考慮波浪荷載淺水效應(yīng)的FPSO水深吃水比臨界值

張若瑜，唐友剛，劉成義，李焱

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津300072；2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

考慮波浪荷載淺水效應(yīng)的FPSO水深吃水比臨界值

張若瑜1,2，唐友剛1,2，劉成義1,2，李焱1,2

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津300072；2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

淺水油田作業(yè)的軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO受到淺水效應(yīng)的影響，其所受二階波浪力及單點(diǎn)系泊力將劇烈增加，因此需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。針對(duì)一艘30萬(wàn)噸級(jí)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，基于多體動(dòng)力學(xué)方法，建立FPSO-系泊腿-軟剛臂的耦合模型，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法，在時(shí)域內(nèi)計(jì)算了不同水深吃水比下的單點(diǎn)系泊力。結(jié)果表明，水深吃水比超過(guò)一定值時(shí)，Pinkster近似法計(jì)算得到的系泊力將小于Newman近似法的系泊力；以系泊力相等時(shí)的水深吃水比作為FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界比值，隨著FPSO吃水的增加，F(xiàn)PSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界水深吃水比呈線性減小的規(guī)律。

多體動(dòng)力學(xué)；淺水效應(yīng)；二階波浪力；單點(diǎn)系泊力；水深吃水比

對(duì)于淺水油田作業(yè)的軟剛臂式單點(diǎn)系泊FPSO，其系泊系統(tǒng)的定位能力是FPSO安全作業(yè)的重要保障。FPSO在水平面內(nèi)橫蕩、縱蕩和艏搖三個(gè)自由度所受的低頻二階力是決定系泊系統(tǒng)載荷的重要因素。完整的二階波浪載荷傳遞函數(shù)的計(jì)算要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間以及資源，目前，二階波浪力的計(jì)算以Newman近似法和Pinkster近似法為主[1]；深水條件下，Newman近似法對(duì)FPSO所受二階波浪力的計(jì)算具有很好的近似性[2-3]，淺水條件下，由于受到淺水效應(yīng)的影響，F(xiàn)PSO所受二階波浪力將急劇增加[4-5]，此時(shí)，Pinkster近似法能較好的計(jì)算FPSO所受的二階波浪力[6]。當(dāng)FPSO所在作業(yè)水深低于一定深度時(shí)，就必須考慮淺水效應(yīng)對(duì)FPSO所受二階波浪力的影響。

為研究FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界水深，參考Miao[7]在計(jì)算人工漁樵水動(dòng)力性能隨水深變化規(guī)律時(shí)的做法，將水深參數(shù)(WD)無(wú)量綱化為水深吃水比參數(shù)(WD/T)，針對(duì)一艘30萬(wàn)噸級(jí)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO的不同裝載狀態(tài)，分別計(jì)算采用Newman近似法和Pinkster近似法考慮二階波浪載荷，在時(shí)域內(nèi)計(jì)算了不同WD/T下單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷，得到系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T的變化規(guī)律，并對(duì)比兩種方法的計(jì)算結(jié)果，分析產(chǎn)生這種差別的原因。由于Newman近似法在深水條件下具有很好的適用性，而Pinkster近似法對(duì)淺水條件下的二階波浪載荷具有更高的模擬精度，且當(dāng)水深超過(guò)一定深度時(shí)，Pinkster近似法計(jì)算所得到的單點(diǎn)系泊載荷將小于Newman近似法計(jì)算所得到單點(diǎn)系泊載荷；因此，可以將Newman近似法和Pinkster近似法下單點(diǎn)系泊載荷相等時(shí)的WD/T作為FPSO需要考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T。分別針對(duì)不同裝載狀態(tài)的FPSO進(jìn)行臨界WD/T的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨FPSO吃水T的增大逐漸減小，且具有線性關(guān)系。

