多浮箱拼接浮體連接器動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

懷利敏　李艷貞　王領(lǐng)

摘? ? 要：連接器是多浮箱拼接浮體的重要承載構(gòu)件，其強(qiáng)度直接影響多浮箱拼接浮體的安全性。本文通過(guò)數(shù)值仿真軟件對(duì)多浮箱運(yùn)動(dòng)及受力狀況進(jìn)行模擬，并進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，分析在四級(jí)海況下連接器的載荷特性，并分析剛度對(duì)縱向連接器載荷的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：多浮箱拼接浮體;連接器;水動(dòng)力計(jì)算;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：P751? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Dynamic Response of Connector for Multi-buoyancy Tank

Splicing Platform Tanks

HUAI Limin LI Yanzhen WANG Ling

（ 1. Unit 92228， Beijing 100072; 2. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Connector is an important load bearing component of multi-buoyancy tank splicing platform. The strength of connector directly affects the safety of multi-buoyancy tank splicing platform. In this paper， the motion and stress conditions of the buoyancy tanks are simulated by the numerical simulation software， the hydrodynamic calculation is conducted， the load characteristics of connectors under level 4 sea state are analyzed， then the influence rule of stiffness on longitudinal connector load is analyzed.

Key words： Multi-buoyancy tank splicing platform; Connector; Hydrodynamic calculation; Dynamic response

1? ? ?前言

多浮箱拼接式浮體，是由多個(gè)浮箱模塊通過(guò)不同類型的連接器拼接而成，其主要功能是在近岸海上將運(yùn)輸船上的車輛物資，通過(guò)滾裝和吊裝方式卸載到浮體上。該浮體能夠與駁運(yùn)設(shè)備對(duì)接，將車輛物資駁運(yùn)上岸卸載。

多浮箱拼接式浮體的浮箱模塊通常采用集裝箱化設(shè)計(jì)。其不僅要求箱體尺寸和角件位置與集裝箱相同，更對(duì)箱體接頭提出了更高的要求。連接接頭須具備以下特點(diǎn)：接頭可拆卸，拆卸接頭后箱體四周無(wú)凸出物，達(dá)到集裝箱的外形尺寸規(guī)格;箱體兩側(cè)和端面、甲板和底板都用同一種接頭，接頭通用化提高了單元模塊拼接的靈活性;接頭通常有兩種型式：一種為剛性接頭，用于箱體之間剛性連接;另一種為半柔性鉸接頭，用于較大模塊之間的連接。

多浮箱拼接式浮體在使用過(guò)程中，承受來(lái)自風(fēng)、浪、流等多種環(huán)境載荷的作用，這些環(huán)境載荷最終通過(guò)浮箱模塊傳遞到連接器上，過(guò)大的連接器載荷可能會(huì)造成連接器的變形或斷裂，最終影響多浮箱拼接浮體的使用和安全性。因此，對(duì)連接器在環(huán)境載荷作用下進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，對(duì)連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

目前對(duì)多模塊連接器載荷的研究，主要有四種計(jì)算模型：剛性模塊柔性連接器模型;柔性模塊剛性連接器模型;柔性模塊柔性連接器模型;剛性模塊剛性連接器模型。Wu C F[1]根據(jù)剛性模塊柔性連接器假設(shè)，建立模塊六自由度運(yùn)動(dòng)方程和連接器三自由度運(yùn)動(dòng)方程，結(jié)合隨機(jī)波浪理論得到連接器的載荷;Kim D[2]等分別根據(jù)幾種計(jì)算模型對(duì)八級(jí)海況下浮式海上基地連接器的載荷進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了有意義的結(jié)果;余瀾[4]等分別從是否考慮模塊間的水動(dòng)力相互作用問(wèn)題出發(fā)，對(duì)多模塊大型浮體間連接器的載荷進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

本文基于剛性模塊半柔性連接器假設(shè)，采用非線性時(shí)域分析法，對(duì)由多個(gè)浮箱模塊拼接而成的浮體間的橫向和縱向連接器，在四級(jí)海況下所受的載荷進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并對(duì)縱向連接器剛度進(jìn)行了敏感性分析，得到縱向連接器載荷的變化規(guī)律。

2? ? ?計(jì)算模型

多浮箱拼接浮體是由9個(gè)浮箱單元（編號(hào)P1～P9），通過(guò)橫向連接器（編號(hào)T1～T24）、縱向連接器（編號(hào)L1～L12）連接成一個(gè)整體;相鄰兩浮箱之間橫向布置4組橫向連接器、縱向布置2組縱向連接器，共有橫向連接器24個(gè)、縱向連接器12個(gè)，如圖1所示。

