基于 AQWA 的 2 種立柱結構的半潛式海洋平臺水動力特性研究

唐文獻，高 澤，張 建，黃海濤，陳曉雯

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

基于 AQWA 的 2 種立柱結構的半潛式海洋平臺水動力特性研究

唐文獻，高 澤，張 建，黃海濤，陳曉雯

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

本文在現役海洋平臺結構基礎上，設計 2 種不同立柱式結構的半潛海洋平臺。首先，根據 2 種不同立柱結構平臺設計的主要參數，建立平臺的三維模型；其次，建立 2 種平臺的水動力模型，在相同的環境載荷下，運用 AQWA 軟件對其進行數值模擬，得到 2 種平臺頻域下的水動力運動響應等數據，對比研究水動力的關鍵因素對不同立柱結構平臺的影響；最后，在 Ansys/Workbench 中對 2 種平臺的運動響應（RAO）進行后處理分析，得到結果與函數曲線吻合，從而為平臺試驗模型的搭建提供理論基礎。

半潛式海洋平臺；立柱結構；水動力特性；AQWA

0 引 言

隨著全球能源供應的緊缺，石油、天然氣的開采越來越受到重視。然而，我國對石油和天然氣的開采主要停留在淺海區域，開采設備和技術人員的開采能力較弱。在世界各國對深海資源激烈競爭的國際形勢和我國在海洋事業的投入力度加大的背景下，對海洋平臺技術的研究顯得尤為重要。

由于平臺在惡劣的環境載荷作用下會產生波頻搖蕩運動和低頻漂移運動，因此半潛平臺立柱結構的設計和水動力特性的分析具有重要意義。許多學者針對水動力的各種特性對平臺結構的影響做了大量研究。朱航等[1]以“海洋 981”平臺進行研究，采用風洞實驗研究了 0o～ 90o風載荷與平臺表面風壓力分布規律，進行了測壓實驗和測力實驗，得到了表面風壓系數，從而計算了平臺所受的整體風載荷，實驗結果與數值模擬結果基本相同。StDenis[2]把船舶的搖蕩運動看成一個隨機的過程，提出了船舶在不規則波中的運動計算方法。Koevin Kroukovsky[3]首次提出了切片理論，并計算了船舶的縱蕩和垂蕩運動。張金平等[4]對海洋平臺波浪理論和波浪力計算方法的發展情況進行了綜述，總結了不同波浪理論的優缺點和適用范圍。宋安科[5]對第五半潛式平臺進行了水動力分析，得到了水動力時間歷程響應曲線。張鳳偉[6]運用 AQWA 軟件建立了風機安裝船的頻域計算模型，對安裝船的水動力性能進行了系統地分析。吳瀾等[7]針對深水半潛式平臺，建立了三維水動力模型，使用 AQWA 軟件進行數值模擬，研究了水動力系數變化特征并進行了運動響應預報。

本文在現役半潛平臺立柱結構的基礎上，設計 2種不同立柱結構的平臺，以滿足平臺在深水作業時的工作要求，運用 AQWE-LINE 模塊對 2 種平臺進行頻域下的水動力分析，并對分析結果進行后處理，為半潛式平臺的設計提供理論支撐。

1 兩種立柱結構的半潛式海洋平臺設計

隨著時間的推移，海洋石油的開發已經從淺水到深水，使開發深度進一步加大和開采能力進一步提高。由于半潛式海洋平臺的優良性能，能夠適應復雜的海況，使其最近幾年發展迅速，逐步在石油、天然氣的開發中占據重要地位，海洋平臺正在向著鉆井深度超過 12 000 m，工作水深超過 3 000 m的方向發展。

在海洋深水區域，平臺所受的環境載荷極其惡劣，特別是波浪載荷對平臺立柱影響極大，這就要求有優良的立柱結構來抵擋各種不規則波浪所產生的力對平臺的影響，作業人員要時刻監控平臺隨時間變化的運動響應。根據 API RP 2SK《浮式結構定位系統的設計與分析規范》、CCS2005《海上移動平臺規范》等規范，設計了 2 種不同立柱結構的半潛式海洋平臺，由雙浮體、六立柱，箱型封閉式上平臺等組成，結構如圖 1 和圖 2 所示，尺寸如表 1 和表 2 所示。

2 兩種平臺的水動力學模型

2.1 水動力計算理論研究

表1 A 型立柱結構平臺尺寸參數Tab. 1 Dimension parameters of A type column structure platform

表2 B 型立柱結構平臺尺寸參數Tab. 2 Dimension parameters of A type column structure platform

深水半潛式海洋平臺由于工作環境的惡劣性，導致每時每刻承受環境載荷的影響，并且環境載荷具有隨機性，導致平臺會產生振動和變形，平臺所受載荷主要有風載荷、浪載荷、流載荷，其中波浪載荷對平臺的影響最大[8]。

