大型海上浮式結(jié)構(gòu)物系泊纜動(dòng)力特性分析

沈 雁，管義鋒，潘亦鵬

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京211170;2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

我國(guó)擁有豐富的海洋資源，目前開(kāi)采主要集中在淺海區(qū)域。我國(guó)南部沿海區(qū)域90%的海域水深超過(guò)1 000 m。若是在此建立大型浮體，不僅可以擔(dān)當(dāng)起中轉(zhuǎn)站的作用，可以使飛機(jī)、艦船等在此?？浚S時(shí)待命處理意外情況。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于大型浮體乃至超大型浮體的研究很多，但主要集中在動(dòng)力響應(yīng)、構(gòu)成形式等;而對(duì)其系泊的研究相對(duì)較少，對(duì)其系泊纜的動(dòng)力響應(yīng)研究更是幾乎沒(méi)有。

本文著重研究1 000 m 水深下的大型浮式結(jié)構(gòu)物的系泊運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，本文計(jì)算采用的軟件是Sesam中的Deep－C。利用Deep－C 進(jìn)行計(jì)算，分析對(duì)比不同設(shè)計(jì)工況下的動(dòng)力響應(yīng)，從而為超大型浮體(VLFS)系泊設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究奠定一定的基礎(chǔ)。

1 計(jì)算理論

1.1 速度勢(shì)及其邊界條件

假設(shè)流體是無(wú)粘、均勻且不可壓縮的無(wú)旋流，LFS 在靜水自由面上作六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)。首先建立笛卡兒坐標(biāo)系［1］:

式中:u(x，y，z)=▽?duì)?x，y，z);ω為長(zhǎng)峰波的角頻率;q為速度;ζ為自由表面的起伏;Φ為不定常速度勢(shì)。

其中

在自由表面:

物面條件:

深海海底條件:

在無(wú)窮遠(yuǎn)處:

應(yīng)用疊加原理，將線性速讀勢(shì)分解為入射勢(shì)φI，繞射勢(shì)φD和輻射勢(shì)［3］φR。

建立相應(yīng)的邊界條件，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行船體附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)和波浪力的計(jì)算。

1.2 運(yùn)動(dòng)方程

海上漂浮的海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)方程與一般船舶基本相同，如下所示［4］:

若考慮系泊力、環(huán)境載荷等非線性因素影響海洋結(jié)構(gòu)物在時(shí)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程式如下［5］:

式中:Xj為浮體位移向量;Aij為質(zhì)量慣性矩系數(shù)矩陣;Bij為阻尼系數(shù)矩陣;Cij為浮體復(fù)原力系數(shù)矩陣;Gi為系泊力;FiA為波浪力;FiW為風(fēng)力;FiC為潮流力;Mij為浮體質(zhì)量矩陣;Aij(∞)為浮體附加質(zhì)量矩陣;Lij為時(shí)延函數(shù)。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

本文選取的模型為海上超大型浮式結(jié)構(gòu)物中的一個(gè)模塊，LFS的基本設(shè)計(jì)尺度如表1所示。依據(jù)其設(shè)計(jì)尺度和型線圖，采用Sesam 進(jìn)行LFS 系統(tǒng)建模，如圖1所示。模型選擇右手系，以設(shè)計(jì)水線面的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，結(jié)構(gòu)物縱向?yàn)閄 軸，水線面的垂直方向?yàn)閆 軸，如圖2所示。

表1 LFS 基本設(shè)計(jì)尺度Tab.1 Basic design rules of LFS

圖1 LFS 面元模型Fig.1 Bin model diagram of LFS

圖2 坐標(biāo)軸和浪向的示意圖Fig.2 Schematic axes and wave direction

2.2 入射波設(shè)置

浪向角是浪與x 軸逆時(shí)針?lè)较虻膴A角，當(dāng)浪向角為0°時(shí)，沿X 軸方向，當(dāng)浪向角為90°時(shí)，沿X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。因此，Deep－C 中選取的浪向角范圍為0°～90°。

