新型干樹半潛式海洋平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能研究

郭嘉寧，呂海寧，謝文會(huì)

(1. 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; 2. 上海交通大學(xué) 三亞崖州灣深?？萍佳芯吭?，海南 三亞 572024; 3. 上海交通大學(xué) 海洋裝備研究院，上海 200240; 4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

用于深水油氣開發(fā)的生產(chǎn)井口系統(tǒng)有濕式采油樹和干式采油樹兩種，與濕式采油樹相比，干式采油樹既可用于鉆井也可用于完井生產(chǎn)，且易于管理、方便維修，還省去了將海底采油樹回接到平臺(tái)上部的硬件費(fèi)用。目前，深水中采用干式采油樹并廣為使用的浮式平臺(tái)主要有張力腿平臺(tái)(tension leg platform，簡(jiǎn)稱TLP)和Spar平臺(tái)。但當(dāng)水深超過(guò)1 500 m時(shí)，TLP和Spar平臺(tái)不再適用干式井口[1]。因此對(duì)于深水海況，可將干式采油樹運(yùn)用于深水半潛平臺(tái)，該種系統(tǒng)不僅具有干式井口的優(yōu)點(diǎn)，而且可消除TLP和Spar平臺(tái)的劣勢(shì)。同時(shí)，深水干樹半潛平臺(tái)擁有普通半潛平臺(tái)不受水深限制、造價(jià)低及安裝方便等特點(diǎn)。

針對(duì)干樹半潛平臺(tái)的概念，專家學(xué)者進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。八角形概念浮式鉆井平臺(tái)[2]是世界上第一個(gè)干樹采油平臺(tái)，該平臺(tái)能夠應(yīng)用于多種海洋環(huán)境，并且在建造、安裝、集成及選擇頂部張緊式立管(top tensioned riser，簡(jiǎn)稱TTR)或鋼懸鏈線立管(steel catenary riser，簡(jiǎn)稱SCR)方面具有很大的靈活性。Lu等[3]提出了雙立柱半潛平臺(tái)的設(shè)計(jì)概念，包括四個(gè)內(nèi)立柱、四個(gè)主浮筒、四個(gè)外立柱和用來(lái)連接內(nèi)外立柱的四個(gè)連接浮筒。Mansour等[4]提出一種新柱構(gòu)型半潛平臺(tái)(damper chamber column semi)，該平臺(tái)有一個(gè)環(huán)形浮筒和四個(gè)立柱，此設(shè)計(jì)把每個(gè)立柱分為十個(gè)可提供浸水的內(nèi)部阻尼室。紀(jì)亨騰等[5]提出了一種新型立柱類型，該設(shè)計(jì)區(qū)別于常規(guī)半潛平臺(tái)立柱的等截面形式，而是在不同吃水處采用不同的截面形式，立柱的底部截面積最大，向上逐漸變小。

由于干樹半潛平臺(tái)主要采用TTR，目前TTR的總沖程應(yīng)限制在10 m以內(nèi)[6]，立管沖程的主要影響因素是垂蕩運(yùn)動(dòng)，因此干樹平臺(tái)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能要求較高，其能否采用干式井口的主要標(biāo)準(zhǔn)就是垂蕩幅值是否足夠小[7]，在半潛平臺(tái)下部添加垂蕩板是抑制其運(yùn)動(dòng)的方法之一[8]。Peng等[9]提出了在傳統(tǒng)半潛平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)桿件將自由懸掛式固體壓載艙(solid ballast tank，簡(jiǎn)稱SBT)和上部主體連接起來(lái)，結(jié)果顯示，這種設(shè)計(jì)能夠有效減小垂蕩響應(yīng)，并確保了連接SBT和上部主體的桿件即使在極端海況下也處于張力狀態(tài)。Jiang等[10]提出了具有雙層浮筒的半潛平臺(tái)，兩層浮筒通過(guò)桿件剛性連接，探究了浮筒深度同垂蕩響應(yīng)和連接處載荷的關(guān)系，說(shuō)明了雙浮筒在改善平臺(tái)垂蕩性能中的作用。柳淑學(xué)等[11]研究了實(shí)心垂蕩板和開孔垂蕩板對(duì)Spar平臺(tái)水動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明垂蕩板結(jié)構(gòu)能有效提高Spar平臺(tái)的附加質(zhì)量系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)。

