大型海上浮式结构物的浮态稳性分析

沈 雁

(江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程系，江苏 南京 211170)



大型海上浮式结构物的浮态稳性分析

沈 雁

(江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程系，江苏 南京 211170)

采用NAPA软件，研究大型海上浮式结构物的浮态稳性。通过计算得出静水力曲线的同时对其浮态特征进行分析，在校核计算所设计大型浮式结构物的稳性要求基础上，得出大型海上浮式结构物的排水量随着吃水的增加而增加，其稳心垂向高度随着吃水的增加而逐步降低。

浮式构筑物；浮态稳性；静水力曲线

0 引言

21世纪是海洋的世纪。我国拥有丰富的海洋资源，若建立海上超大型浮式结构物，可以担当起中转站的作用，使飞机、舰船等在此停靠，随时待命处理意外情况[1-2]。目前超大型浮式结构物主要集中在动力特性、水弹性响应、浮体间连接器设计和试验技术等方面的研究[3-4]，而对其浮态稳性方面的研究相对较少。

本文着重研究大型海上浮式结构物的浮态稳性，通过采用NAPA软件，计算得出静水力曲线并分析其浮态特征，以及校核计算所设计大型浮式结构物的稳性要求，从而为超大型浮式结构物(VLFS)设计方案的研究奠定一定的基础。

1 建立模型

本文设计的大型浮式结构物结构形式为半潜式结构。选用Geometry(GM)模块建立半潜船的几何模型。采用右手坐标系，坐标原点为基平面、中线面及中站面的交点，X轴为基平面与中线面的交线且指向艏部，Y轴指向左舷。根据NAPA定义船体几何模型的特点，分别建立浮体的下体、立柱以及上体，再将三者连成一体[5]。最后得到的浮体几何模型如图1所示。

2 静水力分析

2.1 排水量曲线

图2给出了超大型浮式结构物排水量随吃水变化的曲线。由图中看出，超大型浮式结构物的排水量随着吃水的增加而增加。当吃水小于9.5 m时，大型浮式结构物的浮箱在水线面上，此时，曲线的斜率较低；随着吃水的增加，平台立柱开始入水后，曲线的斜率有所增加，除了位于曲线拐点处，即吃水等于9.5 m时，曲线斜率基本恒定。

图1 大型浮式结构物几何模型

图2 排水量曲线图

2.2 浮心变化曲线

平台的浮心随着吃水变化而变化，其浮心变化曲线如图3所示。由于平台结构属于首尾对称、左右对称，因此平台浮心的横向和纵向坐标始终为0，而其垂向坐标随着吃水的增加而增加。与排水量随吃水变化曲线相同，在吃水等于9.5 m时，曲线出现拐点。但与排水量不同的是，当吃水大于9.5 m后，浮心垂向坐标的变化随吃水的增加而增加。

图3 浮心变化曲线

2.3 漂心变化曲线

图4为随着吃水变化的水线面漂心变化曲线。漂心的横向坐标为0，这是由于平台左右对称。而对于漂心的纵向坐标，当浮箱位于水线面以上时，坐标值略偏向平台的尾部；当浮箱潜于水面以下后，漂心的纵向坐标也为0，并且随着吃水的增加而保持不变，这是由于平台立柱的首尾对称性而导致的。

图4 漂心变化曲线图

2.4 稳心垂向高度

图5为平台的纵稳心、横稳心垂向高度随吃水变化曲线图。图中，平台的纵稳心和横稳心垂向高度均随着吃水的增加而增加，但在任一吃水位置，纵稳心垂向高度远大于横稳心垂向高度。由图5可以得出，曲线斜率随着吃水的增加而逐步减小。在初始阶段，当水线面位于立柱以下时，水线面的面积随着吃水的增加几乎保持不变；立柱与浮箱的过渡阶段，由于水线面始终保持不变，且排水体积缓慢增加，初稳心半径的减小趋势逐步降低；当水线面达到立柱时，初稳心半径的减小趋势进一步减小。