1 有限元模型及計(jì)算理論

1.1 FPSO及系泊系統(tǒng)全耦合有限元模型

對(duì)于軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法通常將單點(diǎn)簡(jiǎn)化為約束縱蕩運(yùn)動(dòng)的非線性剛度彈簧，研究FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)或者單點(diǎn)的受力，這種方法很難模擬系泊機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)此，許多學(xué)者基于多體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)軟剛臂式單點(diǎn)系泊FPSO進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Wang等[8]以淺水軟剛臂系泊的FPSO為研究對(duì)象，采用多體方法模擬水下軟剛臂系泊實(shí)際結(jié)構(gòu)和FPSO，對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究；Guo等[9]通過(guò)時(shí)域內(nèi)的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究了非線性海洋環(huán)境下淺水FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性并進(jìn)行甲板上浪分析；Phadke等[10]基于多體方法，對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊的“蓬勃號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)安裝過(guò)程中允許的極限海洋環(huán)境分析；這些研究很好地證明了多體方法的適用性。本研究對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)的建模是基于多體方法進(jìn)行的。

采用ANSYS建立全船及系泊剛架的有限元模型，導(dǎo)入AQWA中進(jìn)行水動(dòng)力及時(shí)域響應(yīng)計(jì)算。模型坐標(biāo)系以船舯底部中縱剖線上的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸正向從船艉指向船艏，Y軸正向由左舷指向右舷，Z軸垂直水面向上?？紤]到船艏艉的形狀較為復(fù)雜，定義船艏艉的網(wǎng)格密度為2 m，船中的網(wǎng)格密度為3 m；滿載模型的網(wǎng)格總數(shù)為10 378，中載模型的網(wǎng)格總數(shù)為10 108，壓載模型的網(wǎng)格總數(shù)為10 079。水線面以下的船體濕表面被近似為大量的面元，面元上均勻分布了源匯強(qiáng)度，通過(guò)源匯表征流場(chǎng)速度勢(shì)的分布，用速度勢(shì)描述流體的流動(dòng)。FPSO及系泊剛架的有限元模型如圖1所示。

多體耦合模型中包含六部分結(jié)構(gòu)：FPSO及船艏系泊剛架通過(guò)剛性連接組成第一部分結(jié)構(gòu)；兩側(cè)系泊腿為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，上端與船艏系泊剛架通過(guò)雙軸鉸連接，釋放橫搖、縱搖兩個(gè)自由度的約束；下端與分別與左、右兩側(cè)軟剛臂通過(guò)三軸鉸連接，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束；包含壓載艙的左、右兩側(cè)軟剛臂為第四、五部分結(jié)構(gòu)，分別與系泊轉(zhuǎn)塔通過(guò)單軸鉸連接，釋放縱搖自由度的約束；系泊轉(zhuǎn)塔為第六部分結(jié)構(gòu)，與將軍柱通過(guò)單軸鉸連接，釋放艏搖自由度的約束；將軍柱與全局坐標(biāo)系固定。

圖1 軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO全耦合有限元模型Fig.1 Completely-coupled model of the FPSO and SYMS

1.2 時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

綜合考慮波浪、風(fēng)、流載荷以及系泊系統(tǒng)的聯(lián)合作用，F(xiàn)PSO在時(shí)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：M為FPSO質(zhì)量矩陣，A()為最大計(jì)算頻率對(duì)應(yīng)的附連水質(zhì)量矩陣，r(t)為輻射阻尼的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣，附連水質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)均采用三維勢(shì)流理論應(yīng)用源匯分布法計(jì)算得到；D為FPSO慢漂阻尼矩陣，K為FPSO靜水回復(fù)力剛度矩陣；F(1,2)(t)為一階、二階波浪載荷，F(xiàn)w(t)為風(fēng)載荷，F(xiàn)c(t)為流載荷；FpuL(t)、FpuR(t)為左、右側(cè)系泊腿上部對(duì)FPSO提供的拉力。