總體而言，目前對(duì)具有深吃水和大面積下浮箱兩個(gè)特點(diǎn)的干樹半潛平臺(tái)的研究較少?；诖?，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)對(duì)新型干樹半潛式生產(chǎn)平臺(tái)[12]進(jìn)行研究。平臺(tái)的垂蕩板具有較大的面積和質(zhì)量，內(nèi)部裝有壓載水，因此這里稱之為下浮箱(見圖1)。一方面下浮箱可以抑制垂蕩運(yùn)動(dòng)，另一方面需要足夠大質(zhì)量的下浮箱以保證連接桿件能夠始終處于張力狀態(tài)，同時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)其中的壓載水重量以實(shí)現(xiàn)下浮箱的自安裝和在役狀態(tài)連接桿件的更換。該平臺(tái)的特點(diǎn)是通過(guò)類似張力腿的連接桿連接上部主體與下浮箱，使二者組成相互作用的耦合系統(tǒng)，連接點(diǎn)處采用可旋轉(zhuǎn)接頭，連接桿件可繞連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放由下浮箱慣性力引起的巨大彎矩。下文研究了新型平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)一步對(duì)不同下浮箱放置深度進(jìn)行了探索，以期為新型干樹半潛平臺(tái)的優(yōu)化和使用提供參考。

圖1 平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)型式Fig. 1 Main structure type of the platform

1 干樹半潛平臺(tái)數(shù)值計(jì)算理論

1.1 三維勢(shì)流理論

采用三維勢(shì)流理論來(lái)計(jì)算大尺度結(jié)構(gòu)物濕表面上的波浪載荷，假定流體為理想流體，即均勻、不可壓縮、無(wú)黏、無(wú)旋。速度勢(shì)滿足拉普拉斯方程、海底邊界條件、自由面邊界條件、物體濕表面運(yùn)動(dòng)邊界條件及輻射條件[13]。根據(jù)拉普拉斯方程和邊界條件唯一確定速度勢(shì)，之后由伯努利方程計(jì)算出結(jié)構(gòu)物濕表面上的壓強(qiáng)，進(jìn)而求出結(jié)構(gòu)物所受到的波浪載荷[14]。

流場(chǎng)中的總速度勢(shì)：

Φ(x,y,z)=Re[(ΦI(x,y,z)+ΦD(x,y,z)+ΦR(x,y,z))e-iωt]

(1)

式中：ΦI(x,y,z)為入射勢(shì)，ΦD(x,y,z)為繞射勢(shì)，ΦR(x,y,z)為輻射勢(shì)，e-iωt為時(shí)間因子。

下面為進(jìn)行計(jì)算必須滿足的邊界條件：

1) 自由面條件

(2)

2) 物面條件

(3)

3) 水底條件

假設(shè)海底為水平面，則底面邊界條件：

(4)

4) 輻射條件

(5)

式中：g為重力加速度，n為物體濕表面外法向量，un為物體沿n方向的運(yùn)動(dòng)速度，h為水深，k為波數(shù)。

1.2 頻域運(yùn)動(dòng)控制方程

干樹半潛平臺(tái)在整體坐標(biāo)系統(tǒng)中考慮所受到的激勵(lì)力、阻尼和附加質(zhì)量的頻域運(yùn)動(dòng)控制方程：

[-ω2(M+A(ω))+iω(B(ω)p+Bv)+Cij]X(ω,β)=F(ω,β)

