基于AQWA对一种小型浮动平台的动态响应研究

朱绍宇 张世富 张冬梅 许 红 张 玉

（中国人民解放军陆军勤务学院 国家救灾应急装备工程技术研究中心）

随着海洋资源开发的迅速发展，越来越多的工作需要在海上直接完成，各类海上作业往往通过搭建漂浮平台进行，它给工作人员和设施设备提供了一个安全、稳定的环境［1，2］。目前，应用较多的海上平台主要有大型浮动平台和架构式小型平台［3］，大型浮动平台由于尺寸较大，能够很大程度上抗拒海浪波动，例如浮式海上飞机场、海洋钻井平台及海上风力机平台等；架构式小型平台依托固定于海底的支架，往往架设在近海，限制了它的使用水深。而在一些特定的小规模作业场景，要求平台既能克服大型浮动平台笨重的缺点，又能克服架构式平台只能在浅水安装的不足，于是小型浮动平台应运而生。小型浮动平台相比大型浮动平台尺寸较小、结构简单，主要由漂浮装置、工作平台和系泊系统组成，虽然稳定性不如上述两种平台，但是在特定作业场景也可以达到稳定性要求，并且兼具快速安装/撤收、成本低等优点。轻便型岸滩油料补给系统［4］要用到一种漂浮平台，起到转接漂浮钢制管线和油船受加油软管并且固定节点的作用，为此结合小型浮动平台的优点和系统要求设计了漂浮转接平台。

近年来，海洋工程众多领域学者对海上漂浮平台进行了研究，借助水动力软件和波浪荷载理论分别针对应用实际进行了深入探索。在海上风力发电领域，张立军等根据势流理论对漂浮式垂直轴风力发电机增加垂荡架进行了水动力数值仿真，结果表明垂荡架对抑制运动响应效果明显［5］；黄致谦等运用AQWA软件分别对一种新型张力腿平台漂浮式风力机和漂浮式风力机半潜式平台加垂荡板，进行了不同海况、不同系泊方式和不同模型的动态响应对比研究［6，7］。在石油开采领域，袁培银对深水半潜式钻井平台分别使用HydroD软件和DeepC软件进行频域和时域计算，分析了平台的运动响应和系泊系统的受力特性，并考虑一根系泊缆断裂的情况下系统的运动和受力特性［8］。在海洋探测领域，杨大伟等对一种用于海上观测的海上浮台进行了系泊方案优化设计，使用AQWA软件对设计的4种系泊方式分别进行了时域分析［9］。在军事领域，李珂翔考虑多浮体之间的流场耦合，基于频域势流理论建立浮式单元阵列简化模型并求解其水动力作用，优化设计了多浮体组成的水面无人平台［10］。

笔者对所设计的漂浮转接平台利用ANSYS AQWA软件进行频域下的幅值响应算子和不同系泊方式、不同海况下的动态响应计算，根据计算数据设计满足要求的系泊方式，检验转接平台性能是否符合要求，并通过分析以期对实际安装应用和优化设计起到指导作用。

1 理论背景

1.1 运动方程

转接平台相对于平衡位置做摇荡运动，由牛顿运动定律可以得到在风、浪、流联合作用下的运动方程：

式中 Fz——主要考虑风、浪、流的外部荷载；

k——静水恢复力矩阵；

M——转接平台质量矩阵；

m——附加质量矩阵；

x——幅值响应算子；

μ——附加阻尼矩阵。

1.2 环境载荷

1.2.1 风载荷

风载荷的影响因素主要包括：结构物承受的风压、受压面积、风场中的位置及受结构物形状影响的挡风效果等。

风载荷Ff的计算公式为：

式中 C1——暴露在风中结构物的形状系数；

C2——暴露在风中结构物的高度系数；

Pf——基本风压；

S——结构物与风作用方向垂直的挡风面积；

vf——设计风速［11］。

根据上述公式，在风速达到26 m/s时，转接平台受到的风载荷最大为306 N，由于与波浪载荷相比过小，因此忽略风载荷的影响。

1.2.2 波浪载荷

转接平台在复杂的海洋环境中，时刻受到波浪的作用，通常使用三维线性势流理论研究大尺度结构物在波浪中的运动，有如下假设：流体为理想流体，不可压缩并忽略表面张力，运动是无旋的，存在速度势，波浪为微幅波，水底为光滑的水平壁面，水深为常数，水中没有流［12］。

