柱穩(wěn)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(guī)范，故本文采用了《海上移動平臺結構狀態(tài)動態(tài)評價及應急響應指南》［3］中的規(guī)定，計算了使柱穩(wěn)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(xiàn)。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(nèi)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(zhì)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(xù)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(shù)據(jù)如表1所示。

表1 浮臺相關技術參數(shù)

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(shù)的選取方法，國外學者Salvesen N等［5］以步長15°浪向 區(qū) 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(guī)范的基礎上，參照浮臺自身的情況，結合經(jīng)驗選取了設計波的參數(shù)。

根據(jù)CCS《海上移動平臺結構狀態(tài)動態(tài)評價及應急響應指南》的規(guī)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(shù)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(jù)［6～7］，波浪的方向被假定是等概率分布，波浪的浪向區(qū)間為0°～180°，步長60°?？紤]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(guī)則波最大設計波高是基于規(guī)則波波陡計算得到，規(guī)則波的波陡一般根據(jù)百年一遇規(guī)則波條件［9］確定。規(guī)則波的波陡定義如下：

式中，g為重力加速度，H為規(guī)則波波高，T為規(guī)則波周期。

規(guī)則波波陡通常不必超過以下公式確定的數(shù)值［10］：

當T≤6s時，

當T＞6s時，

式中，H100為百年一遇規(guī)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(shù)和荷載控制參數(shù)共同確定［11］。計算單位規(guī)則波波幅下的響應幅值（控制參數(shù)的RAOs），將RAOs函數(shù)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(shù)，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(tài)見圖5。

圖5 縱向剪力控制下的波浪姿態(tài)

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(xiàn)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(tài)如圖8所示。

圖8 最大首搖扭矩對應的波浪姿態(tài)

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(xiàn)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(tài)如圖11、圖12所示。

圖11 中拱對應的波浪姿態(tài)

圖12 中垂對應的波浪姿態(tài)

首先根據(jù)各控制參數(shù)的RAOs曲線來確定設計波方向和頻率，再根據(jù)規(guī)則波浪的頻率與周期的關系，得到波浪周期，最后根據(jù)式（2）得到設計波波高。因此各控制參數(shù)對應的設計波參數(shù)見表2。

表2 各控制參數(shù)對應的設計波參數(shù)

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(tài)動態(tài)評價及應急響應指南》中的規(guī)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(shù)，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(shù)，為接下來的柱穩(wěn)式錨泊浮臺的結構校核提供了計算依據(jù)。