(6)

式中：M為質(zhì)量和慣量矩陣，A(ω)為附加質(zhì)量矩陣，B(ω)p為勢(shì)流阻尼矩陣，Bv為線性化后的黏性阻尼矩陣，Cij為靜水回復(fù)力系數(shù)矩陣，F(xiàn)(ω,β)為外部激勵(lì)力矩陣。

1.3 時(shí)域運(yùn)動(dòng)控制方程

對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行時(shí)域計(jì)算時(shí)，需要綜合考慮風(fēng)載荷、浪載荷、流載荷及系泊力的聯(lián)合作用。與頻域計(jì)算相比，時(shí)域計(jì)算更為精確。干樹半潛平臺(tái)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程[15]：

(7)

式中：mij為平臺(tái)的質(zhì)量矩陣，uij為附加質(zhì)量矩陣，Lij(t-τ)為平臺(tái)系統(tǒng)的延遲函數(shù)，Cij為靜水回復(fù)力系數(shù)矩陣，F(xiàn)ωa(1)(t)為一階波浪載荷，F(xiàn)ωa(2)(t)為二階波浪載荷，F(xiàn)ωi(t)為風(fēng)載荷，F(xiàn)cu(t)為流載荷，F(xiàn)mo(t)為系泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的作用力。其中，F(xiàn)ωa(2)(t)僅考慮二階差頻波浪力(忽略二階和頻波浪力)，在二階平均波浪力的基礎(chǔ)上采用Newman近似方法[16]計(jì)算得到。

2 研究對(duì)象

2.1 坐標(biāo)定義

水池模型試驗(yàn)中，采用大地坐標(biāo)系(全局坐標(biāo)系)O-XYZ，以及平臺(tái)主體局部坐標(biāo)系o1-x1y1z1，下浮箱局部坐標(biāo)系o2-x2y2z2共三個(gè)坐標(biāo)系，定義如圖2所示。

圖2 平臺(tái)形狀及坐標(biāo)系定義Fig. 2 Shape and coordinate system definition of the platform

2.2 模型參數(shù)

平臺(tái)模型包括上部主體、下浮箱、連接桿件和立管系統(tǒng)。其主要參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 上部主體主要參數(shù)

表2 下浮箱主要參數(shù)

其中，連接桿件共有8根，長(zhǎng)度均為100 m；TTR立管共有12根；系泊纜共有4組，每組4根，每條均采用“鏈—纜—鏈”形式，相鄰組系泊纜之間的夾角為90°，同組相鄰系泊纜之間的夾角為5°。連接桿件、TTR立管和系泊系統(tǒng)的相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 連接桿件、TTR立管及系泊系統(tǒng)布置Fig. 3 Connecting rods, TTR risers and mooring system

2.3 數(shù)值模擬

基于勢(shì)流理論，采用HydroD軟件計(jì)算頻域水動(dòng)力參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪力傳遞函數(shù)等；使用Orcaflex軟件在時(shí)域內(nèi)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，包括平臺(tái)主體、連接桿件、立管系統(tǒng)及系泊定位系統(tǒng)，充分考慮各成分間的非線性耦合效應(yīng)。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將面元網(wǎng)格大小設(shè)置為2 m×2 m?？紤]平臺(tái)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在頻域計(jì)算時(shí)選定波浪入射角為0°至90°，步長(zhǎng)為15°，共7種波浪入射角度；同時(shí)選定入射波浪周期為3 s至40 s。將頻域計(jì)算得到的輸出文件導(dǎo)入Orcaflex進(jìn)行時(shí)域分析，模擬時(shí)間為10 800 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s，過(guò)渡時(shí)間為200 s，頻域及時(shí)域數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 頻域及時(shí)域數(shù)值計(jì)算模型Fig. 4 Numerical model in frequency-domain and time-domain