波浪載荷的計算方法有特征波法和譜分析法[9]。特征波法選擇單一規則波的有效波高、周期和平臺的有關尺寸代入 Morison 公式（小尺寸結構物）或繞射理論公式（大尺寸結構物）計算波浪力。譜分析法認為波浪是許多不同周期和波高的規則波迭加成的不規則波，主要是利用概率論的方法和海浪譜來精確反應波浪力，一般選擇不規則波 JONSWAP 譜，更有實際意義。

由北海聯合波浪研究計劃發展得到的 JONSWAP譜，適用于歐洲北海地區，其形式為：

式中：f 為頻率，Hz，

式中：f0為 S（f）的極大值所對應的頻率值，與風區參數 F 有關，

2.2 平臺網格劃分與數值模型建立

將上述結構簡化模型導入 Workbench 中進行網格劃分，由于分析海洋平臺的水動力響應等數據，因此只要建立其濕表面模型即可。大尺度結構物的模型單元選擇如 shell63 等 Panel 單元。首先將簡化的模型進行抽殼、冷凍、切片處理，再要對水面在平臺的高度進行設定，然后對模型進行重心質量和重心位置的設定，最后進行網格劃分，劃分網格時要考慮以下事情：1）劃分的網格單元一般為四邊形，單元尺寸小于入射波的波長；2）單元的橫縱比盡量統一且要大于1/3；3）網格單元要覆蓋平臺濕表面；4）一個波長要最少覆蓋模型的 7 個最大的單元尺寸，網格越細，計算量越大，但可計算的波浪頻率也增大。經過調節網格尺寸與大小，選擇網格尺度為 3 m，采用均勻方式劃分。平臺水動力模型如圖 3 和圖 4 所示。

3 兩種平臺水動力特性的數值模擬結果

運用 AQWA-LINE 模塊對兩種不同立柱結構平臺橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、首搖 6 個自由度方向的一階波浪力和平臺運動響應進行計算，并對計算結果進行后處理。

3.1 一階波浪力

一階波浪力是與波浪頻率相等的振蕩力，引起低頻運動，與波高成線性關系[10]。包括繞射波浪力和入射波浪力。波浪作用下半潛式平臺周圍波浪的繞射作用非常復雜，在線性理論為基礎的假設中，目標平臺為一個線性系統，平臺在單一頻率的入射波作用下，一階波浪力的大小與入射波的幅值成正比。一階波浪力通常以頻率響應函數的形式來表示，即單位波浪作用下半潛式平臺的系統響應。一階波浪力的幅值響應，如圖 5 和圖 6 所示。

由于波浪載荷對平臺垂蕩方向運動影響較大，因此分析垂蕩方向波浪力的大小尤為重要。A 型立柱平臺垂蕩方向在低頻區域產生的力最大，為 2.4 × 107N；B 型立柱平臺垂蕩方向在低頻區域產生的最大力為 2.2 × 107N；所以，B 型立柱平臺在垂蕩方向低頻區域內較為穩定。

3.2 運動響應（RAO）

在頻域分析中，半潛式海洋平臺在規則波的作用下存在 6 個自由度的運動和響應 6 個方向的波浪力和力矩，由于平臺是一個線性系統，通過水動力分析能夠得到這些量隨時間的響應傳遞函數 RAO[11]，表示單位波高作用下的運動響應。A 型平臺與 B 型平臺運動響應函數如圖 7 和圖 8 所示。

根據圖像可看出，2 種平臺的縱蕩運動在低頻區域明顯，在高頻區域趨于 0，說明縱蕩運動主要呈現低頻特性；A 型平臺橫蕩運動在低頻區域內高于 B 型平臺，并且隨著頻率的增加而減小，說明橫蕩運動呈現低頻特性和波頻特性；同時，2 種平臺垂蕩運動在0.4 ～ 1.0 rad/s 時變化劇烈，且 A 型平臺垂蕩方向變化比 B 型平臺劇烈，呈現低頻特性；而縱搖、橫搖的變化趨勢和垂蕩一樣，主要是波頻特性。所以，A 型平臺在垂蕩方向運動隨時間變化的運動響應比 B 型平臺更明顯，B 型立柱平臺更為穩定。

