大型海上浮式结构物系泊缆动力特性分析

沈 雁，管义锋，潘亦鹏

(1.江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程系，江苏 南京211170;2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

我国拥有丰富的海洋资源，目前开采主要集中在浅海区域。我国南部沿海区域90%的海域水深超过1 000 m。若是在此建立大型浮体，不仅可以担当起中转站的作用，可以使飞机、舰船等在此停靠，随时待命处理意外情况。目前国内外关于大型浮体乃至超大型浮体的研究很多，但主要集中在动力响应、构成形式等;而对其系泊的研究相对较少，对其系泊缆的动力响应研究更是几乎没有。

本文着重研究1 000 m 水深下的大型浮式结构物的系泊运动响应，本文计算采用的软件是Sesam中的Deep－C。利用Deep－C 进行计算，分析对比不同设计工况下的动力响应，从而为超大型浮体(VLFS)系泊设计的进一步研究奠定一定的基础。

1 计算理论

1.1 速度势及其边界条件

假设流体是无粘、均匀且不可压缩的无旋流，LFS 在静水自由面上作六自由度摇荡运动。首先建立笛卡儿坐标系［1］:

式中:u(x，y，z)=▽φ(x，y，z);ω为长峰波的角频率;q为速度;ζ为自由表面的起伏;Φ为不定常速度势。

其中

在自由表面:

物面条件:

深海海底条件:

在无穷远处:

应用叠加原理，将线性速读势分解为入射势φI，绕射势φD和辐射势［3］φR。

建立相应的边界条件，通过数值模拟进行船体附加质量、阻尼系数和波浪力的计算。

1.2 运动方程

海上漂浮的海洋结构物运动方程与一般船舶基本相同，如下所示［4］:

若考虑系泊力、环境载荷等非线性因素影响海洋结构物在时域内的运动方程式如下［5］:

式中:Xj为浮体位移向量;Aij为质量惯性矩系数矩阵;Bij为阻尼系数矩阵;Cij为浮体复原力系数矩阵;Gi为系泊力;FiA为波浪力;FiW为风力;FiC为潮流力;Mij为浮体质量矩阵;Aij(∞)为浮体附加质量矩阵;Lij为时延函数。

2 计算模型

2.1 模型建立

本文选取的模型为海上超大型浮式结构物中的一个模块，LFS的基本设计尺度如表1所示。依据其设计尺度和型线图，采用Sesam 进行LFS 系统建模，如图1所示。模型选择右手系，以设计水线面的中心位置为坐标原点，结构物纵向为X 轴，水线面的垂直方向为Z 轴，如图2所示。

表1 LFS 基本设计尺度Tab.1 Basic design rules of LFS

图1 LFS 面元模型Fig.1 Bin model diagram of LFS

图2 坐标轴和浪向的示意图Fig.2 Schematic axes and wave direction

2.2 入射波设置

浪向角是浪与x 轴逆时针方向的夹角，当浪向角为0°时，沿X 轴方向，当浪向角为90°时，沿X轴逆时针旋转90°。因此，Deep－C 中选取的浪向角范围为0°～90°。

2.3 环境条件

本文目标位为我国南部深海海域，系泊系统设计条件如表2所示。系泊系统布置图及三维悬链线式系泊系统模型如图3所示。

表2 海洋环境条件Tab.2 Marine environmental conditions

图3 系泊系统布置图及三维悬链线式系泊系统模型Fig.3 Mooring system and three-dimensional catenary mooring system model

3 三维悬链线式系泊系统选取及动力响应分析

系泊缆的长度、每段的直径、系泊缆间的夹角等是系泊系统设计中主要考虑的参数，它们会影响浮体和系泊缆的耦合运动响应。本文以悬链线式系泊系统作为研究对象，系泊缆均采用“钢链－钢缆－钢链”三段式。在研究过程中，首先保持系泊缆的总长不变，通过改变钢链、钢缆的直径，设计出不同系泊方案;并且研究分析系泊缆长度、系泊缆间夹角等因素对浮体运动和系泊系统动力响应的影响。为了保证平台在设计环境条件下的水平偏移最大和系泊缆张力最大，根据上述因素对系统运动和动力响应的影响规律，设计出一种适用于1 000 m水深的悬链线式系泊系统。其基本参数如表3所示。

表3 悬链线式系泊缆基本参数Tab.3 Basic parameters of catenary type mooring

利用SESAM 软件中的Deep－C 对各工况下的情况进行动态计算。表4和图4 详细描述了浮体水平运动结果，图5和图6为各系泊缆张力结果。

表4 不同波浪和来流角度下LFS的水平位移Tab.4 Horizontal displacement of LFS in different waves and flow angle

图4 平台在各风浪流角度下的平均与最大位移Fig.4 Average and maximum displacement of platform in different storm flow angles

图5 各工况系泊缆顶部平均张力图Fig.5 Average tension strength at the top of mooring in different conditions

图6 各工况系泊缆顶部最大张力图Fig.6 Maximum tension strength at the top of mooring in different conditions

