單點(diǎn)系留水下平臺(tái)穩(wěn)定性研究

丁寶俊

摘要：對(duì)單點(diǎn)系留水下平臺(tái)和系留方式作了靜態(tài)穩(wěn)定性分析，并由此討論了衡重參數(shù)對(duì)平臺(tái)系留穩(wěn)定性的影響。用靜平衡的方法計(jì)算、分析水下平臺(tái)的系留穩(wěn)定性，全面了解水下平臺(tái)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)和系泊力方面的特征，從而為水下平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)際使用提供理論決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單點(diǎn)系留；水下平臺(tái)；穩(wěn)定性；靜力分析

中圖分類號(hào)：P75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0016－02

水下系留平臺(tái)系統(tǒng)靜力分析有多種方法，其中，準(zhǔn)靜定靜力分析計(jì)算最簡便，它能夠滿足一定的精度要求，在工程中被廣泛運(yùn)用。在運(yùn)用此分析方法時(shí)，常常是已知平臺(tái)所受的外力，然后根據(jù)系泊力的分量與流力的分量相平衡的原則，確定平臺(tái)的平衡位置，并確定在此平衡位置時(shí)，平臺(tái)姿態(tài)搖擺和旋轉(zhuǎn)的均值是否在工程精度許可的范圍內(nèi)。

作用在平臺(tái)系上的力包括水動(dòng)力、重力和張力等，具有很強(qiáng)的非線性特性，要完全評(píng)估平臺(tái)系統(tǒng)，就必須對(duì)每一根錨鏈進(jìn)行動(dòng)力分析。由于對(duì)錨鏈動(dòng)力分析進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)需要很長時(shí)間，因此，在一般方案設(shè)計(jì)階段，這種很詳細(xì)的動(dòng)力分析是沒必要的，往往會(huì)相應(yīng)簡化一些，以快速得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力特性供設(shè)計(jì)參考。結(jié)合準(zhǔn)靜定分析，可以對(duì)錨鏈系留方式的選擇、錨泊線材料和成分、平臺(tái)系統(tǒng)布置形式等特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，這一研究對(duì)初步設(shè)計(jì)具有重大意義。

本文主要討論的水下平臺(tái)是大深度水下平臺(tái)，而在大深度海區(qū)，主要是海流影響水下平臺(tái)系留穩(wěn)定性。海流的變化周期長，比較穩(wěn)定，比較容易修正、消除誤差，因此，在討論水下平臺(tái)的系留穩(wěn)定性時(shí)，我們可以假定來流是均勻穩(wěn)定流。

1單點(diǎn)系留時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與分析

單點(diǎn)系泊是一種常用的海洋平臺(tái)系留方式，被廣泛應(yīng)用于海洋生產(chǎn)、臺(tái)風(fēng)防御等需要海洋結(jié)構(gòu)物維持其位置相對(duì)固定的場(chǎng)合，而且單點(diǎn)系泊的錨鏈安裝工藝簡單。

本文采用錨鏈同平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與受力耦合的方法直接進(jìn)行系留穩(wěn)定性和載荷計(jì)算。深水系留的水下平臺(tái)所受的載荷有重力、浮力、流力和系泊力，各種外載荷共同作用引起水下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的原理，當(dāng)假定平臺(tái)處于瞬態(tài)靜止時(shí)，作用在平臺(tái)上的外力是一個(gè)平衡系。

如圖1所示，假設(shè)水下平臺(tái)在靜水中保持要求的豎直向上姿態(tài)，如（a）所示。當(dāng)有均勻來流時(shí)，水下平臺(tái)經(jīng)過搖擺運(yùn)動(dòng)后，最后穩(wěn)定在水中保持如（b）所示的穩(wěn)定姿態(tài)。假設(shè)錨鏈呈現(xiàn)伸直狀態(tài)，系留點(diǎn)在平臺(tái)尾部的中心點(diǎn)。在僅考慮平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)的條件下，提出了如式（1）所示的數(shù)學(xué)模型：

.（1）

式（1）中：ΔG——負(fù)浮力；

P——恒定海流產(chǎn)生的單位面積的壓強(qiáng)；

S——水下平臺(tái)的橫截面積；

T——錨鏈對(duì)水下平臺(tái)的系泊力；

δ——錨鏈與地面坐標(biāo)系Ox0的夾角（錨固角）；

θ——體坐標(biāo)系Bx與地面坐標(biāo)系Ox0的夾角；

L——水下平臺(tái)的長度；

D——水下平臺(tái)的直徑；

xc——重心到坐標(biāo)原點(diǎn)（浮心）的距離；

xt——系留點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；

Δxp——P的偏移量。

式（1）中有3個(gè)未知量θ，δ，T，而方程的個(gè)數(shù)也是3個(gè)，所以，方程是封閉的。

圖1單點(diǎn)系留平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)示意圖

2衡重參數(shù)對(duì)水下平臺(tái)系留穩(wěn)定性的影響

下面，通過表1、表2和表3的分析來研究水下平臺(tái)的衡重參數(shù)變化對(duì)水下平臺(tái)系留穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)ΔG =766 N，xc =0.141，xt =1.641，Δxp =0.25時(shí)，隨著P的變化，θ，δ，T的變化如表1所示（其中，θ' =90－θ是搖擺角）。

表1壓強(qiáng)變化引起的參數(shù)變化

P/Pa θ/° δ/° T/N θ'/°

10 89.398 9 88.968 0 765.990 822 9 0.601 1

50 86.815 3 84.663 1 765.771 363 9 3.184 7

70 85.527 7 82.517 7 765.553 415 7 4.472 3

100 83.605 3 79.314 5 765.095 232 7 6.394 7

120 82.331 5 77.192 0 764.705 278 1 7.668 5

從表1中可以看出，隨著單位面積壓強(qiáng)的增大，θ和δ呈下降趨勢(shì)，也就是說，平臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)越來越大。同時(shí)，錨鏈對(duì)水下平臺(tái)的系泊力T有著不太明顯的減小，而搖擺角θ'卻是有著非常顯著的變化。由于海流的速度平方與壓強(qiáng)成正比，因此，我們可以得到這樣的結(jié)論：隨著流速的增加，水下平臺(tái)的搖擺角變化非常明顯，其穩(wěn)定性也在逐漸降低。

當(dāng)ΔG =766 N，P=100 Pa，xt =1.641，Δxp =0.25時(shí)，隨著xc的變化，θ，δ，T的變化如表2所示（其中，θ' =90－θ是搖擺角）。

表2重心變化引起的參數(shù)變化

xc/m θ/° δ/° T/N θ'/°

0.141 83.605 3 79.314 5 765.095 232 7 6.394 7

0.161 83.856 7 79.313 1 765.656 631 0 6.143 3

0.181 84.089 2 79.312 2 766.176 133 4 5.910 8

0.211 84.407 1 79.311 4 766.886 451 6 5.592 9

0.250 84.773 1 79.311 2 767.704 255 4 5.226 9

從表2中可以看出，隨著重心與浮心之間距離的增大（浮心在上，重心在下），θ和δ呈上升趨勢(shì)，錨鏈對(duì)水下平臺(tái)的系泊力T也有一點(diǎn)增大，而搖擺角θ' 卻在減小。由此可見，改變重心與浮心之間的距離可以提高水下平臺(tái)的系留穩(wěn)定性。

當(dāng)P=100 Pa，xc =0.141，xt =1.641，Δxp =0.25時(shí)，隨著ΔG