軟剛臂結(jié)構(gòu)所受外力包括其所受轉(zhuǎn)塔的拉力和受系泊腿下端點(diǎn)的拉力，時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

式中：myoke為軟剛臂質(zhì)量矩陣，F(xiàn)pdL/R為左/右側(cè)系泊腿下端對(duì)相應(yīng)軟剛臂的作用力，F(xiàn)SPML/R為轉(zhuǎn)塔對(duì)左/右側(cè)軟剛臂的力的作用。

兩側(cè)系泊腿作為FPSO與系泊剛臂的連接桿，其時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中：mpL/R為左/右側(cè)系泊腿質(zhì)量矩陣，-FpuL/R為左/右側(cè)系泊腿上端點(diǎn)受FPSO的拉力，-FpdL/R為左/右側(cè)系泊腿下端點(diǎn)受軟剛臂的拉力。

FPSO、軟剛臂和系泊腿之間通過(guò)鉸接點(diǎn)連接，對(duì)于連接兩個(gè)結(jié)構(gòu)(或者連接結(jié)構(gòu)與固定點(diǎn))的鉸接點(diǎn)，一個(gè)結(jié)構(gòu)上鉸接點(diǎn)處加速度項(xiàng)與另一結(jié)構(gòu)上該點(diǎn)處的加速度是相等的；因此，當(dāng)?shù)趇個(gè)結(jié)構(gòu)和第j個(gè)結(jié)構(gòu)在K點(diǎn)處鉸接時(shí)，與加速度項(xiàng)有關(guān)的方程為

(4)

式中：aKi/j為第i、j個(gè)結(jié)構(gòu)在鉸接點(diǎn)K處的加速度，aGi/j為第i、j個(gè)結(jié)構(gòu)在其中心位置處的加速度，ωi、ωj為i、j結(jié)構(gòu)K點(diǎn)相對(duì)重心G的角速度項(xiàng)，ri、rj為i、j結(jié)構(gòu)K點(diǎn)相對(duì)重G位置的移動(dòng)速度項(xiàng)。

1.3 慢漂阻尼計(jì)算

對(duì)于軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，參照BV規(guī)范給出的縱蕩、橫蕩和艏搖自由度的低頻漂移阻尼的公式計(jì)算FPSO所受阻尼：

(5)

式中:Dxx、Dyy為FPSO縱蕩、橫蕩方向的臨界阻尼，N·(m·s-1)；Dψψ為FPSO艏搖方向的臨界阻尼為FPSO質(zhì)量，N·(rad·s-1);L為FPSO垂線間長(zhǎng)，m；B為FPSO型寬，m。

1.4 波浪載荷計(jì)算

選用JONSWAP譜模擬不規(guī)則海浪，譜峰參數(shù)取為1.8?；谶x定的波浪譜，通過(guò)傅里葉變換可以得到時(shí)域內(nèi)的隨機(jī)波面升高，進(jìn)而可通過(guò)卷積積分的方式生成一階、二階波浪載荷的時(shí)域歷程。在不規(guī)則波浪作用下，作用在結(jié)構(gòu)物上的瞬時(shí)波浪力可以寫(xiě)為

(6)

基于Newman近似法可得：

(7)

基于Pinkster近似法可得：

(8)

1.5 風(fēng)、流載荷計(jì)算

風(fēng)載荷的動(dòng)力效應(yīng)通過(guò)風(fēng)譜體現(xiàn)，選用NPD風(fēng)譜計(jì)算?；陲L(fēng)譜確定風(fēng)速的時(shí)域歷程，與相應(yīng)海洋環(huán)境下的流速的時(shí)域歷程進(jìn)行組合，根據(jù)OCIMF(oil company international marine forum)規(guī)范給出的VLCC所受風(fēng)、流載荷經(jīng)驗(yàn)公式及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，結(jié)合FPSO的相關(guān)尺度，計(jì)算船體受到的風(fēng)、流載荷[12]。

