)量平臺(tái)不同模塊的遭遇波浪條件。

試驗(yàn)中采用大地坐標(biāo)系XEOYE和浮體坐標(biāo)系XFOYF兩個(gè)坐標(biāo)系，風(fēng)浪方向在大地坐標(biāo)系中沿Y軸負(fù)向。超大型浮體從左到右依次為1～8號(hào)模塊，浮體坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在4、5號(hào)模塊中心連線的中點(diǎn)。8模塊超大型浮體的每個(gè)單體模塊可視為一個(gè)剛體，每個(gè)單體模塊在任意時(shí)刻的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)可以分解為6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，即3個(gè)線運(yùn)動(dòng)（縱蕩、橫蕩、垂蕩）與3個(gè)角運(yùn)動(dòng)（橫搖、縱搖、艏搖）。試驗(yàn)中采用由模型初始靜平衡位置決定的旋轉(zhuǎn)大地坐標(biāo)系來(lái)描述超大型浮體的6自由度運(yùn)動(dòng)，即：艏向?yàn)榭v蕩正方向，左舷為橫蕩正方向，向上為垂蕩正方向，右舷向下為橫搖正方向，艏部向下為縱搖正方向，艏部向左舷為艏搖正方向。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了精確模擬超大型浮體所處的環(huán)境條件，試驗(yàn)除了需要加工制作8個(gè)單模塊平臺(tái)模型、連接器模型、系泊系統(tǒng)模型外，還需要模擬海底地形條件以及風(fēng)浪流環(huán)境條件。

2.1 單模塊平臺(tái)模型

超大型浮體單體模塊由上部甲板平臺(tái)、立柱與下部浮箱組成，圖2所示為其俯視圖和側(cè)視圖。單模塊平臺(tái)模型詳細(xì)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)中嚴(yán)格按照選定的縮尺比加工模型，調(diào)節(jié)重量重心位置、慣性半徑。單體模塊模型總長(zhǎng)、總寬的幾何尺寸誤差不超過其數(shù)值的千分之一，模型的重量、重心位置的誤差不超過目標(biāo)值的3%，慣性半徑誤差不超過目標(biāo)值的5%。

表1 單模塊平臺(tái)主要參數(shù)

2.2 連接器模型

相鄰單模塊模型之間在上部甲板平臺(tái)間通過左右對(duì)稱的2個(gè)連接器相連，連接器釋放了兩模塊間的相對(duì)縱搖，限制了其他5個(gè)自由度模塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。連接器安裝如圖3所示，中心距平臺(tái)中縱剖面0.29 m，連接器模型長(zhǎng)度為60 mm，寬度40 mm，高度40 mm，連接器中心距平臺(tái)上下甲板為30 mm。

2.3 地形模擬

超大型浮體布置處水深為50 m，但由于靠近島礁，浮體系泊系統(tǒng)的布放點(diǎn)水深變化較大，系泊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)以及性能分析均需要考慮地形條件的影響。在本次模型試驗(yàn)中，將對(duì)海底地形地貌進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖4所示，將海底地形簡(jiǎn)化為不同斜率的二維斜坡處理。

試驗(yàn)中，對(duì)海底地形的模擬將在原水池假底的基礎(chǔ)上，安裝地形模擬裝置模擬不同斜率的斜坡地形條件，如圖5所示。

2.4 島礁模型

試驗(yàn)中在來(lái)浪方向放置一島礁模型，干擾波浪的傳播方向和波高，以模擬實(shí)際環(huán)境中的沿超大型浮體長(zhǎng)度方向上的波浪非均勻性。如圖6所示，將島礁簡(jiǎn)化為5層階梯式模型，島礁模型沿長(zhǎng)軸方向長(zhǎng)度約為15 m，沿短軸方向?qū)挾燃s為7 m，高度約為0.7 m，島礁模型每層的形狀為不規(guī)則橢圓型。試驗(yàn)時(shí)，島礁模型距離8模塊超大型浮體約為12.5 m，短軸與波浪傳播方向平行。

2.5 系泊模型

本次試驗(yàn)中，8模塊超大型浮體使用的是張力腿懸鏈線復(fù)合系泊系統(tǒng)［15］，如圖7所示。在單體模塊的5個(gè)下浮箱兩側(cè)中心位置各設(shè)置1個(gè)導(dǎo)纜孔，每個(gè)導(dǎo)纜孔上連接一根錨鏈。每個(gè)單體模塊上連接10根錨鏈，其中懸鏈線式錨鏈6根，張力腿式錨鏈4根。

試驗(yàn)中所有張力腿式錨鏈的水中質(zhì)量、剛度等屬性參數(shù)均相同，懸鏈線錨鏈按照水中重量、剛度屬性不同分為兩類，I類是1和8號(hào)模塊上的1、3、5、6、8、10、71、74、75、76、78、80這12根錨鏈，II類包括2～7號(hào)模塊上對(duì)應(yīng)的36根懸鏈線錨鏈，各種錨鏈主要參數(shù)的實(shí)際值和模型值見表2。由于試驗(yàn)布置超大型浮體的x軸與大地坐標(biāo)系xF軸有10°夾角（見圖1），因此80根錨鏈的長(zhǎng)度根據(jù)錨點(diǎn)位置和水深的不同也略有差別。

