新型浮式平臺(tái)波浪載荷分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

于小偉， 周 駿， 羅瑞鋒， 黃曌宇

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，海洋資源的開發(fā)成為國(guó)家綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，我國(guó)將進(jìn)軍海洋作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。目前在全球海洋工程裝備市場(chǎng)上，歐美壟斷研發(fā)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備制造，韓國(guó)和新加坡在高端海洋工程制造領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，我國(guó)在國(guó)家政策的不斷推動(dòng)下正逐漸由海洋工程裝備制造大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

海洋是天然的資源寶庫(kù)，具有豐富的礦物資源、海水化學(xué)資源、水產(chǎn)資源和海洋動(dòng)力資源等。人類對(duì)海洋資源的開發(fā)需求不斷深入，同時(shí)催生各種不同型式與功能的海洋結(jié)構(gòu)物。目前海洋油氣資源開發(fā)、生產(chǎn)與施工裝備在海洋工程裝備中仍占據(jù)主體地位，海上風(fēng)電裝備和海上漁業(yè)裝備等新興海洋工程裝備的研制和應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展，海洋空間資源(海上基地和空港等)的開發(fā)與利用日益成為國(guó)際海洋工程界研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，海洋工程裝備呈現(xiàn)深水化、大型化/模塊化、功能多樣化、綠色化、智能化和水下應(yīng)用日益廣泛等趨勢(shì)。

波浪載荷是海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，各船級(jí)社均要求浮式平臺(tái)采用直接計(jì)算方法評(píng)估波浪載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。所進(jìn)行的研究采用挪威船級(jí)社(DNV)基于三維水動(dòng)力理論開發(fā)的商業(yè)軟件SESAM中的WADAM模塊，對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力特性進(jìn)行型式優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)波浪載荷進(jìn)行長(zhǎng)期/短期預(yù)報(bào)，最終通過(guò)基于波浪載荷預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)波進(jìn)行有限元分析，校驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 波浪載荷分析方法及特征載荷選取

1.1 波浪載荷分析方法

在針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)進(jìn)行波浪載荷分析時(shí)，通常將方法區(qū)分為特征波法和譜分析法，或稱為確定性方法和隨機(jī)性方法[2]。確定性方法是指在不規(guī)則波列中選用某一特征波作為單一規(guī)則波輸入進(jìn)行計(jì)算。規(guī)范規(guī)定，在采用百年一遇的最大規(guī)則波對(duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行波浪載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，可忽略流載荷和風(fēng)載荷的貢獻(xiàn)[1]。設(shè)計(jì)波參數(shù)可通過(guò)極限規(guī)則波波陡確定[3]。隨機(jī)性方法由已知的海浪譜推求作用于結(jié)構(gòu)物的波力譜，確定不同累積概率的波浪力。

根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)短，區(qū)分為短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。短期預(yù)報(bào)是指統(tǒng)計(jì)時(shí)間為0.5 h至數(shù)小時(shí)，通常為3 h，其間結(jié)構(gòu)物的裝載與航速等狀態(tài)和海況條件不變，短期平穩(wěn)的不規(guī)則波可采用波浪譜描述，海浪與結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)成線性關(guān)系；長(zhǎng)期預(yù)報(bào)是指統(tǒng)計(jì)時(shí)間為1 a甚至更長(zhǎng)，其間結(jié)構(gòu)物的裝載與航速等狀態(tài)和海況條件均處于變化狀態(tài)，不再是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。長(zhǎng)期海況可描述為一系列相互獨(dú)立的短期海況集合，給定某海域的波浪散布圖，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)可獲得結(jié)構(gòu)物在給定超越概率水平下的長(zhǎng)期響應(yīng)極值。

確定設(shè)計(jì)波參數(shù)的具體步驟如下：

(1)通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算得到某一特征載荷不同浪向的響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)曲線，最大峰值對(duì)應(yīng)的周期與浪向即為設(shè)計(jì)波的周期和浪向。

(2)將短期海況/長(zhǎng)期波浪散布圖作為輸入譜進(jìn)行短期/長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，得到特征載荷的預(yù)報(bào)極值。

(3)采用短期/長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的極值除以RAO峰值即得到設(shè)計(jì)波的波幅。

1.2 特征載荷選取

海洋平臺(tái)在波浪中的載荷與平臺(tái)的裝載工況及波浪參數(shù)密切關(guān)聯(lián)，特征載荷選取力求捕捉各載荷變量不同受力狀態(tài)的最大值。特征載荷選取是確定設(shè)計(jì)波參數(shù)的前提條件。通過(guò)計(jì)算特征載荷RAO，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)波(周期、相位、波幅和浪向)。目標(biāo)浮式平臺(tái)(簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)設(shè)計(jì)選取的特征載荷[3]為中橫剖面垂向彎矩(SECL1035)、中縱剖面橫向分離力(SECL2012)、中縱剖面縱向剪切力(SECL2011)、中縱剖面扭矩(SECL2015)、水線面上扭矩(SECL3016)和甲板中心單位質(zhì)量縱/橫向慣性力(FXP1、FYP1)。

2 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果分析

2.1 新型平臺(tái)參數(shù)