由计算结果可知:LFS的水平位移从71.7 m 增至91.9 m，增幅为28.4%，而平均位移仅由25.9 m增至29.3 m，增幅为13.1%，在位移上先是随着风浪流角度的增加而减小，在60°左右达到最小值然后再增加，这与半潜型式有关，半潜平台抗横摇及纵摇能力较好，而最大位移几乎是平均位移的3 倍。

由图5和图6 可知，当海流来流角度与波浪浪向角均为0°时，X 轴对称系泊缆张紧力基本相同，与实际情况下的对称结构受力一致;当海流来流角度与浪向角均为90°时，迎流侧各系泊缆张紧力均达到最大值，而背流侧各系泊缆张紧力均处于最小值。与位移相似，在位移上先是随着风浪流角度的增加而减小，在60°左右达到最小值然后再增加，而最大张力在0°时约是平均张力的2 倍，在90°时约是平均张力的3 倍。

由于浮体系泊时是按顺流方向布置，风浪流90°的情况几乎遇不到。所以将风浪流为0°的时候作为主要考虑的常规工况，同时也兼有考虑风浪流为90°时的极限工况。

3.1 改变系泊缆长度

系缆长度对LFS 水动力性能有着显著影响。本研究选取系泊水深为1 000 m，系泊半径为2 400 m，在风浪流分别为0°和90°共同作用的前提下，取系缆总长分别为2 680.8 m，2 700.8 m和2 720.8 m 时，纵荡、横荡和垂荡响应及系缆张力的变化［6］，具体参数如表5所示，变化规律如图7和图8所示。

表5 风浪流0°和90°下各参数Tab.5 Each parameter at 0 °and 90 °waves flow

图7 系缆长度对纵荡响应的影响Fig.7 Influence of mooring length on vertical response

图8 系缆长度对横荡响应的影响Fig.8 Influence of mooring length on sway response

从图7和图8 可以看出，随着系缆长度的增加，纵荡及横荡响应都相应增大，因为系泊对船体控制效应随着系缆长度的增加而减弱，船体水平恢复力减小，系缆张力快速减小。图中，当系缆长度达到2 700.8 m 时，横荡幅度达到水深的10%;系缆长度大于2 700.8 m 时，结构物运动响应增速增大，系缆顶端张力动力响应减速减小。因此，在水深为1 000 m，系泊半径为2 400 m 时，系缆最大长度应该控制在2 700.8 m 以内。

3.2 改变系泊缆布置角度

系泊缆的对称布置角度对LFS 水动力性能也会产生影响。图9为系泊缆夹角分别为5°，10°，15°时的布置形式。研究中不同布置形式的系统响应结果如表6所示，系泊缆夹角对动力响应结果如图10和图11所示。

表6 不同布置形式的系统响应结果Tab.6 The response results in different layout

图9 系泊系统不同布置形式Fig.9 The different layout of mooring systems

图10 系泊缆夹角变化对纵荡特征的影响Fig.10 The influence on vertical swing characteristics in different mooring angle

从表6 中还可以看出，风浪流为90°时的平台横荡偏移的幅值、平均值和标准差均比风浪流为0°有所增加。此外由图10和图11 可以看出，系泊缆顶端张力和平台纵荡偏移的最大值、平均值及标准差均随着系泊缆夹角的减小而略有降低。由上述图表我们可以得出，改变系缆间的夹角并不会显著影响系缆张力和纵荡、横荡响应。

4 结 语

本文探讨在深水条件下大型浮式结构物悬链线式系泊的耦合动力响应，主要分析各不同角度风浪流条件下各个系泊缆及平台的动力响应特征和系泊缆的相关参数(长度和系泊缆间夹角等)对LFS 悬链线式系泊系统的影响，从而初步计算分析了1 000 m 水深时悬链线式系泊系统，结论如下:

1)随着系缆长度的增加，纵荡及横荡响应都相应增大;

图11 系泊缆的夹角对顶端张力的影响Fig.11 The influence on Top tension in different mooring angle

2)系缆间夹角对LFS 水动力性能的影响较小。

通过本文研究，加深了对深海海域条件下的LFS 等浮式结构物在水动力特性的认识，为进一步研究海上大型浮式结构物系泊设计奠定基础。

［1］崔维成，吴有生，李润培，等.超大型海洋浮式结构物动力特性研究综述［J］.船舶力学，2001，5(1):73－81.

［2］林伍雄，多点系泊型式浮式生产储油船FPSO的运动响应［J］.船舶，2007(1):9－12.

［3］刘晓健.FPSO 单点系泊系统运动响应分析［D］.镇江:江苏科技大学，2013.

［4］童波.深海半潜式钻井平台水动力性能分析［D］.上海:上海交通大学，2006.

［5］刘晓健.FPSO 单点系泊系统运动响应分析［D］.镇江:江苏科技大学，2013.

［6］张威.深海半潜式钻井平台水动力性能分析［D］.上海:上海交通大学，2006.