2.3 環(huán)境條件

本文目標(biāo)位為我國(guó)南部深海海域，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件如表2所示。系泊系統(tǒng)布置圖及三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)模型如圖3所示。

表2 海洋環(huán)境條件Tab.2 Marine environmental conditions

圖3 系泊系統(tǒng)布置圖及三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)模型Fig.3 Mooring system and three-dimensional catenary mooring system model

3 三維懸鏈線式系泊系統(tǒng)選取及動(dòng)力響應(yīng)分析

系泊纜的長(zhǎng)度、每段的直徑、系泊纜間的夾角等是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮的參數(shù)，它們會(huì)影響浮體和系泊纜的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。本文以懸鏈線式系泊系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系泊纜均采用“鋼鏈－鋼纜－鋼鏈”三段式。在研究過(guò)程中，首先保持系泊纜的總長(zhǎng)不變，通過(guò)改變鋼鏈、鋼纜的直徑，設(shè)計(jì)出不同系泊方案;并且研究分析系泊纜長(zhǎng)度、系泊纜間夾角等因素對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。為了保證平臺(tái)在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的水平偏移最大和系泊纜張力最大，根據(jù)上述因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種適用于1 000 m水深的懸鏈線式系泊系統(tǒng)。其基本參數(shù)如表3所示。

表3 懸鏈線式系泊纜基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of catenary type mooring

利用SESAM 軟件中的Deep－C 對(duì)各工況下的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。表4和圖4 詳細(xì)描述了浮體水平運(yùn)動(dòng)結(jié)果，圖5和圖6為各系泊纜張力結(jié)果。

表4 不同波浪和來(lái)流角度下LFS的水平位移Tab.4 Horizontal displacement of LFS in different waves and flow angle

圖4 平臺(tái)在各風(fēng)浪流角度下的平均與最大位移Fig.4 Average and maximum displacement of platform in different storm flow angles

圖5 各工況系泊纜頂部平均張力圖Fig.5 Average tension strength at the top of mooring in different conditions

圖6 各工況系泊纜頂部最大張力圖Fig.6 Maximum tension strength at the top of mooring in different conditions

由計(jì)算結(jié)果可知:LFS的水平位移從71.7 m 增至91.9 m，增幅為28.4%，而平均位移僅由25.9 m增至29.3 m，增幅為13.1%，在位移上先是隨著風(fēng)浪流角度的增加而減小，在60°左右達(dá)到最小值然后再增加，這與半潛型式有關(guān)，半潛平臺(tái)抗橫搖及縱搖能力較好，而最大位移幾乎是平均位移的3 倍。

由圖5和圖6 可知，當(dāng)海流來(lái)流角度與波浪浪向角均為0°時(shí)，X 軸對(duì)稱(chēng)系泊纜張緊力基本相同，與實(shí)際情況下的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)受力一致;當(dāng)海流來(lái)流角度與浪向角均為90°時(shí)，迎流側(cè)各系泊纜張緊力均達(dá)到最大值，而背流側(cè)各系泊纜張緊力均處于最小值。與位移相似，在位移上先是隨著風(fēng)浪流角度的增加而減小，在60°左右達(dá)到最小值然后再增加，而最大張力在0°時(shí)約是平均張力的2 倍，在90°時(shí)約是平均張力的3 倍。

由于浮體系泊時(shí)是按順流方向布置，風(fēng)浪流90°的情況幾乎遇不到。所以將風(fēng)浪流為0°的時(shí)候作為主要考慮的常規(guī)工況，同時(shí)也兼有考慮風(fēng)浪流為90°時(shí)的極限工況。

3.1 改變系泊纜長(zhǎng)度

系纜長(zhǎng)度對(duì)LFS 水動(dòng)力性能有著顯著影響。本研究選取系泊水深為1 000 m，系泊半徑為2 400 m，在風(fēng)浪流分別為0°和90°共同作用的前提下，取系纜總長(zhǎng)分別為2 680.8 m，2 700.8 m和2 720.8 m 時(shí)，縱蕩、橫蕩和垂蕩響應(yīng)及系纜張力的變化［6］，具體參數(shù)如表5所示，變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