橫向連接器為剛性連接，兩端承受三個(gè)自由度的力和彎矩;縱向連接器兩端鉸接，僅承受三個(gè)自由度的力而不承受彎矩，相當(dāng)于半柔性連接。

坐標(biāo)系XiOiYi為綁定在單個(gè)浮箱上的局部坐標(biāo)系，可隨浮箱的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng);坐標(biāo)系XOY為全局坐標(biāo)系，不隨任何物體運(yùn)動(dòng);兩個(gè)坐標(biāo)系均符合右手法則，X軸指向系泊端浮箱為正，Y軸指向左舷為正，Z軸向上為正，坐標(biāo)原點(diǎn)位于P5浮箱的中心且XOY平面位于水線面上。

浪向角定義如下：沿X軸正向?yàn)?°（或360°）浪向角，沿X軸負(fù)向?yàn)?80°浪向角;以0°浪向角方向?yàn)槠鹗挤较颍鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)到θ°，則為θ°浪向角，風(fēng)向和流向角度的定義，與浪向角類似。

3? ? 計(jì)算參數(shù)

多浮箱拼接浮體適用水深為30 m，通過(guò)單點(diǎn)系泊實(shí)現(xiàn)其自身的海上定位。其中：?jiǎn)蝹€(gè)浮箱總長(zhǎng)～20 m、型寬～6 m、型深～2 m、排水量80 t;拼接后的浮體總長(zhǎng)～65 m、型寬～18 m、型深～2 m、排水量720 t。

波浪譜選取適用于有限風(fēng)區(qū)波浪未充分發(fā)展的JONSWAP譜，其表達(dá)式為：

式中：a為廣義菲利普常數(shù);ω_P為譜峰頻率;γ為譜峰值參數(shù);σ為譜寬參數(shù)，ω ≤ ω_P時(shí)取σ = 0.07;ω > ω_P時(shí)取σ = 0.09。

本文選擇四級(jí)海況開(kāi)展數(shù)值模擬分析計(jì)算，取2.5 m波高，譜峰周期6.0 s，流速2.5 kn，風(fēng)速12.0 m/s。

4? ? 計(jì)算分析

多浮箱拼接浮體系統(tǒng)受力復(fù)雜，其所處的工作環(huán)境和受力狀況與內(nèi)河浮碼頭有著顯著的差別：在有防護(hù)的港灣，港內(nèi)波高小且為短波;在無(wú)防護(hù)的海域，多為長(zhǎng)峰波（波周期長(zhǎng)）。因此，在波浪力的作用下呈多自由度的綜合運(yùn)動(dòng)，加之系泊、拴系、浮體相互作業(yè)等其他影響，不能用靜力計(jì)算方法求解某個(gè)剖面或局部結(jié)構(gòu)的受力和彎矩。

本文多浮箱拼接浮體采用剛性與柔性相結(jié)合的浮箱連接方式，高海況下連接器載荷計(jì)算涉及整個(gè)浮箱浮體的水動(dòng)力響應(yīng)，必須建立基于整個(gè)浮體的多浮體水動(dòng)力模型，對(duì)各連接器彎矩載荷進(jìn)行數(shù)值求解。本文通過(guò)建立多浮箱拼接浮體多浮體水動(dòng)力模型，采用專用海洋工程和船舶水動(dòng)力仿真分析軟件，開(kāi)展仿真分析。

4.1? ?模型建立

選用三維線性波浪載荷計(jì)算軟件，計(jì)算各規(guī)則波中的多浮箱拼接浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷。計(jì)算模型如圖1所示。

頻域計(jì)算后對(duì)多浮箱拼接浮體開(kāi)展四級(jí)海況下的數(shù)值計(jì)算，通過(guò)加載風(fēng)浪流條件，獲得各連接器的受力。時(shí)域分析模型如圖2所示。

4.2? ?四級(jí)海況下連接器載荷特性分析

首先對(duì)四級(jí)海況下各個(gè)連接器的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行分析：縱向連接器的剛度值為1.0x10⁶kN，橫向連接器剛度值1.0x10⁷kN;假定風(fēng)浪同向，而流向始終沿浮體縱向，選取7個(gè)流與風(fēng)浪夾角（90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°）對(duì)連接器的載荷進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

橫向連接器的最大受力，如圖3所示。

由圖3可知：（1）在四級(jí)海況下，流與風(fēng)浪之間的夾角變化對(duì)橫向連接器三個(gè)自由度的受力影響較大，流與風(fēng)浪之間的夾角越大，橫向連接器的受力越大。當(dāng)流與風(fēng)浪夾角為90°時(shí)，橫向連接器的受力達(dá)到最大，發(fā)生在T13號(hào)連接器上;（2）當(dāng)流與風(fēng)浪有一定夾角時(shí)，受力較大的橫向連接器為T1、T4、T5、T8、T9、T12、T13、T16、T17、T20、T21、T24，這些連接器均位于浮箱單元的兩端，而位于浮箱單元內(nèi)側(cè)的橫向連接器所受的力則較小。

