新型半潛式海洋通信平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傾斜試驗(yàn)研究及傾斜試驗(yàn)研究

梅 蕾，李宏源,，王大政，王 鑫，徐 麗，劉 暢，任冬亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

新型半潛式海洋通信平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傾斜試驗(yàn)研究及傾斜試驗(yàn)研究

梅 蕾1，李宏源1,2，王大政1，王 鑫2，徐 麗1，劉 暢3，任冬亮1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》設(shè)計(jì)新型半潛式海洋通信平臺(tái)并確定該平臺(tái)的主尺度及加筋結(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用SolidWorks軟件建立海洋平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)模型，并計(jì)算出模型的重心、浮心坐標(biāo)。按照縮尺比=1∶30的比例設(shè)計(jì)并建造該半潛式海洋通信平臺(tái)的模型，其中模型采用玻璃鋼材料，且保證實(shí)體與模型的重心、浮心坐標(biāo)及慣性矩等滿足相應(yīng)的比例關(guān)系，最后進(jìn)行模型傾斜試驗(yàn)。將軟件模擬的結(jié)果與傾斜試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，重心坐標(biāo)誤差為0.5%，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

半潛式平臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；傾斜試驗(yàn)

0 引 言

新型半潛式海洋通信平臺(tái)不同于鉆井平臺(tái)和浮標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很多創(chuàng)新，如系泊方案采用深海單點(diǎn)系泊方法。該海洋平臺(tái)集太陽(yáng)能發(fā)電、液壓式風(fēng)力發(fā)電等新能源于一體，為海洋平臺(tái)通信任務(wù)系統(tǒng)提供能量。該新型半潛式海洋通信平臺(tái)布設(shè)在中國(guó)南海水深約2 000 m海域，是一款用于獲取海上氣象水文觀測(cè)資料的綜合性大型海洋觀測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠定時(shí)提供氣溫、氣壓、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、海水溫鹽度、浪高、流速、流向等海上氣象水文資料，以加強(qiáng)對(duì)我國(guó)南海海域惡劣海況和氣候變化的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。對(duì)于新型半潛式海洋通信平臺(tái)，按照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》設(shè)計(jì)壽命為30年。

半潛式海洋通信平臺(tái)能夠與衛(wèi)星、飛機(jī)、海洋調(diào)查船、海監(jiān)船和深潛器等構(gòu)成立體的海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該半潛式海洋通信平臺(tái)使用太陽(yáng)能電池板及液壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為通信系統(tǒng)提供能源，能耗低，且對(duì)海洋環(huán)境幾乎不造成污染。與其他海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，半潛式海洋通信平臺(tái)具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、功能齊全、成本低、更大的工作水深、低能耗、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物傾斜試驗(yàn)的傾角測(cè)量多采用擺錘法。本文采用一種AH-100B航資傳感器測(cè)量海洋平臺(tái)的傾角，并用LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物傾斜試驗(yàn)的創(chuàng)新及改進(jìn)有廣泛的借鑒意義。

1 新型半潛式海洋通信平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半潛式海洋通信平臺(tái)的主尺寸包括平臺(tái)長(zhǎng)度、寬度和型深。平臺(tái)長(zhǎng)度指平臺(tái)在中縱剖面上的最大水平投影尺寸；平臺(tái)寬度指垂直于縱剖面量得的兩舷殼板內(nèi)側(cè)之間的最大水平距離；平臺(tái)型深指平臺(tái)長(zhǎng)度中點(diǎn)處沿舷側(cè)從基線量至下殼體最上層連續(xù)甲板梁上緣的垂直距離。新型半潛式海洋通信平臺(tái)主尺度及主體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示(選取中縱剖面、中橫剖面和水線面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；Z軸為上下方向，向上為正)。

按照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[2]，對(duì)半潛式海洋通信平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主尺度如表1所示，加強(qiáng)筋方案如表2所示。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備箱結(jié)構(gòu)、立柱和太陽(yáng)能板結(jié)構(gòu)分別如圖1～圖4所示。

表1 半潛式海洋通信平臺(tái)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Principal dimensions of semi-submersible communicationsplatform

表2 新型半潛式海洋平臺(tái)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方案Tab.2 Stiffener design scheme of semi-submersiblecommunications platform

圖1 新型半潛式海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General design structure of semi-submersible communications platform

圖2 新型半潛式海洋平臺(tái)設(shè)備箱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Equipment compartment structure of semi-submersible communications platform

圖3 新型半潛式海洋平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Column structure of semi-submersible communications platform

海洋平臺(tái)在水池中進(jìn)行模型水動(dòng)力性能試驗(yàn)的第一道工序是模型制作。平臺(tái)模型不僅在外形上要和實(shí)體幾何相似，而且和性能有關(guān)的參數(shù)如重量、重心位置以及慣性矩等也要滿足幾何相似要求。

在海洋平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)中，重心、浮心坐標(biāo)及慣性矩的計(jì)算十分重要，所以本文基于SolidWorks軟件對(duì)該新型半潛式海洋通信平臺(tái)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算出海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的重心、浮心及慣性矩，為水動(dòng)力計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化做準(zhǔn)備。其中，半潛式海洋通信平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，艙室及太陽(yáng)能板結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。