速度势Φ在整个流域内满足质量连续性方程：

并且速度势还应满足底部条件、自由面条件、物面条件及远方条件等边界条件。流场中总的速度势是由入射波速度势、绕射势和辐射势叠加而成的，即：

式中 ΦD——绕射势，表示结构物对流场速度势的影响；

ΦI——入射波势，表示流场中速度分布情况，但不考虑入射波对流场的影响；

ΦR——辐射势，表示结构物6个自由度的运动和振荡对流场的影响。

求得速度势Φ（x，y，z，t）后，流场内的任一点压力可由伯努利方程给出，再通过求解压力分布函数得到作用在浮体上的荷载。

转接平台湿表面的水动压力p、波浪力Fw和力矩MW可以表示为：

s——单元面积；

SB——平台湿表面；

ρ——海水密度。

1.2.3 流载荷

由于近岸流的流速和方向周期变化缓慢，海底流速接近于零，一般在计算流荷载时将海流当作稳定流动来处理，认为海流对结构物的作用力只有拖曳力Fc，其表达式为：

式中 Cd——阻力系数；

d z——沿高度的积分；

h——水深；

S′——结构物在与海流垂直平面上的投影面积；

vc——海水流速［11］。

2 研究对象及性能要求

2.1 结构尺寸

轻便型岸滩油料补给系统（图1）是一种为近岸油船收发油料的液货输转装备，使用漂浮钢制管线进行油料输转，系统中的漂浮转接平台是漂浮钢制管线与油船的过渡转接平台，也是钢制管线在海上的固定支点。

图1 轻便型岸滩油料补给系统示意图

漂浮转接平台的结构组成主要包括：球铰接头、旋转接头、球阀、操作平台及浮筒等，其示意图如图2所示。

图2 漂浮式转接平台示意图

转接平台各部分的功能［13］分别为：

a.操作平台。采用四片扇形页拼接而成，为管线的安装和球阀控制提供平台。

b.旋转接头。与油船受加油软管连接，采用90°弯头形式，可灵活转动，内部为通体式结构，保证清管球顺利通过。

c.球阀。用于在危险情况下的紧急控制，防止泄漏等情况发生。

d.球铰接头。漂浮钢管连接一段软管后与球铰接头柔性连接，在保证清管球顺利通过的前提下，可沿轴线45°摆动，360°旋转。

e.浮筒。为转接平台提供浮力，外层为钢板，内部填充泡沫，保证平台遭海水腐蚀、撞击或者武器损伤后仍能有效工作。为了降低平台重心，在浮筒下部增加配重，可采用外挂方式，也可以在桶内下部填充重物，文中按照桶内填充水泥配重的方式计算。

具体参数如下：

平台总重 1 172 kg

浮筒外径 0.96 m

浮筒高 0.696 m

水泥配重 395 kg

为了保证平台的稳定性，4个浮筒绕转接接头的轴线等距对称布置，其结构示意图如图3所示。

图3 转接平台框架尺寸示意图

2.2 模型及坐标系

考虑到模型结构会影响网格划分的质量和复杂度，从而影响计算的精度和时间，实际计算中需要对模型进行合理简化。转接平台上部的操作平台和接头部分受到的载荷主要为风载荷，而风载荷由于数值太小可被忽略，所以将转接平台上部的操作平台、接头部分质量等效到浮筒上进行简化。以水线面中心为原点，建立坐标系。计算模型和坐标系如图4所示。

图4 模型和坐标系示意图

2.3 性能要求

海上浮式平台的设计要充分考虑波流作用，以保证其稳定性和安全性，避免因稳定性较差而猛烈摇荡、因载荷过大而倾覆甚至拉断缆绳或走锚［14，15］。根据转接平台的实际用途，性能要求如下：

a.转接平台性能要达到4级海况下生存，3级海况下输油作业；

b.转接平台满足稳定、可靠两方面要求，既满足结构摇荡幅值达到规定要求，又保证系泊安全；

c.在满足要求a、b的前提下，尽量减小平台的总体质量和储存体积，方便装备的存储和展开、撤收。

3 结果分析

3.1 幅值响应算子分析

幅值响应算子（Response Amplitude Operator，RAO）是对应单位波幅规则波每个频率流过浮体引起的某个自由度幅值，反映了浮体每个自由度的波频响应。由于转接平台的结构形式为绕z轴中心对称分布，研究波浪方向对转接平台的影响时，只需考虑0°到45°即可，选取0、15、30、45°共4个波浪方向进行频域幅值响应算子的研究。当作用的波浪方向小于45°时，横荡、垂荡和横摇3个自由度上的运动响应最大，不同浪向的对比计算结果如图5所示，频域仿真AQWA模型如图6所示。

图5 不同浪向频域幅值响应算子对比曲线

图6 频域仿真AQWA模型

从图5可以看出，3个自由度有着不同的运动响应变化，但每个自由度都有对应的峰值频率。横荡方向上，幅值总体上随着频率和浪向角度的增加而减小，在浪向为0°时对应的峰值最大为7.026 m，峰值频率为开始点0.016 Hz。垂荡方向上，4个浪向幅值随频率的变化规律基本一致，低频段位移幅值均接近于单位波幅，这与实际情况相印证，当频率增加到某个数值时快速减小，但是在频率减小的过程中，4个浪向均在频率为0.660 Hz时出现幅值突增，其中0°浪向幅值最大达到2.456 m，考虑这是由于转接平台在该频率发生共振造成的。横摇方向上，4个浪向随着频率的增加幅值存在起伏，0°浪向峰值最大为11.411 m，峰值频率0.374 Hz。总体而言，转接平台的运动响应主要集中在低频范围内，高频范围的运动响应较小；运动响应随着浪向的增加而减小，0°浪向时的峰值最大，所以考虑转接平台的极限情况时应选择0°浪向。