图5 稳心垂向高度随吃水变化曲线

3 初稳性

大型浮式结构物在外力的作用下会偏离其平衡位置。为了保证大型浮式结构物能够恢复到原来的平衡位置，必须具有足够的稳性力矩，即当大型浮式结构物处于漂浮状态时，应该有足够的初稳性。中国船级社CCS的规范要求初稳性高经过自由液面修正后应当大于0.15 m。

3.1 初稳性高

当大型浮式结构物的漂浮状态为正浮状态时，通过调整加压载水可以完成大型浮式结构物的下沉。所以，在吃水加大的过程中，大型浮式结构物的重心高度随着吃水的增加而减小，初稳性高GM=稳心垂向高度KM-重心高度KG，此时，不考虑液舱自由液面的修正。纵稳性高GML、横稳性高GMT随着吃水的变化发生相应变化，其变化曲线如图6所示。因为大型浮式结构物的长度远大于其宽度，所以从图6中看出，大型浮式结构物的纵向初稳性高在任一吃水处都远大于其横向初稳性高，但纵向初稳性高随吃水的变化曲线与横向初稳性高随吃水的变化曲线具有相同的趋势。当吃水小于9.5 m时，即大型浮式结构物的浮箱在水线面上时，初稳性高曲线和稳心垂向高度曲线都随着吃水的增加而减少；当吃水大于9.5 m时，即当平台立柱开始入水后，虽然稳心垂向高度KM随着吃水的增加略有减少，但随着吃水的增加，初稳性高GM也跟着增加，说明此时重心高度KG随吃水增加的降低趋势比稳心垂向高度KM的降低趋势更加显著；当吃水等于9.5 m时，整条纵稳性高GML、横稳性高GMT都达到曲线最低点，此时，大型浮式结构物的水线由浮箱开始过渡到立柱。因此，为了使得大型浮式结构物的初稳性高在整个过渡过程中都满足要求，只要保证吃水等于9.5 m处的初稳性高满足要求即可。

图6 稳性要素曲线

3.2 初稳性校核

利用NAPA软件，初稳性高可以直接读取，动静稳性曲线及进水角也可通过软件输出。初稳性高等于静稳性曲线在原点的斜率。由此可知，超大型浮式结构物的未经自由液面修正的初稳性高GM0等于4.606 m。因为本文的大型浮式结构物设有淡水舱、污水舱、压载水舱等舱室，如果舱内存在自由流动的自由液面会减低其初稳性高，从而降低结构物的稳性，因此，为了减少自由液面的影响，超大型浮式结构物的压载舱应采用纵向小隔舱，且尽可能地保证压载舱的液体大于95%或者小于5%。

自由液面对初稳性高的修正值：

式中：ix为自由液面的面积对其倾斜轴线的横向惯性矩，m4；ω1为液体的重力密度，t/m3；D为排水量，本文超大型浮式结构物D=95 070t。

初稳性高计算结果见表1。表中，大型浮式结构物的初稳性高GM经过自由液面修正后为3.346m，

大于规范要求的0.15m，因此满足服役条件。

表1 初稳性高计算结果

4 结论

本文利用NAPA软件计算了静水力曲线，通过各曲线分析说明了其浮态特征，并对大型海上浮式结构物的初稳性进行了校核计算。结论如下：

(1) 大型海上浮式结构物的排水量随着吃水的增加而增加。

(2)稳心垂向高度随着吃水的增加逐步降低。

(3)经修正后的初稳性高度为3.346 m，满足规范要求。

[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] 王志军,李润培,杨建民，等.超大型海洋浮式结构物概念设计综述[C]//中国造船工程学会.第一届全国船舶与海洋工程学术会议论文集.北京：中国造船工程学会，2000:666-672.

[3] 张志军.NAPA概述及NAPA船体模型的建立[J].船舶设计通讯,2003(1):36-40.

[4] 秦宇.NAPA软件在船舶总体性能设计上的应用[J].广东造船,2010,29(2):34-36.

[5] 中国船级社.海上移动平台入级规范[M].北京：人民交通出版社,2012.

2015-12-21

江苏省航海学会科研项目(2015B10)，江苏省高校自然科学研究资助经费项目(16KJB580013)，江苏海事职业技术学院“千帆新锐”项目(XR1503)部分成果。

沈雁(1981—)，女，硕士，讲师，主要从事海洋工程研究。

U661.2+2

A