環狀多模塊浮動平臺動力學建模及響應特性研究

吳 博 張亞新 黃自華 鄭 永 曹 政

(株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南株洲 412000)

一、引言

隨著海洋資源探索開發的推進[1]，各種新興海洋工程裝備應運而生，其中超大型海上浮式結構物也稱為超大型海上浮動平臺（Very Large Floating Struture，簡稱VLFS）的研究最為熱點。VLFS是尺度以公里記的海洋工程結構物，遠遠大于現有的海上平臺的尺度[2]。VLFS可布置在近海或遠海區域工作，由于它的漂浮式特點，VLFS在防震抗震方面亦具有優越性[3]。

早在20世紀初，就有一位名叫Edward Armstrong的美國人提出了建造浮式中繼機場的想法，名為阿姆斯特朗海上機場，目的是為跨越大西洋的國際航班提供導航和補給服務[4]。但由于當時的科技研究技術能力有限，僅進行到了1∶32的模型試驗。日本由于國土面積小和國家地理位置的緣故，投入研究精力在海上發展。考慮到日本地震多發及海上平臺良好的抗震性，日本自20世紀70年代就開始深入研究VLFS。1995年四月，日本提出了一種超大型浮式機場的概念，并取名為“Mega-Float”，它采用箱式浮體結構。為此日本成立了專門的技術研究協會（TRAM）來研究浮式機場建造技術的可行性。并在研究結束后建造了仿真模型機場，在經過實驗之后模型機場被拆除。

同樣對超大型海上浮式結構平臺有深入研究的還有美國。從1985年開始，美國就一直參加或召開關于此研究課題的國際會議。在1997～2000年之間，美國海軍研究團隊投入經費深入研究可移動式海上基地——MOB（Mobile Offshore Base）。Brown&Root公司設計出一種5模塊半潛式模塊化結構，模塊之間用8個連接器剛性連接，整個MOB總長可達到2000m。1996年McDerrnott公司提出了鉸鏈連接方案，到1997年Bechtel公司提出了動力定位的獨立模塊式方案，同年阿克公司提出了鋼筋混凝土和鋼結構組合方案，再到1998年Kvaerner公司提出柔性橋連接方案。

本文開展環狀多模塊超大型海上浮式平臺的動力學響應分析。首先基于線性波浪理論和振動力學理論建立超大型浮動平臺多自由度系統動力學模型。針對六模塊環狀超大型浮動平臺開展平臺運動響應和連接器載荷分析，考慮非規則波輸入，開展模塊響應和連接器載荷極值響應分析，為環狀超大型浮動平臺的設計提供理論指導。

二、計算模型

圖1 六邊形平臺浮體模塊坐標平面示意圖

圖2 六邊形平臺連接器坐標示意圖

所有模塊間的連接器剛度均定義為僅考慮三向線位移約束的剛度矩陣

三、結果與討論

計算模型中單浮體模塊采用箱式模型，其基本參數如表1所示。

表1 單浮體參數表

采用數值計算軟件編制動力學求解程序，求解系統動力學模型，可獲得浮體系統的模塊響應和連接器載荷。為了了解系統在規則波激勵下的幅頻響應特性，首先繪制了典型浪向角下的浮體模塊和連接器載荷響應幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）。圖3給出了0°浪向角下浮體模塊三個主要自由度的響應幅值算子圖。從圖中可以看出，垂蕩和橫搖運動響應在0.3rad/s附近存在共振峰。縱搖和艏搖運動在0.5-1rad/s附近存在共振響應。

圖3 0°浪相角下浮體模塊響應RAO

為了進一步研究連接器載荷的響應情況，同樣給出0°浪向角下，連接器載荷的響應幅值算子，如圖4所示。從圖中可以看出，縱向連接器載荷在0.5rad/s-1rad/s之間存在峰值，橫向載荷的峰值基本與縱向載荷的峰值區間基本一致。垂向載荷的峰值主要出于0.5rad/s左右，均低于橫向和縱向載荷的峰值區間。從峰值大小來看，橫向載荷明顯小于連接器的縱向和垂向載荷一個量級。這是由于本計算采用箱式浮體，浮體彎矩較大，會產生巨大的縱向連接載荷。橫向連接載荷較小的原因是連接器由于環狀浮體的耦合作用，橫向載荷可以由不同的方向連接器進行分擔。

圖4 0°浪相角下浮體模塊間連接器響應RAO

下面開展非規則波激勵下浮體運動響應和連接器載荷響應特性研究。為了研究，采用JONSWAP波譜開展研究，因為該波譜為標準波譜，這里不做詳細介紹。圖5給出了浮體運動響應的千一響應極值隨浪向角的演化情況圖。從圖中可以看出，浮體運動響應在0-180°內存在明顯的三個響應峰值。響應峰值分別處于30°、90°和150°附近。從總體響應峰值可以看出，該浮體的平動響應較大，轉角響應均相對較小。

類似圖5所示，圖6給出了浮體間連接器載荷的千一響應極值隨入射波浪向角的變化情況圖。從圖中可以看出，連接器載荷與浮體運動響應的變化趨勢基本一致，這是由于本文采用線彈性柔性連接器，故連接器載荷與浮體間相對運動幅值線性相關。對比圖5和圖6可以看出，對于浪向角處于60和120°時，浮體模塊的運動響應和連接器載荷均相對較小，此時可作為環狀超大型浮動平臺的布設方向。

四、結束語

本文對新型環狀超大型浮式平臺開展動力學建模與響應特性分析。開展了波浪頻率及入射角對平臺運動響應及連接器載荷的影響研究，得到如下結論：

1.當波浪激勵頻率在0.3-0.8(rad/s)和1.2(rad/s)附近時，浮體模塊RAO響應及連接器載荷產生明顯的共振峰值。

2.當浪向角為60°和120°時，浮體模塊的運動響應和連接器載荷相對較小，可以選擇40°或140°作為環狀超大型浮動平臺的布置浪向角。