在考慮下浮箱的阻尼系數(shù)和質(zhì)量力系數(shù)時(shí)，由于該下浮箱與普通垂蕩板不同，具有較大的面積和質(zhì)量，因此采用CFD方法來(lái)估算阻尼系數(shù)和質(zhì)量力系數(shù)，最終選定下浮箱水平向阻尼系數(shù)為1.0，垂向阻尼系數(shù)為4.0，選定質(zhì)量力系數(shù)為1.5。

時(shí)域計(jì)算工況如表3所示，工況1～6與模型試驗(yàn)工況相同，共選取三個(gè)浪向角來(lái)探究其對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的影響。風(fēng)浪流環(huán)境條件均為百年一遇，以探究平臺(tái)在極端海洋環(huán)境條件下的性能。工況7～15為探究平臺(tái)在不同環(huán)境條件下的垂蕩運(yùn)動(dòng)，即垂蕩響應(yīng)與有效波高之間的關(guān)系。工況16～21為探究平臺(tái)在不同下浮箱放置深度下的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。

表3 時(shí)域計(jì)算工況

3 模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，在海洋工程深水試驗(yàn)池中進(jìn)行了模型試驗(yàn)(見圖5)，水池尺寸為50 m×40 m×10 m(長(zhǎng)×寬×深)，模型縮尺比選定為1∶60。試驗(yàn)選取三種典型海洋環(huán)境條件、兩種下浮箱放置深度，共六個(gè)工況，如表4所示，考察不同環(huán)境條件下干樹半潛平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。不規(guī)則波浪采用Jonswap波浪譜，風(fēng)浪流方向一致。

圖5 模型試驗(yàn)Fig. 5 Model test

表4 水池試驗(yàn)工況

4 結(jié)果與分析

4.1 下浮箱對(duì)平臺(tái)垂蕩性能的影響

圖6為通過(guò)頻域數(shù)值模擬得到的浪向角45°時(shí)平臺(tái)在有下浮箱(下浮箱放置深度為100 m)和無(wú)下浮箱時(shí)的幅值響應(yīng)算子曲線。由數(shù)值結(jié)果可以看出，當(dāng)沒有下浮箱時(shí)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期在19.0 s左右，而常見波周期范圍在5～25 s，因此該平臺(tái)會(huì)有較大的垂蕩響應(yīng)。有下浮箱時(shí)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期在30.0 s 左右，避開了常見波周期范圍，有較小的垂蕩響應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，平臺(tái)的縱蕩、橫蕩、垂蕩固有周期分別為138.2 s、137.6 s、29.2 s；橫搖、縱搖、首搖固有周期分別為34.1 s、33.2 s、88.8 s。

圖6 平臺(tái)幅值響應(yīng)算子曲線Fig. 6 Amplitude response operator curves of the platform

下浮箱通過(guò)增大平臺(tái)的附加質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)阻尼來(lái)改變垂蕩固有周期，從而達(dá)到改善平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)的目的。圖7和圖8比較了頻域模擬得到的有無(wú)下浮箱時(shí)平臺(tái)垂蕩附加質(zhì)量和輻射阻尼系數(shù)的變化，可以看出，該下浮箱極大地提高了平臺(tái)的垂蕩附加質(zhì)量。當(dāng)周期在5.0～10.5 s時(shí)，平臺(tái)輻射阻尼系數(shù)基本不受下浮箱的影響；當(dāng)周期在10.5～16.0 s時(shí)，下浮箱的存在增大了平臺(tái)的垂蕩輻射阻尼；但當(dāng)周期大于16.0 s時(shí)，下浮箱的存在反而降低了平臺(tái)的垂蕩輻射阻尼。輻射阻尼系數(shù)與物體的形狀有很大關(guān)系，就該新型平臺(tái)而言，下浮箱的存在極大地影響了平臺(tái)的垂蕩附加質(zhì)量，但對(duì)輻射阻尼系數(shù)的影響較小(圖7及圖16中A33是平臺(tái)的垂蕩附加質(zhì)量)。

