大型海上浮式結構物的浮態穩性分析

沈 雁

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京 211170)

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大型海上浮式結構物的浮態穩性分析

沈 雁

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京 211170)

采用NAPA軟件，研究大型海上浮式結構物的浮態穩性。通過計算得出靜水力曲線的同時對其浮態特征進行分析，在校核計算所設計大型浮式結構物的穩性要求基礎上，得出大型海上浮式結構物的排水量隨著吃水的增加而增加，其穩心垂向高度隨著吃水的增加而逐步降低。

浮式構筑物；浮態穩性；靜水力曲線

0 引言

21世紀是海洋的世紀。我國擁有豐富的海洋資源，若建立海上超大型浮式結構物，可以擔當起中轉站的作用，使飛機、艦船等在此停靠，隨時待命處理意外情況[1-2]。目前超大型浮式結構物主要集中在動力特性、水彈性響應、浮體間連接器設計和試驗技術等方面的研究[3-4]，而對其浮態穩性方面的研究相對較少。

本文著重研究大型海上浮式結構物的浮態穩性，通過采用NAPA軟件，計算得出靜水力曲線并分析其浮態特征，以及校核計算所設計大型浮式結構物的穩性要求，從而為超大型浮式結構物(VLFS)設計方案的研究奠定一定的基礎。

1 建立模型

本文設計的大型浮式結構物結構形式為半潛式結構。選用Geometry(GM)模塊建立半潛船的幾何模型。采用右手坐標系，坐標原點為基平面、中線面及中站面的交點，X軸為基平面與中線面的交線且指向艏部，Y軸指向左舷。根據NAPA定義船體幾何模型的特點，分別建立浮體的下體、立柱以及上體，再將三者連成一體[5]。最后得到的浮體幾何模型如圖1所示。

2 靜水力分析

2.1 排水量曲線

圖2給出了超大型浮式結構物排水量隨吃水變化的曲線。由圖中看出，超大型浮式結構物的排水量隨著吃水的增加而增加。當吃水小于9.5 m時，大型浮式結構物的浮箱在水線面上，此時，曲線的斜率較低；隨著吃水的增加，平臺立柱開始入水后，曲線的斜率有所增加，除了位于曲線拐點處，即吃水等于9.5 m時，曲線斜率基本恒定。

圖1 大型浮式結構物幾何模型

圖2 排水量曲線圖

2.2 浮心變化曲線

平臺的浮心隨著吃水變化而變化，其浮心變化曲線如圖3所示。由于平臺結構屬于首尾對稱、左右對稱，因此平臺浮心的橫向和縱向坐標始終為0，而其垂向坐標隨著吃水的增加而增加。與排水量隨吃水變化曲線相同，在吃水等于9.5 m時，曲線出現拐點。但與排水量不同的是，當吃水大于9.5 m后，浮心垂向坐標的變化隨吃水的增加而增加。

圖3 浮心變化曲線

2.3 漂心變化曲線

圖4為隨著吃水變化的水線面漂心變化曲線。漂心的橫向坐標為0，這是由于平臺左右對稱。而對于漂心的縱向坐標，當浮箱位于水線面以上時，坐標值略偏向平臺的尾部；當浮箱潛于水面以下后，漂心的縱向坐標也為0，并且隨著吃水的增加而保持不變，這是由于平臺立柱的首尾對稱性而導致的。

圖4 漂心變化曲線圖

2.4 穩心垂向高度

圖5為平臺的縱穩心、橫穩心垂向高度隨吃水變化曲線圖。圖中，平臺的縱穩心和橫穩心垂向高度均隨著吃水的增加而增加，但在任一吃水位置，縱穩心垂向高度遠大于橫穩心垂向高度。由圖5可以得出，曲線斜率隨著吃水的增加而逐步減小。在初始階段，當水線面位于立柱以下時，水線面的面積隨著吃水的增加幾乎保持不變；立柱與浮箱的過渡階段，由于水線面始終保持不變，且排水體積緩慢增加，初穩心半徑的減小趨勢逐步降低；當水線面達到立柱時，初穩心半徑的減小趨勢進一步減小。

圖5 穩心垂向高度隨吃水變化曲線

3 初穩性

大型浮式結構物在外力的作用下會偏離其平衡位置。為了保證大型浮式結構物能夠恢復到原來的平衡位置，必須具有足夠的穩性力矩，即當大型浮式結構物處于漂浮狀態時，應該有足夠的初穩性。中國船級社CCS的規范要求初穩性高經過自由液面修正后應當大于0.15 m。