表5 風(fēng)浪流0°和90°下各參數(shù)Tab.5 Each parameter at 0 °and 90 °waves flow

圖7 系纜長(zhǎng)度對(duì)縱蕩響應(yīng)的影響Fig.7 Influence of mooring length on vertical response

圖8 系纜長(zhǎng)度對(duì)橫蕩響應(yīng)的影響Fig.8 Influence of mooring length on sway response

從圖7和圖8 可以看出，隨著系纜長(zhǎng)度的增加，縱蕩及橫蕩響應(yīng)都相應(yīng)增大，因?yàn)橄挡磳?duì)船體控制效應(yīng)隨著系纜長(zhǎng)度的增加而減弱，船體水平恢復(fù)力減小，系纜張力快速減小。圖中，當(dāng)系纜長(zhǎng)度達(dá)到2 700.8 m 時(shí)，橫蕩幅度達(dá)到水深的10%;系纜長(zhǎng)度大于2 700.8 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增速增大，系纜頂端張力動(dòng)力響應(yīng)減速減小。因此，在水深為1 000 m，系泊半徑為2 400 m 時(shí)，系纜最大長(zhǎng)度應(yīng)該控制在2 700.8 m 以內(nèi)。

3.2 改變系泊纜布置角度

系泊纜的對(duì)稱(chēng)布置角度對(duì)LFS 水動(dòng)力性能也會(huì)產(chǎn)生影響。圖9為系泊纜夾角分別為5°，10°，15°時(shí)的布置形式。研究中不同布置形式的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果如表6所示，系泊纜夾角對(duì)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果如圖10和圖11所示。

表6 不同布置形式的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果Tab.6 The response results in different layout

圖9 系泊系統(tǒng)不同布置形式Fig.9 The different layout of mooring systems

圖10 系泊纜夾角變化對(duì)縱蕩特征的影響Fig.10 The influence on vertical swing characteristics in different mooring angle

從表6 中還可以看出，風(fēng)浪流為90°時(shí)的平臺(tái)橫蕩偏移的幅值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均比風(fēng)浪流為0°有所增加。此外由圖10和圖11 可以看出，系泊纜頂端張力和平臺(tái)縱蕩偏移的最大值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差均隨著系泊纜夾角的減小而略有降低。由上述圖表我們可以得出，改變系纜間的夾角并不會(huì)顯著影響系纜張力和縱蕩、橫蕩響應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探討在深水條件下大型浮式結(jié)構(gòu)物懸鏈線式系泊的耦合動(dòng)力響應(yīng)，主要分析各不同角度風(fēng)浪流條件下各個(gè)系泊纜及平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)特征和系泊纜的相關(guān)參數(shù)(長(zhǎng)度和系泊纜間夾角等)對(duì)LFS 懸鏈線式系泊系統(tǒng)的影響，從而初步計(jì)算分析了1 000 m 水深時(shí)懸鏈線式系泊系統(tǒng)，結(jié)論如下:

1)隨著系纜長(zhǎng)度的增加，縱蕩及橫蕩響應(yīng)都相應(yīng)增大;

圖11 系泊纜的夾角對(duì)頂端張力的影響Fig.11 The influence on Top tension in different mooring angle

2)系纜間夾角對(duì)LFS 水動(dòng)力性能的影響較小。

通過(guò)本文研究，加深了對(duì)深海海域條件下的LFS 等浮式結(jié)構(gòu)物在水動(dòng)力特性的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步研究海上大型浮式結(jié)構(gòu)物系泊設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

［1］崔維成，吳有生，李潤(rùn)培，等.超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物動(dòng)力特性研究綜述［J］.船舶力學(xué)，2001，5(1):73－81.

［2］林伍雄，多點(diǎn)系泊型式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船F(xiàn)PSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)［J］.船舶，2007(1):9－12.

［3］劉曉健.FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2013.

［4］童波.深海半潛式鉆井平臺(tái)水動(dòng)力性能分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.

［5］劉曉健.FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2013.

［6］張威.深海半潛式鉆井平臺(tái)水動(dòng)力性能分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.