由于橫向連接器兩端為固定連接，橫向連接器不僅承受三個(gè)自由度力的作用，還承受三個(gè)自由度的彎矩的作用，各個(gè)橫向連接器承受的最大彎矩載荷如圖4所示。

由圖4可知：四級(jí)海況下，流與風(fēng)浪之間的夾角變化對(duì)橫向連接器的彎矩載荷影響也較大，流與風(fēng)浪之間的夾角越大，橫向連接器的彎矩值越大。當(dāng)流與風(fēng)浪夾角為90°時(shí)，橫向連接器彎矩值達(dá)到最大，作用在T20號(hào)連接器上。

四級(jí)海況下縱向連接器的受力，如圖5所示：

由圖5可知：（1）在四級(jí)海況下，流與風(fēng)浪之間的夾角對(duì)縱向連接器載荷影響也較大，流與風(fēng)浪之間的夾角越大，縱向連接器的載荷值也越大。當(dāng)流與風(fēng)浪夾角為90°時(shí)，縱向連接器載荷值達(dá)到最大，作用在L6號(hào)連接器上;（2）當(dāng)流與風(fēng)浪有一定夾角時(shí)，位于浮體內(nèi)側(cè)的縱向連接器L2～L5與L8～L11承受的最大載荷為壓力載荷，位于浮體外側(cè)的縱向連接器L1、L6、L7、L12承受的最大載荷為拉力載荷，當(dāng)流與風(fēng)浪同向時(shí)，縱向連接器的載荷規(guī)律不明顯。

由圖3、圖4可知：在同一風(fēng)浪角度下，縱向連接器所受的載荷比橫向連接器大得多，在流與風(fēng)浪夾角90°時(shí)，縱向連接器最大載荷值約為2 780 kN，而橫向連接器載荷值約為890 kN，因此如何降低縱向連接器上的載荷是多浮箱拼接浮體整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

由圖3～圖5可知：隨著流與風(fēng)浪角度的增大，連接器所受的載荷增加幅度也越大。當(dāng)流與風(fēng)浪夾角小于45°時(shí)，T13號(hào)橫向連接器所受的力的最大增幅為75 kN，T20號(hào)連接器彎矩的最大增幅為71 kN.m²，L6號(hào)縱向連接器所受的力的最大增幅為215 kN;當(dāng)流與風(fēng)浪夾角大于45°時(shí)，T13號(hào)橫向連接器所受的力的最大增幅為397 kN，T20號(hào)連接器彎矩的最大增幅為167 kN.m²，L6號(hào)縱向連接器所受的力的最大增幅為1062 kN。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，盡量避免在流與風(fēng)浪角度大于45°時(shí)使用。

4.3? ?縱向連接器載荷對(duì)剛度的敏感性分析

由上面分析可知：在同樣的海況下，縱向連接器的載荷值比橫向連接器大，且當(dāng)流與風(fēng)浪之間的夾角為90°時(shí)，連接器的載荷值達(dá)到最大。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)在流與風(fēng)浪夾角為90°的情況下縱向連接器載荷對(duì)剛度的敏感性進(jìn)行分析，選取的縱向連接器剛度值分別為K1=1.0x10⁶kN、K2=2.0x10⁶kN、K3=3.0x10⁶kN、K4=4.0x10⁶kN、K5=5.0x10⁶kN、K6=6.0x10⁶kN、K7=7.0x10⁶kN、K8=8.0x10⁶kN。

縱向連接器載荷對(duì)剛度的敏感性分析結(jié)果，如圖6所示：

由圖6可知：剛度對(duì)縱向連接器的載荷影響也較大，縱向連接器載荷隨剛度值的增大呈近似線性地增加，K8工況的縱向連接器最大載荷為7 700 kN，而K1工況的縱向連接器最大載荷為2 780 kN。由此可見(jiàn)，連接器剛度的選擇是連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，較大的剛度將會(huì)產(chǎn)生較大的載荷，這將對(duì)浮箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

5? ? ?結(jié)論

通過(guò)本文的仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）在同一海況條件下，流與風(fēng)浪之間的夾角變化對(duì)橫向和縱向連接器的載荷影響都較大，流與風(fēng)浪之間的夾角越大，連接器的載荷值也越大。當(dāng)流與風(fēng)浪夾角為90°時(shí)，連接器載荷值達(dá)到最大;

（2）在同一海況下，縱向連接器所受的載荷比橫向連接器大得多，因此降低縱向連接器的載荷，是浮箱拼接式浮體整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;

（3）隨著流與風(fēng)浪角度的增大，連接器所受載荷的增加幅度越來(lái)越大，當(dāng)流與風(fēng)浪夾角大于45°時(shí)，連接器所受的載荷增加幅度較大，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，盡量避免在流與風(fēng)浪角度大于45°時(shí)使用;

（4）剛度對(duì)縱向連接器的載荷影響較大，縱向連接器載荷隨剛度值的增大呈近似線性地增加。

參考文獻(xiàn)

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