風(fēng)載荷計(jì)算公式為

(9)

式中：Cwx(θw)、Cwy(θw)、Cwrz(θw)分別為FPSO縱蕩、橫蕩和艏搖自由度風(fēng)載荷的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)OCIMF規(guī)范確定各風(fēng)力系數(shù)的取值大小，θw為風(fēng)載荷入射角度；ρw為空氣密度，取1.28 kg/m3；L為船長(zhǎng)，m；Ax是縱向受風(fēng)面積，m2;Ay是橫向受風(fēng)面積，m2；Vwr=V-Vw，Vwr為相對(duì)風(fēng)速，Vw為風(fēng)速，V為相應(yīng)的船速。

流載荷的計(jì)算公式為

(10)

式中：Ccx(θc)、Ccy(θc)、Ccrz(θc)分別為縱蕩、橫蕩和艏搖自由度流載荷的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)OCIMF規(guī)范確定各流力系數(shù)的取值大?。沪萩為海流入射角度；ρc為海流密度，取1 025 kg/m3；L為船長(zhǎng)；T為吃水；Vcr=V-Vc，Vcr為相對(duì)流速，Vc為流速，V為相應(yīng)的船速。

2 FPSO及系泊系統(tǒng)主尺度參數(shù)

FPSO主要參數(shù)如表1所示。

表1 FPSO主要參數(shù)

軟剛臂系泊系統(tǒng)(soft yoke mooring system，SYMS)由兩側(cè)軟剛臂及兩側(cè)系泊腿組成，主尺度參數(shù)以及軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、系泊腿結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系如圖2所示。其中，單側(cè)軟剛臂與壓載艙總重量為890.7 t，相對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Ixx=9 392.7 t·m2、Iyy=56 801.8 t·m2、Izz=60 170.8 t·m2；單個(gè)系泊腿重量為100.6 t，相對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Ixx=Iyy= 11 382.5 t·m2、Izz= 21.9 t·m2。

圖2 軟剛臂及系泊腿主尺度參數(shù)Fig.2 Main dimensions of the Yoke and Pendent

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 計(jì)算工況選取

對(duì)于軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，當(dāng)水深低于該WD/T時(shí)，必須考慮淺水效應(yīng)對(duì)FPSO所受二階波浪力的影響，該WD/T即為FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T。為探究FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T，針對(duì)某30×104t級(jí)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，在滿載、中載和壓載3種裝載狀態(tài)下，選取一種典型的環(huán)境工況，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法計(jì)算不同WD/T下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷；研究FPSO系泊系統(tǒng)載荷隨水深吃水比變化的規(guī)律以及FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨吃水變化的規(guī)律。

根據(jù)FPSO所在海域的實(shí)際海況條件，選取典型的計(jì)算工況如表2所示，不同裝載條件下FPSO的WD/T及其對(duì)應(yīng)的水深如表3所示。

表2 海洋環(huán)境條件

表3 FPSO不同吃水比對(duì)應(yīng)的計(jì)算水深

3.2 動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算方法

在多體系泊分析模塊AQWA-DRIFT中，先分別建立FPSO、軟剛臂、系泊腿以及轉(zhuǎn)塔的有限元模型，再通過(guò)連接點(diǎn)處的載荷傳遞實(shí)現(xiàn)耦合，進(jìn)行有限元分析。由于計(jì)算中計(jì)入了系統(tǒng)內(nèi)包括慢漂阻尼、非線性風(fēng)流載荷等在內(nèi)的非線性項(xiàng)，因此，該方法可模擬實(shí)際環(huán)境情況下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及單點(diǎn)系統(tǒng)的受力。

