柱穩式錨泊浮臺的設計波建模與仿真*

（海軍航空大學 煙臺 264000）

1 引言

對于浮臺結構來說，波浪力是浮臺所承受載荷中最為顯著的載荷［1～2］。對波浪載荷的校核是浮臺安全性的基礎，要想算出波浪力，必須先算出設計波。本文所計算的海洋結構物為較為特殊的高度對稱結構，并沒有完全合適的規范，故本文采用了《海上移動平臺結構狀態動態評價及應急響應指南》［3］中的規定，計算了使柱穩式錨泊浮臺受力最大的設計波。

2 海洋浮臺幾何模型

海洋浮臺的幾何模型采用ANSYS軟件建模完成，模型采用殼體建模實現。模型如圖1。結構包括甲板及甲板桁材、甲板扶強材，立柱外板及立柱桁材立柱扶強材，底部外板，底部內部艙室與構件，以及立柱之間的橫撐結構等。其余結構整流罩以及整流罩基座等結構以質量點的形式加載在相應的位置。

圖1 浮臺幾何模型

在水動力分析中，只需要建立浮臺的外殼模型［4］，保證濕表面是連續的且法向朝外，并在水線處對外殼模型進行切斷。采用ANSYS Design Modeler幾何模塊對浮臺進行幾何編輯，提取浮臺的外殼，如圖2。

圖2 浮臺水動力模型

浮臺的尺寸等相關數據如表1所示。

表1 浮臺相關技術參數

3 設計波的選擇與仿真

當今，有許多的學者都提出了關于設計波參數的選取方法，國外學者Salvesen N等［5］以步長15°浪向 區 間 0°～180°，步 長 0.05rad/s、頻 率 0.1rad/s～1.5rad/s的方法搜索了設計波，然而這種方法過于繁瑣，造成了很大的工作量。因此，本文在規范的基礎上，參照浮臺自身的情況，結合經驗選取了設計波的參數。

根據CCS《海上移動平臺結構狀態動態評價及應急響應指南》的規定，結合本文所研究浮臺高度對稱且無自航能力的特點，選取主要控制參數其中的三種：中縱剖面的縱向剪力、艏搖扭矩與垂向彎矩。

3.1 設計波的篩選范圍與波高

平臺的主尺度特征是波浪搜索的具體實施方案的依據［6～7］，波浪的方向被假定是等概率分布，波浪的浪向區間為0°～180°，步長60°。考慮到平臺的對稱性，實際選取時只需考慮0°和60°方向即可。波長搜索范圍在0.5D～2.5D之間，D為浮臺特征直徑，為18m，對應周期為2.4s～5.8s［8］。

規則波最大設計波高是基于規則波波陡計算得到，規則波的波陡一般根據百年一遇規則波條件［9］確定。規則波的波陡定義如下：

式中，g為重力加速度，H為規則波波高，T為規則波周期。

規則波波陡通常不必超過以下公式確定的數值［10］：

當T≤6s時，

當T＞6s時，

式中，H100為百年一遇規則波最大設計波高。

確定特征波的方向和波長，由平臺幾何參數和荷載控制參數共同確定［11］。計算單位規則波波幅下的響應幅值（控制參數的RAOs），將RAOs函數值與相應周期對應的波高（由周期和波陡可確定波高）相乘，得到不同周期、波高下的響應值，波周期范圍建議不必小于3s且不必超過18s。

確定搜索范圍后，選取上述響應值的最大值所對應的波高和周期［12］，即為浮式平臺整體結構分析所采用的設計波高和周期。

3.2 縱向剪力控制下的設計波

為得到使浮臺縱向剪力最大時的波浪參數，提取0°和60°波浪方向下浮臺剪力大小FL隨波浪頻率的關系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 剪力大小隨波浪頻率變化（浪向0°）

圖4 剪力大小隨波浪頻率變化（浪向60°）

當波浪方向0°，波浪頻率為0.198Hz，相位角為87.87°時縱向剪力達到最大，此時設計波姿態見圖5。

圖5 縱向剪力控制下的波浪姿態

3.3 首搖扭矩控制下的設計波

提取各波浪方向下浮臺首搖扭矩隨波浪頻率的關系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 首搖扭矩隨波浪頻率的關系曲線（浪向0°）

圖7 首搖扭矩隨波浪頻率的關系曲線（浪向60°）

在60°方向波浪下，浮臺出現最大首搖扭矩，其峰值對應的波浪頻率為0.172Hz，最大扭矩對應相位角-107.3°。最大首搖扭矩對應波浪姿態如圖8所示。

圖8 最大首搖扭矩對應的波浪姿態

3.4 垂向彎矩控制下的設計波

提取各浪向下浮臺垂向彎矩隨波浪頻率的關系曲線如圖9、圖10所示。

圖9 垂向彎矩隨波浪頻率的關系曲線（浪向0°）

圖10 垂向彎矩隨波浪頻率的關系曲線（浪向60°）

在0°方向波浪下，浮臺出現垂向最大彎矩，其峰值對應的波浪頻率為0.185Hz，中拱時對應的相位角7.8°，中垂時對應的相位角為187.8°。對應的波浪姿態如圖11、圖12所示。

圖11 中拱對應的波浪姿態

圖12 中垂對應的波浪姿態

首先根據各控制參數的RAOs曲線來確定設計波方向和頻率，再根據規則波浪的頻率與周期的關系，得到波浪周期，最后根據式（2）得到設計波波高。因此各控制參數對應的設計波參數見表2。

表2 各控制參數對應的設計波參數

所以工況設計為

工況一：縱向剪力最大的設計波工況；

工況二：首搖扭矩最大的設計波工況；

工況三：浮臺中拱的設計波工況；

工況四：浮臺中垂的設計波工況。

4 結語

本文基于《海上移動平臺結構狀態動態評價及應急響應指南》中的規范，選擇了中縱剖面的縱向剪力、艏搖扭矩、垂向彎矩三種控制參數，通過結算，得到了縱向剪力最大的設計波工況、首搖扭矩最大的設計波工況、浮臺中拱的設計波工況、浮臺中垂的設計波工況四種工況下的設計波參數，為接下來的柱穩式錨泊浮臺的結構校核提供了計算依據。