平臺(tái)為全新結(jié)構(gòu)型式的大型浮式平臺(tái)[4]，特點(diǎn)為：作業(yè)環(huán)境(南海)復(fù)雜；結(jié)構(gòu)尺寸較大；功能定位多樣化，可用于試驗(yàn)基地、浮動(dòng)碼頭和海上休閑旅游等。平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式：上部為箱式甲板；下部采用多浮體(7浮體)加橫向撐桿；中部支撐采用立柱與桁架組合式結(jié)構(gòu)且立柱之間設(shè)置橫向箱體連接。平臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1 平臺(tái)參數(shù)

平臺(tái)波浪載荷設(shè)計(jì)的極端海況為百年一遇。設(shè)計(jì)海況條件如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)海況條件

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

平臺(tái)計(jì)算擬定海域?yàn)槟虾?。通過(guò)計(jì)算平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征載荷RAO，對(duì)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)各工況分別進(jìn)行波浪載荷的短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)(僅以自存工況結(jié)果為例)；基于短期/長(zhǎng)期響應(yīng)極值確定的設(shè)計(jì)波校核總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。計(jì)算的結(jié)構(gòu)/質(zhì)量模型[6]如圖1所示，水動(dòng)力模型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)/質(zhì)量模型

圖2 水動(dòng)力模型

2.2.1 結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

對(duì)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)特征載荷RAO進(jìn)行預(yù)報(bào)。平臺(tái)原方案下部采用5浮體、總長(zhǎng)為120 m，其縱搖及垂蕩RAO曲線如圖3所示。由圖3可知：RAO曲線具有明顯的雙峰，結(jié)構(gòu)本身對(duì)高頻波浪比較敏感，影響人體舒適度。

圖3 平臺(tái)原方案的縱搖及垂蕩RAO曲線

對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化，平臺(tái)的縱搖及垂蕩RAO曲線如圖4所示。由圖4可知：雙峰現(xiàn)象消除，且部分運(yùn)動(dòng)(如縱搖等)RAO峰值出現(xiàn)一定的降低。

圖4 優(yōu)化后平臺(tái)的縱搖及垂蕩RAO曲線

2.2.2 設(shè)計(jì)波參數(shù)確定

針對(duì)各種不同周期和浪向的波浪，展開特征載荷RAO計(jì)算及設(shè)計(jì)波參數(shù)搜索[7]，確定設(shè)計(jì)波的頻率、浪向和相位。通過(guò)波浪載荷的短期/長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，最終確定設(shè)計(jì)波的波幅。以自存工況為例，基于短期/長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)波參數(shù)如表3所示。

表3 基于短期/長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)波參數(shù)(自存工況)

2.2.3 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

在結(jié)構(gòu)建模中，外板、艙壁及甲板等采用殼單元，扶強(qiáng)材和桁材等采用梁?jiǎn)卧??；顒?dòng)載荷及設(shè)備等通過(guò)質(zhì)量單元及調(diào)整相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)材料密度施加在模型中。在水動(dòng)力模型中，浮體間橫向撐桿以莫里森單元處理，浮體外殼水線下部分作為濕表面。

在確定設(shè)計(jì)波參數(shù)后，將其輸入SESAM中的WADAM模塊，通過(guò)水動(dòng)力載荷傳遞至結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，最終對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合分析[8]。以自存工況為例，平臺(tái)中/下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 平臺(tái)中/下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

強(qiáng)度準(zhǔn)則采用美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范，即靜水/組合工況屈服應(yīng)力取材料屈服極限的0.6/0.8倍，等效應(yīng)力取材料屈服極限355 MPa的0.7/0.9倍。平臺(tái)采用高強(qiáng)鋼(屈服極限為355 MPa)，等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)靜水及波浪組合工況條件下的許用應(yīng)力為248/320 MPa。

平臺(tái)總體強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果表明該平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，基本滿足總體強(qiáng)度要求。大多數(shù)特征載荷極值發(fā)生于橫浪(90°浪向)作用。高應(yīng)力分布區(qū)域發(fā)生于浮體與橫向撐桿的連接處、立柱與立柱間的橫向連接結(jié)構(gòu)及立柱、垂向撐桿與上部甲板的連接處，需要適當(dāng)降低應(yīng)力水平及細(xì)化有限元分析、疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)冗余度分析。

3 結(jié) 論

(1)優(yōu)化的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征載荷RAO曲線不再具有雙峰現(xiàn)象，降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)在高頻波浪作用下的應(yīng)力水平，提高人體舒適度。

(2)在南海最大波高對(duì)應(yīng)的搜索周期12.68～16.50 s內(nèi)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征載荷RAO不存在峰值，有效避開作業(yè)海區(qū)的極端海況。

(3)計(jì)算基于勢(shì)流理論，未考慮流體的黏性效應(yīng)及系泊系統(tǒng)的影響，平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)的實(shí)際值比理論預(yù)報(bào)的結(jié)果更小，需要在通過(guò)模型試驗(yàn)確定臨界阻尼后進(jìn)行修正。

(4)確定平臺(tái)波浪載荷評(píng)估方法與平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。對(duì)于高應(yīng)力分布區(qū)域，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及細(xì)化結(jié)構(gòu)分析。