3.2 不同系泊方式分析

通过对不同系泊方式的动态响应分析，选择合适的系泊方式。共设计了3种系泊方式，分别是一点系泊方式、四点系泊方式和八点系泊方式，选用的缆绳材料均为涤纶，缆绳直径0.04 m，最大允许拉力240 kN，水深为20 m，以转接平台的生存海况4级浪进行计算，4级浪的海况参数为有义波高2.5 m，波浪周期5.5 s，海流0.772 m/s。3种系泊方式的详细参数见表1，具体系泊示意图如图7所示。

表1 3种系泊方式的详细参数

图7 系泊方式示意图

实际海洋环境中浪和流的方向是随机不固定的，为了最大限度地考察转接平台的性能，笔者在设定浪和流方向一致的极限情况下进行计算。

在浪、流方向为0°时，转接平台的运动响应在横荡、垂荡、横摇3个自由度上最大，不同系泊方式分别在3个自由度上的对比曲线如图8所示，动态响应最大值列于表2。

表2 不同系泊方式转接平台动态响应最大值

图8 不同系泊方式运动响应对比曲线

从图8和表2可以看出，3种系泊方式在不同自由度上的运动响应差别不大，其运动响应峰值也非常接近，3种系泊方式的最大横荡为2.05 m，最大垂荡为2.07 m，最大横摇为11.45°，均对转接平台运动进行了有效的约束，满足转接平台在生存海况下的要求。

每种系泊方式因浪、流方向影响，不同缆绳的受力存在差异，其中靠近来流方向一侧的缆绳受力大，选取受力最大的缆绳计算它的拉力和起锚力，对比曲线如图9所示，最大值列于表2。

图9 不同系泊方式受力对比曲线

从图9和表2中可以看出，一点系泊的缆绳拉力和起锚力分别达到了54 664 N和51 972 N，明显高于四点系泊和八点系泊，这是由于一点系泊中只有一根缆绳和一个锚固点承受载荷，虽然缆绳安全系数为4.39，满足安全条件，但是由于所需锚固力过大，需要大型锚或者海底固定装置进行锚固，不符合设计要求“便于展开、撤收”的条件。

四点系泊和八点系泊相比，八点系泊的缆绳拉力和锚固力值均小于四点系泊，但是增加了1倍缆绳数量和锚固点的情况下，缆绳拉力和锚固力分别只减小了15.6%和23%，考虑到八点系泊运动响应并没有得到提升，并且四点系泊的起锚力最大值4 384 N满足较小锚固的要求，因此四点系泊方式更加符合转接平台的设计要求。

3.3 不同海况分析

为了更加全面地考察转接平台的性能，分别对不同海况下的结果进行计算对比，由3.2节可知四点系泊方式更加适合转接平台的设计要求，因此在四点系泊方式下分别对2级浪、3级浪、4级浪海况的平台动态响应进行计算，海况参数见表3，计算结果见表4。

表3 海况参数

表4 不同海况下转接平台动态响应最大值

由表4可见，随着海浪等级的增加，转接平台的运动响应、缆绳拉力和起锚力都有所增加，即使在最恶劣的4级海况下转接平台的系泊系统依然非常可靠，满足转接平台在4级海况下生存的要求。在3级海况下转接平台的最大倾角为7.89°，而平台的入水角为10.62°，其抗倾安全系数为1.346，而ABS和DNV规范规定漂浮式平台抗倾安全系数1.3，且一般规定漂浮式平台最大倾角小于10°［16］，所以转接平台在抗倾性能上符合要求；在横荡、垂荡、缆绳受力和起锚力方面，与4级海况相比均明显减小，远小于要求值，故在3级浪下该转接平台各项性能符合输油作业的要求。在2级浪下转接平台的运动响应非常小，平台可稳定运行。

4 结论

4.1 由频域幅值响应算子计算可见，转接平台的运动响应主要集中在低频区，且不同自由度上均存在峰值频率。在垂荡方向上，波浪与浮体固有频率有共振现象产生，要减小运动响应可考虑采取措施避免共振。

4.2 由不同浪向的幅值响应算子比较得到，0°浪向时转接平台的运动响应最大，可见海上浮体因结构特征存在极限浪向，在实际使用中尽量以45°浪向安装，可以减小环境荷载。

4.3 综合考虑缆绳受力和铺设实际，四点系泊方式兼具安装便捷和系泊可靠的优点，更加符合转接平台设计要求。一点系泊方式可考虑在有海底固定锚泊装置或有大型作业船的情况下使用。

4.4 通过计算不同海况下转接平台的动态响应可得，笔者所设计的转接平台各方面性能满足4级海况下生存，3级海况下输油作业的性能要求。