根據(jù)表2給出的海洋環(huán)境條件，以FPSO滿載狀態(tài)下WD/T=1.2的作業(yè)水深為例，采用多體動(dòng)力學(xué)方法，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法考慮FPSO所受的二階波浪力，計(jì)算左、右側(cè)軟剛臂與轉(zhuǎn)塔連接點(diǎn)處軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下三個(gè)方向的載荷Fx、Fy、Fz，取兩側(cè)載荷中的較大值作為對(duì)應(yīng)自由度的載荷在時(shí)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)值，結(jié)果如表4所示。

表4 軟剛臂與轉(zhuǎn)塔系泊點(diǎn)載荷統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果看出，采用Newman近似法和Pinkster近似法計(jì)算時(shí)，系泊載荷的平均值、最大值和有義值均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即系泊點(diǎn)X方向的載荷要遠(yuǎn)大于Y、Z方向的載荷；因此，在研究系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T的變化規(guī)律時(shí)，可僅選取系泊點(diǎn)X方向的載荷有義值進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析。

4 結(jié)果分析

按3.2節(jié)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析方法，對(duì)每一種FPSO的裝載狀態(tài)，分別計(jì)算不同WD/T對(duì)應(yīng)的系泊點(diǎn)載荷，得到Newman近似法和Pinkster近似法條件下FPSO系泊點(diǎn)載荷隨WD/T增加而變化的規(guī)律；將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到不同吃水條件下FPSO的臨界水深吃水比。

4.1 臨界吃水比計(jì)算

不同吃水條件下，軟剛臂系泊系統(tǒng)塔架系泊點(diǎn)出的系泊力有義值的計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示，分析計(jì)算結(jié)果可知：

1)對(duì)于不同的裝載狀態(tài)，采用Newman近似法計(jì)算時(shí)，隨著WD/T的增加，系泊點(diǎn)X方向的載荷Fx均先增大后減小，并逐漸趨于平緩；產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)?，Newman近似法嚴(yán)重低估了淺水條件下FPSO所受的二階力，而當(dāng)水深超過(guò)一定深度時(shí)，采用Newman近似法計(jì)算得到的FPSO所受二階波浪力趨于不變。

2)對(duì)于不同的裝載狀態(tài)，采用Pinkster近似法計(jì)算時(shí)，隨著WD/T的增加，系泊點(diǎn)X方向的載荷Fx逐漸減小，并趨于平緩，且淺水條件下塔架系泊點(diǎn)的系泊力遠(yuǎn)大于深水條件下的系泊力；可見(jiàn)，Pinkster近似法能較好模擬淺水條件下FPSO所受的二階力，而當(dāng)水深超過(guò)一定深度時(shí)，采用Pinkster近似法計(jì)算得到的FPSO所受二階波浪力依然會(huì)逐漸減小，但減緩趨勢(shì)不明顯。

3)對(duì)比兩種方法下系泊力的計(jì)算結(jié)果，可以看出：在淺水區(qū)域，采用Pinkster近似法計(jì)算得到的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷大于Newman近似法所得到的結(jié)果；深水區(qū)域，Pinkster近似法得到的結(jié)果反而小于Newman近似法的計(jì)算結(jié)果。

4)滿載狀態(tài)下，F(xiàn)PSO的臨界WD/T為1.6；中載狀態(tài)下，F(xiàn)PSO的臨界WD/T為1.8；壓載狀態(tài)下，F(xiàn)PSO的臨界WD/T為2.0。

4.2 臨界水深吃水比隨吃水的變化規(guī)律

分析軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO不同裝載狀態(tài)下需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T，發(fā)現(xiàn)該臨界WD/T并不是固定不變，而是隨吃水的增加呈現(xiàn)一定得規(guī)律性變化。臨界WD/T隨FPSO吃水增加而變化的關(guān)系如圖6所示。由圖可知，對(duì)一30萬(wàn)噸級(jí)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨FPSO吃水的增大而減小，且呈線性變化。

圖3 滿載狀態(tài)下系泊點(diǎn)X方向載荷隨WD/T變化曲線Fig.3 Force of single point in X direction vs. WD/T in full-loaded condition