表2 錨鏈屬性

3 海洋環(huán)境條件模擬

3.1 初始波浪校核

本次試驗(yàn)不考慮風(fēng)和流的影響，主要針對(duì)非均勻波浪條件下的系泊性能展開研究。試驗(yàn)中不規(guī)則波浪的模擬采用Jonswap譜，gamma值取2.0［16］，首先對(duì)沒有島礁模型和地形模擬裝置下的初始波浪進(jìn)行校核，主要模擬的初始波浪條件如表3所示。

表3 初始波浪條件下不規(guī)則波參數(shù)

3.2 非均勻波浪模擬

試驗(yàn)中的非均勻波浪由初始不規(guī)則波通過島礁模型繞射生成。通過在超大型浮體每個(gè)模塊前布置浪高儀陣列（圖1中W4～W11）可以測(cè)得每個(gè)模塊的遭遇波浪，圖8分別給出了初始波浪為表3中1～4情況下超大型浮體各模塊遭遇波浪的有義波高對(duì)比情況。由圖中可以看出，兩端模塊1和8因?yàn)椴辉趰u礁遮蔽范圍內(nèi)，所以波浪幾乎沒有能量損失，其有義波高比較接近初始值，中間幾個(gè)模塊特別是4號(hào)模塊由于正對(duì)島礁，遭遇波浪的有義波高明顯低于兩側(cè)，波浪能量損失較為嚴(yán)重。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)中首先需要對(duì)超大型浮體8個(gè)模塊分別進(jìn)行質(zhì)量、重心位置及慣量調(diào)節(jié)，之后在水中組裝成完整的超大型浮體。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括浮體水平剛度測(cè)試和波浪作用下系泊性能試驗(yàn)。由圖8的波浪非均勻情況可以看出，在試驗(yàn)的4種波浪條件下，1號(hào)和4號(hào)模塊的遭遇波浪相差較大，因此波浪試驗(yàn)中除了測(cè)量各錨鏈的系泊受力情況外，重點(diǎn)測(cè)量模塊1、4的6自由度運(yùn)動(dòng)。圖9顯示了8模塊超大型浮體風(fēng)浪試驗(yàn)的布置情況。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)主要研究非均勻波浪環(huán)境條件下浮體系泊性能，對(duì)超大型浮體水平剛度和不規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力等數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。

4.2.1 水平剛度測(cè)試

對(duì)8模塊超大型浮體系泊系統(tǒng)進(jìn)行水平剛度試驗(yàn)，測(cè)量得到的系統(tǒng)水平剛度曲線，并與設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)用數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖10所示為系統(tǒng)在來(lái)浪方向上的水平剛度，紅點(diǎn)代表的試驗(yàn)測(cè)量值與藍(lán)線代表的理論計(jì)算結(jié)果較為接近，表明系泊系統(tǒng)的模擬符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 系泊受力分析

表4給出了不同波浪條件下錨鏈最大受力情況，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

表4 最大系泊受力情況

（1）總體而言，錨鏈所受的拉力隨著波浪的增大而增大，且在相同工況下張力腿錨鏈的受力大于懸鏈線錨鏈的受力。

（2）在波高為8 m時(shí)，錨鏈?zhǔn)芰Τ霈F(xiàn)最大值。其中：張力腿錨鏈的最大值出現(xiàn)在模塊8第79號(hào)錨鏈上，系泊力129 082 kN，為設(shè)計(jì)破斷強(qiáng)度的89.5%；懸鏈線錨鏈的最大值出現(xiàn)在模塊1的第6號(hào)錨鏈上，系泊力25 536 kN，為設(shè)計(jì)破斷強(qiáng)度的19.1%。

（3）幾種不同的波浪條件下，系泊系統(tǒng)受力最大的錨鏈均出現(xiàn)在模塊1和模塊8兩側(cè)模塊上，一方面由于非均勻波浪影響，兩側(cè)模塊遭遇波浪相對(duì)較大；另一方面中間模塊受到連接器作用力，系泊受力相對(duì)較?。?7］。

4.2.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

表5給出了不同波浪條件下8模塊超大型浮體模塊1和模塊4測(cè)得的6自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（｜A｜max、｜A｜mean、｜A｜std分別代表6自由度運(yùn)動(dòng)各自的最大值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差）。

表5 不同波浪條件下模塊1和4測(cè)得6自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值

由表5可見：

（1）隨著風(fēng)浪的增大，模塊1和模塊4 6自由度運(yùn)動(dòng)的均值和幅值總體上是增大的，標(biāo)準(zhǔn)差也明顯增大，這說(shuō)明這兩個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)幅度隨風(fēng)浪增加而增加。

（2）由于受到非均勻波浪的影響，模塊1和模塊4的橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)的均值和極值有明顯的差別，特別是風(fēng)浪較大的情況下，模塊1的運(yùn)動(dòng)幅值明顯大于模塊4的運(yùn)動(dòng)幅值。

（3）平臺(tái)的縱蕩、艏搖運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小，這主要與連接器的設(shè)計(jì)形式有關(guān)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要開展了8模塊超大型浮體在非均勻波浪作用下的系泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)研究，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，一方面發(fā)現(xiàn)不同模塊系泊系統(tǒng)的受力情況和運(yùn)動(dòng)響受非均勻波浪的影響較大；同時(shí)還對(duì)系泊系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了分析，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)在有義波高5 m以下的波浪作用下安全性較高，但波高8 m的情況下安全系數(shù)相對(duì)較低，需要進(jìn)一步進(jìn)行錨鏈優(yōu)化。