3.1 初穩性高

當大型浮式結構物的漂浮狀態為正浮狀態時，通過調整加壓載水可以完成大型浮式結構物的下沉。所以，在吃水加大的過程中，大型浮式結構物的重心高度隨著吃水的增加而減小，初穩性高GM=穩心垂向高度KM-重心高度KG，此時，不考慮液艙自由液面的修正。縱穩性高GML、橫穩性高GMT隨著吃水的變化發生相應變化，其變化曲線如圖6所示。因為大型浮式結構物的長度遠大于其寬度，所以從圖6中看出，大型浮式結構物的縱向初穩性高在任一吃水處都遠大于其橫向初穩性高，但縱向初穩性高隨吃水的變化曲線與橫向初穩性高隨吃水的變化曲線具有相同的趨勢。當吃水小于9.5 m時，即大型浮式結構物的浮箱在水線面上時，初穩性高曲線和穩心垂向高度曲線都隨著吃水的增加而減少；當吃水大于9.5 m時，即當平臺立柱開始入水后，雖然穩心垂向高度KM隨著吃水的增加略有減少，但隨著吃水的增加，初穩性高GM也跟著增加，說明此時重心高度KG隨吃水增加的降低趨勢比穩心垂向高度KM的降低趨勢更加顯著；當吃水等于9.5 m時，整條縱穩性高GML、橫穩性高GMT都達到曲線最低點，此時，大型浮式結構物的水線由浮箱開始過渡到立柱。因此，為了使得大型浮式結構物的初穩性高在整個過渡過程中都滿足要求，只要保證吃水等于9.5 m處的初穩性高滿足要求即可。

圖6 穩性要素曲線

3.2 初穩性校核

利用NAPA軟件，初穩性高可以直接讀取，動靜穩性曲線及進水角也可通過軟件輸出。初穩性高等于靜穩性曲線在原點的斜率。由此可知，超大型浮式結構物的未經自由液面修正的初穩性高GM0等于4.606 m。因為本文的大型浮式結構物設有淡水艙、污水艙、壓載水艙等艙室，如果艙內存在自由流動的自由液面會減低其初穩性高，從而降低結構物的穩性，因此，為了減少自由液面的影響，超大型浮式結構物的壓載艙應采用縱向小隔艙，且盡可能地保證壓載艙的液體大于95%或者小于5%。

自由液面對初穩性高的修正值：

式中：ix為自由液面的面積對其傾斜軸線的橫向慣性矩，m4；ω1為液體的重力密度，t/m3；D為排水量，本文超大型浮式結構物D=95 070t。

初穩性高計算結果見表1。表中，大型浮式結構物的初穩性高GM經過自由液面修正后為3.346m，

大于規范要求的0.15m，因此滿足服役條件。

表1 初穩性高計算結果

4 結論

本文利用NAPA軟件計算了靜水力曲線，通過各曲線分析說明了其浮態特征，并對大型海上浮式結構物的初穩性進行了校核計算。結論如下：

(1) 大型海上浮式結構物的排水量隨著吃水的增加而增加。

(2)穩心垂向高度隨著吃水的增加逐步降低。

(3)經修正后的初穩性高度為3.346 m，滿足規范要求。

[1] 崔維成,吳有生,李潤培，等.超大型海洋浮式結構物動力特性研究綜述[J].船舶力學,2001,5(1):73-81.

[2] 王志軍,李潤培,楊建民，等.超大型海洋浮式結構物概念設計綜述[C]//中國造船工程學會.第一屆全國船舶與海洋工程學術會議論文集.北京：中國造船工程學會，2000:666-672.

[3] 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立[J].船舶設計通訊,2003(1):36-40.

[4] 秦宇.NAPA軟件在船舶總體性能設計上的應用[J].廣東造船,2010,29(2):34-36.

[5] 中國船級社.海上移動平臺入級規范[M].北京：人民交通出版社,2012.

2015-12-21

江蘇省航海學會科研項目(2015B10)，江蘇省高校自然科學研究資助經費項目(16KJB580013)，江蘇海事職業技術學院“千帆新銳”項目(XR1503)部分成果。

沈雁(1981—)，女，碩士，講師，主要從事海洋工程研究。

U661.2+2

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