圖4 中載狀態(tài)下系泊點(diǎn)載荷隨WD/T變化曲線Fig.4 Force of single point in X direction vs. WD/Tin mid-loaded condition

圖5 壓載狀態(tài)下系泊點(diǎn)載荷隨WD/T變化曲線Fig.5 Force of single point in X direction vs. WD/Tin ballasted condition

圖6 FPSO考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨FPSO吃水的變化Fig.6 The threshold of WD/T for shallow water effect vs. Draft of FPSO

5 結(jié)論

針對(duì)一艘30萬(wàn)噸級(jí)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，在其不同裝載狀態(tài)下，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法考慮FPSO所受二階波浪力，計(jì)算系泊載荷隨WD/T變化的規(guī)律，并進(jìn)一步分析了FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨FPSO吃水變化的規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1)采用Newman近似法考慮FPSO所受二階波浪力時(shí)，F(xiàn)PSO系泊力隨WD/T的增大先增大后減??；采用Pinkster考慮FPSO所受二階波浪力時(shí)，F(xiàn)PSO所受系泊力隨WD/T的增大逐漸減小，且淺水條件下的系泊力遠(yuǎn)大于深水條件下的系泊力。

2)淺水條件下，Pinkster近似法計(jì)算得到的FPSO系泊力大于Newman近似法計(jì)算得到的系泊力；在超過(guò)一定WD/T時(shí)，Pinkster近似法計(jì)算得到的單點(diǎn)系泊力將小于Newman近似法計(jì)算得到的單點(diǎn)系泊力結(jié)果；兩種方法的所得系泊力相等時(shí)對(duì)應(yīng)的WD/T可作為工程上FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界水深吃水比。

3)FPSO需考慮淺水效應(yīng)的臨界WD/T隨吃水的增大而減小，且呈線性變化。

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FPSO critical values of water depth draft ratio under wave force considering the shallow water effect

ZHANG Ruoyu1,2，TANG Yougang1,2,LIU Chengyi1,2,LI Yan1,2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072, China;2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University, Tianjin 300072，China)

For some soft yoke mooring FPSOs working in shallow-water oilfields, the shallow water effect will greatly increase second-order wave drift forces and mooring forces. Therefore, further studies are needed.A 30 WDT soft yoke mooring FPSO was utilized to investigate the critical ratio of water depth and draft (WD/T). Dynamic response capability of the soft yoke mooring FPSO under different WD/Ts was analyzed on the basis of multi-body dynamics method. A model that includes SYMS and FPSO was established. Newman approximation and Pinkster approximation were applied, and the mooring forces under different WD/Ts were analyzed in the time domain. Results show that, with the increase in WD/T, the mooring forces calculated by Pinkster approximation are smaller than those calculated by Newman approximation. The ratio of water depth and draft at equal mooring force is taken as the critical ratio when FPSO needs to consider the shallow water effect following the increase of FPSO draft, FPSO needs to consider the law of a linear decrease in the ratio of water depth and draft under the shallow water effect.

multi-body dynamics; shallow-water effect; second-order wave drift force; single-point mooring force; water depth draft ratio

2015-12-18.

時(shí)間：2016-12-12.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239008)；天津市基金項(xiàng)目(14JCQNJC07100).

張若瑜(1981-),女，副教授，博士； 唐友剛(1952-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師.

張若瑜，E-mail:zryu@tju.edu.cn.

10.3969/j.issn.1006-7043.201512062

U661.3

A

1006-7043(2017)01-0074-06

張若瑜，唐友剛，劉成義,等. 考慮波浪荷載淺水效應(yīng)的FPSO水深吃水比臨界值[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017, 38(1): 74-79. ZHANG Ruoyu，TANG Yougang,LIU Chengyi,et al. FPSO critical values of water depth draft ratio under wave force considering the shallow water effect[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 74-79.

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