圖7 平臺(tái)垂蕩附加質(zhì)量(A33)Fig. 7 Added mass of the platform in heave (A33)

圖8 平臺(tái)輻射阻尼系數(shù)Fig. 8 Radiation damping coefficients of the platform

圖9和圖10為通過(guò)時(shí)域模擬得到的工況3海洋環(huán)境條件下平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線。當(dāng)沒有下浮箱時(shí)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)極值約為7.8 m，垂蕩響應(yīng)范圍為14.2 m；當(dāng)有下浮箱時(shí)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)極值僅為1.8 m左右，垂蕩響應(yīng)范圍為3.3 m。配置下浮箱之后，平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)極值和垂蕩響應(yīng)范圍分別下降76.9%和76.7%，可見，下浮箱能夠極大地改善平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。

圖9 無(wú)下浮箱時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 9 Time history curve of heave without lower pontoon

圖10 有下浮箱時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 10 Time history curve of heave with lower pontoon

4.2 不同海況下平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

對(duì)新型干樹半潛平臺(tái)開展時(shí)域計(jì)算，計(jì)算工況見表3，模擬時(shí)長(zhǎng)為3 h。圖11為數(shù)值模擬和試驗(yàn)下，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線與對(duì)應(yīng)頻率譜結(jié)果對(duì)比。表5為相應(yīng)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值對(duì)比。

圖11 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷及頻率譜(放置深度100 m)Fig. 11 Time history and power spectrum density (PSD) curves of heave motion

表5 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值

圖11及表5表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致，說(shuō)明采用頻域和時(shí)域相結(jié)合的方法可靠，能夠正確反映平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。且由表4及表5可以看出，隨著浪向角的增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)范圍有增大趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)浪向角增大時(shí)，平臺(tái)的迎浪面積也隨之變大，導(dǎo)致平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)顯現(xiàn)增大趨勢(shì)。

為進(jìn)一步探究不同海況對(duì)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)幾種工況(見表3中工況7～15)下平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)展開了時(shí)域計(jì)算，結(jié)果如圖12所示。現(xiàn)有結(jié)果表明，平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值與有效波高之間基本呈線性關(guān)系，這是因?yàn)樵撈脚_(tái)水動(dòng)力分析過(guò)程中計(jì)算運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)采用的是線性勢(shì)流理論。

圖12 不同海況下平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值Fig. 12 Amplitudes of platform heave motion under different sea conditions

4.3 下浮箱放置深度對(duì)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響

為探究下浮箱在上部主體之下深度變化對(duì)垂蕩響應(yīng)的影響，選取了0～140 m(間隔為20 m)共8種不同的深度，分析平臺(tái)在工況16～21環(huán)境條件作用下的垂蕩響應(yīng)。其中，深度為60 m和100 m時(shí)分別做了相應(yīng)的模型試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其他下浮箱放置深度下平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)展開了時(shí)域數(shù)值計(jì)算。放置深度是下浮箱位于上部主體之下的深度，放置深度為100 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比已于4.2節(jié)展示，圖13、表6展示了放置深度為60 m時(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果的對(duì)比。

圖13 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷及頻率譜(放置深度60 m)Fig. 13 Time history and power spectrum density (PSD) curves of heave motion

計(jì)算結(jié)果表明，將下浮箱放置深度設(shè)置為20 m時(shí)，相比無(wú)下浮箱的情況，平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)得到一定改善。隨著放置深度的增大，平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)極值呈減小趨勢(shì)。在放置深度從20 m增大到80 m的過(guò)程中，垂蕩運(yùn)動(dòng)極值減小幅度大于放置深度從80 m增大到140 m的過(guò)程。當(dāng)放置深度在100 m至140 m之間變化時(shí)，垂蕩運(yùn)動(dòng)極值變化不明顯(見圖14)。由水波理論可知，在這些工況下，當(dāng)水深大于207 m時(shí)即可近似為無(wú)限水深問(wèn)題?？紤]上部主體吃水和下浮箱高度，當(dāng)下浮箱放置深度大于167 m時(shí)，水面波動(dòng)不再對(duì)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，因此會(huì)出現(xiàn)隨著放置深度增大，下浮箱對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能影響減弱的現(xiàn)象。