4 兩種平臺 Ansys/WorkBench 后處理分析

通過后處理功能，顯示波浪作用方向與平臺浮體方向成 90o下 2 種平臺運動響應（RAO），并對分析結果進行對比。其中波浪頻率設置為 0.233 Hz，波高設置為 2 m。

利用平臺 6 個自由度的運動響應求出每個波浪頻率下的運動響應，再疊加即可得到多個波浪作用下的平臺運動。通過 Workbench 的后處理可以得到 2 種平臺幅值運動響應（RAO）云圖[12]，如圖 9 和圖 10 所示，在頻率為 0.233 Hz，幅值為 2 m 時，A 型平臺的最大位移為 5.195 9 m，B 型平臺的最大位移為 5.095 5 m，均出現在平臺迎浪方向的波峰處，B 型平臺的位移略小于 A 型平臺。

5 結 語

本文以現役海洋平臺為基礎，設計了 2 種不同立柱結構的半潛式海洋平臺，并建立水動力數值模型運用 AQWA 軟件進行數值計算，得到不同立柱結構動響應等數據。結果分析如下：

1）在相同環境載荷作用下，計算得到 2 種平臺6 個自由度方向所受一階波浪力隨時間變化的曲線由于海洋平臺的主要作用是鉆井，所以垂蕩方向受的大小決定了平臺的穩定性。根據計算結果，B 型臺比 A 型平臺在垂蕩方向更加穩定。

2）在相同環境載荷作用下，計算得到 2 種平臺6 個自由度方向隨時間變化的運動響應，得到函數圖像，可以得知平臺運動變化趨勢，為響應預報做準備。同時，在低頻區域內，A 型平臺比 B 型平臺運動更加劇烈，所以 B 型平臺在垂蕩方向更加穩定。最后，運用 Workbench 對 2 種立柱平臺運動響應（RAO）進行后處理，得到結果與函數曲線相吻合，為平臺試驗模型建立提供了理論依據。

[1]朱航, 馬哲. 梯度風作用下HYSY-981半潛式鉆井平臺平面風載荷與表面風壓分布研究[J]. 航海工程, 2007, 22(4): 270–274.

[2]St. D enis, M. and Pierson, W. J. Jr. On the motions of ships in confused sesa[J]. Trans, SNAME, 1953, 61, 280–358.

[3]KOEVIN-KROUKOVSKY B V. Investigtion of ship motion [J]. Trans, SNAME, 1955, 63.

[4]張金平, 段艷麗, 劉學虎. 海洋平臺波浪載荷計算方法的分析和建議[J]. 石油礦場機械, 2006, (3): 10–14.

[5]宋安科. 深水半潛式鉆井平臺錨泊系統方案設計與分析[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2008.

[6]張鳳偉. 風機安裝船海上作業運動及其流體動力分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

[7]吳瀾. 基于AQWA的半潛式平臺水動力特性研究[J]. 中國海洋平臺, 2014, 29(5): 29–30.

[8]賈德君, 李范春. 深水半潛式海洋平臺極限波浪環境載荷計算[J]. 強度與環境, 2016, 43(1): 41–48.

[9]黃祥鹿, 陸鑫森. 海洋工程流體力學及結構動力響應[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1992.

[10]沈慶, 江召兵. 浮體和浮式多體系統流固耦合動力分析[M].北京: 科學出版社, 2011.

[11]YANG Min-dong, TENG Bin. Static and dynamic analysis of mooring lines by nonlinear finite element method[J]. 中國海洋工程(英文版), 2010, 24(3): 417–430.

[12]白雪平. 深水半潛式平臺錨泊系統設計研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2008.

A study on the hydrodynamic characteristics of semi-submersible offshore platform with two column structures based on AQWA

TANG Wen-xian, GAO Ze, ZHANG Jian, HUANG Hai-tao, CHEN Xiao-wen
(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

This paper based on the structure of the marine platform, two kinds of semi-submersible offshore platform with different column structures are designed. First of all, according to the two main parameters of different column structure of the platform, three-dimensional model of two platforms were designed; Secondly, the hydrodynamic model of two platform were established, and simulate the motion response by using AQWA software, the results of two platform were acquired, and analyed the key factors of hydrodynamic to influence different column structure platform; Finally, two in response to the motion of the platform (RAO) were analyed in ANSYS/Workbench, the result is in agreement with the curve which can provide a theoretical basis for the platform model test.

semi-submersible；column structure；hydrodynamic analysis；AQWA

TV53+8.3

A

1672–7619(2017)05–0082–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.016

2016–09–01；

2017–03–10

江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)-青年基金資助項目(BK20150469)

唐文獻(1962–)，男，教授，主要研究方向為深海裝備設計理論研究及其系統集成。