圖4 半潛式海洋通信平臺(tái)整體示意圖Fig.4 The overall schematic of semi-submersible communications platform

圖5 新型半潛式海洋通信平臺(tái)艙室示意圖Fig.5 The cabin schematic of semi-submersible communications platform

圖6 新型半潛式海洋通信平臺(tái)太陽(yáng)能板結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The solar panel structure of semi-submersible communications platform

2 海洋平臺(tái)模型傾斜試驗(yàn)

外形及上層建筑幾何相似的海洋平臺(tái)模型制成后，需要根據(jù)海洋平臺(tái)實(shí)體的數(shù)據(jù)，對(duì)模型的重心位置及慣性矩等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行校核，以保證模型與實(shí)體的質(zhì)量和質(zhì)量分布相似，這些參數(shù)直接影響到海洋平臺(tái)在海上風(fēng)、浪、流作用下的運(yùn)動(dòng)及受力。傾斜試驗(yàn)的目的在于確定空海洋平臺(tái)的實(shí)際排水量及其重心的實(shí)際位置[3]。

2.1 試驗(yàn)原理

當(dāng)海洋平臺(tái)正浮于水線WL時(shí)，其排水量為Δ，若將海洋平臺(tái)上A點(diǎn)處的重物P橫向移動(dòng)某一段距離L至A1點(diǎn)，則海洋平臺(tái)橫傾并浮于新水線W1L1。

從海洋平臺(tái)上載荷移動(dòng)公式可知，此時(shí)海洋平臺(tái)的橫傾角φ的正切[4]：

(1)

將式(1)帶入式(2)，即可得到海洋平臺(tái)重心垂向坐標(biāo)ZG的計(jì)算公式：

(2)

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)施

按照1∶30的比例，運(yùn)用玻璃鋼材料制造該半潛式海洋通信平臺(tái)的模型，傾斜試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。該試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶與海洋工程學(xué)院循環(huán)水槽進(jìn)行。

圖7 模型示意圖Fig.7 The schematic of model

2.3 試驗(yàn)步驟

重物布置情況如圖8和圖9所示，傾斜試驗(yàn)重物布置情況如表3所示。傾斜試驗(yàn)重物移動(dòng)情況如表4所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和記錄采用Labview程序，傾角測(cè)量示意圖如圖10所示，傾斜試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算如表6所示。

圖8 傾斜試驗(yàn)移動(dòng)重物位置分布Fig.8 Location map of moving weight in inclining experiment

圖9 傾斜試驗(yàn)移動(dòng)重物實(shí)際位置示意圖Fig.9 The actual location of moving weight in inclining experiment

圖10 傾角測(cè)量示意圖Fig.10 Angle measurement schematic diagram

表3 傾斜試驗(yàn)重物布置情況Tab.3 Weight arrangement in inclining experiment

表4 傾斜試驗(yàn)重物移動(dòng)情況Tab.4 Moving condition in inclining experiment

表5 傾斜試驗(yàn)結(jié)果記錄表Tab.5 The results form of inclining experiment

表6 初穩(wěn)性高計(jì)算表Tab.6 Calculating tables of metacentric height

初穩(wěn)性高計(jì)算：

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知，采用算數(shù)平均值算法和最小二乘法計(jì)算的GM值相同。

試驗(yàn)時(shí)海洋平臺(tái)重心垂向坐標(biāo)計(jì)算：

1.269/30=0.443m，

與SolidWorks軟件計(jì)算結(jié)果0.445誤差為0.5%。

圖11 SolidWorks計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculating result of SolidWorks

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于CCS規(guī)范完成了新型半潛式海洋通信平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用SolidWorks軟件計(jì)算出平臺(tái)的重心、浮心。運(yùn)用AH-100BAHRS航姿控制系統(tǒng)對(duì)海洋平臺(tái)的傾角進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，將傾斜試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差僅為0.5%，滿足工程要求，對(duì)未來(lái)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的傾斜試驗(yàn)有重要參考意義。

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Study on structure design and inclining experiment of semi-submersible communications platform

MEI Lei1,LI Hong-yuan1,2,WANG Da-zheng1,WANG Xin2,XU Li1,LIU Chang3, REN Dong-liang1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,China; 2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;3.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

Based on CCS,the semi-submersible communications platform was designed and its main dimensions and stiffened structures were determined first.The model was then designed and made in GRP material according to the scale ratio of 1:30，assuring the gravity center，buoyancy center，moments of inertia and other features of the model and the real platform meet the corresponding proportion.The model inclining test was done at last.Contrasting results of the test with the one simulated by the software，the deviation of gravity center coordinate was 0.5 percent，which means the project is feasible.

semi-submersible platform; structure design; inclining experiment

2014-09-23；

2015-04-30

中國(guó)電子科技集團(tuán)資助項(xiàng)目；山東省科技廳資助項(xiàng)目(2013GGA10065)

梅蕾(1981-)，女，博士，講師，從事復(fù)合材料船舶設(shè)計(jì)建造研究。

U663.2

A

1672-7649(2015)10-0128-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.027