圖14 平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)極值及相比無(wú)下浮箱減小程度(放置深度0 m時(shí)為無(wú)下浮箱)Fig. 14 Extreme values of heave motion and the degree of reduction compared with no lower pontoon (no lower pontoon when placed at a depth of 0 m)

該下浮箱的設(shè)置極大地增加了平臺(tái)的附加質(zhì)量，從而延長(zhǎng)垂蕩固有周期，達(dá)到有效抑制浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)的目的。圖15得到了下浮箱不同放置深度下平臺(tái)的幅值響應(yīng)算子曲線，圖16得到了平臺(tái)垂蕩附加質(zhì)量隨放置深度的變化。由表7及圖15、圖16可以看出，隨著下浮箱放置深度的增大，平臺(tái)的垂蕩附加質(zhì)量逐漸增大，同時(shí)，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期也呈增大趨勢(shì)。其固有周期的變化規(guī)律與平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)極值和響應(yīng)范圍的變化趨勢(shì)基本吻合。

圖15 下浮箱不同放置深度下平臺(tái)垂蕩響應(yīng)RAO及垂蕩固有周期Fig. 15 Heave RAO and natural period of heave at different placement depths of lower pontoon

圖16 下浮箱不同放置深度下平臺(tái)垂蕩附加質(zhì)量(A33)Fig. 16 Added mass of the platform in heave at different placement depths of lower pontoon (A33)

表7 下浮箱不同放置深度下平臺(tái)垂蕩響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值

雖然可通過(guò)增大下浮箱放置深度的方式來(lái)提升下浮箱的作用，但并不是放置深度越深越好，一是當(dāng)放置深度大于100 m后，垂蕩固有周期增加不明顯，且幅值響應(yīng)算子有增大趨勢(shì)，這對(duì)垂蕩抑制作用不利；二是隨著放置深度的增加，建造和安裝更加困難，同時(shí)對(duì)連接平臺(tái)上部主體和下浮箱的構(gòu)件特性有更高要求。下浮箱放置深度為100 m時(shí)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期已遠(yuǎn)離了波浪主能量周期范圍，且此時(shí)平臺(tái)在極端海況作用下垂蕩運(yùn)動(dòng)極值不大于1.8 m，極大降低了TTR沖程，滿足干樹半潛平臺(tái)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的要求。綜合考慮各方面因素，下浮箱的最佳放置深度為100 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)兼具深吃水和大面積下浮箱兩個(gè)特點(diǎn)的新型干樹半潛平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能展開了研究，探究了有無(wú)下浮箱及下浮箱放置深度對(duì)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同海況下平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)設(shè)置下浮箱，平臺(tái)的垂蕩固有周期增大了50%，垂蕩運(yùn)動(dòng)極值和響應(yīng)范圍減小了70%以上，極大地改善了平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能；

2) 下浮箱的存在極大地增加了垂蕩附加質(zhì)量，增大了平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期，從而達(dá)到改善平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的目的；

3) 通過(guò)對(duì)不同海況下平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)海況在小范圍內(nèi)變化時(shí)，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值與波高之間基本呈線性關(guān)系；

4) 隨著下浮箱放置深度的增大，平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)極值逐漸減小，放置深度在20～100 m之間時(shí)，呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，當(dāng)放置深度超過(guò)100 m后，減小幅度不明顯；

5) 綜合考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能和工程實(shí)際應(yīng)用條件，下浮箱的最佳放置深度為100 m。