环状多模块浮动平台动力学建模及响应特性研究

吴 博 张亚新 黄自华 郑 永 曹 政

(株洲时代新材料科技股份有限公司 湖南株洲 412000)

一、引言

随着海洋资源探索开发的推进[1]，各种新兴海洋工程装备应运而生，其中超大型海上浮式结构物也称为超大型海上浮动平台（Very Large Floating Struture，简称VLFS）的研究最为热点。VLFS是尺度以公里记的海洋工程结构物，远远大于现有的海上平台的尺度[2]。VLFS可布置在近海或远海区域工作，由于它的漂浮式特点，VLFS在防震抗震方面亦具有优越性[3]。

早在20世纪初，就有一位名叫Edward Armstrong的美国人提出了建造浮式中继机场的想法，名为阿姆斯特朗海上机场，目的是为跨越大西洋的国际航班提供导航和补给服务[4]。但由于当时的科技研究技术能力有限，仅进行到了1∶32的模型试验。日本由于国土面积小和国家地理位置的缘故，投入研究精力在海上发展。考虑到日本地震多发及海上平台良好的抗震性，日本自20世纪70年代就开始深入研究VLFS。1995年四月，日本提出了一种超大型浮式机场的概念，并取名为“Mega-Float”，它采用箱式浮体结构。为此日本成立了专门的技术研究协会（TRAM）来研究浮式机场建造技术的可行性。并在研究结束后建造了仿真模型机场，在经过实验之后模型机场被拆除。

同样对超大型海上浮式结构平台有深入研究的还有美国。从1985年开始，美国就一直参加或召开关于此研究课题的国际会议。在1997～2000年之间，美国海军研究团队投入经费深入研究可移动式海上基地——MOB（Mobile Offshore Base）。Brown&Root公司设计出一种5模块半潜式模块化结构，模块之间用8个连接器刚性连接，整个MOB总长可达到2000m。1996年McDerrnott公司提出了铰链连接方案，到1997年Bechtel公司提出了动力定位的独立模块式方案，同年阿克公司提出了钢筋混凝土和钢结构组合方案，再到1998年Kvaerner公司提出柔性桥连接方案。

本文开展环状多模块超大型海上浮式平台的动力学响应分析。首先基于线性波浪理论和振动力学理论建立超大型浮动平台多自由度系统动力学模型。针对六模块环状超大型浮动平台开展平台运动响应和连接器载荷分析，考虑非规则波输入，开展模块响应和连接器载荷极值响应分析，为环状超大型浮动平台的设计提供理论指导。

二、计算模型

图1 六边形平台浮体模块坐标平面示意图

图2 六边形平台连接器坐标示意图

所有模块间的连接器刚度均定义为仅考虑三向线位移约束的刚度矩阵

三、结果与讨论

计算模型中单浮体模块采用箱式模型，其基本参数如表1所示。

表1 单浮体参数表

采用数值计算软件编制动力学求解程序，求解系统动力学模型，可获得浮体系统的模块响应和连接器载荷。为了了解系统在规则波激励下的幅频响应特性，首先绘制了典型浪向角下的浮体模块和连接器载荷响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）。图3给出了0°浪向角下浮体模块三个主要自由度的响应幅值算子图。从图中可以看出，垂荡和横摇运动响应在0.3rad/s附近存在共振峰。纵摇和艏摇运动在0.5-1rad/s附近存在共振响应。

图3 0°浪相角下浮体模块响应RAO

为了进一步研究连接器载荷的响应情况，同样给出0°浪向角下，连接器载荷的响应幅值算子，如图4所示。从图中可以看出，纵向连接器载荷在0.5rad/s-1rad/s之间存在峰值，横向载荷的峰值基本与纵向载荷的峰值区间基本一致。垂向载荷的峰值主要出于0.5rad/s左右，均低于横向和纵向载荷的峰值区间。从峰值大小来看，横向载荷明显小于连接器的纵向和垂向载荷一个量级。这是由于本计算采用箱式浮体，浮体弯矩较大，会产生巨大的纵向连接载荷。横向连接载荷较小的原因是连接器由于环状浮体的耦合作用，横向载荷可以由不同的方向连接器进行分担。

图4 0°浪相角下浮体模块间连接器响应RAO

下面开展非规则波激励下浮体运动响应和连接器载荷响应特性研究。为了研究，采用JONSWAP波谱开展研究，因为该波谱为标准波谱，这里不做详细介绍。图5给出了浮体运动响应的千一响应极值随浪向角的演化情况图。从图中可以看出，浮体运动响应在0-180°内存在明显的三个响应峰值。响应峰值分别处于30°、90°和150°附近。从总体响应峰值可以看出，该浮体的平动响应较大，转角响应均相对较小。

类似图5所示，图6给出了浮体间连接器载荷的千一响应极值随入射波浪向角的变化情况图。从图中可以看出，连接器载荷与浮体运动响应的变化趋势基本一致，这是由于本文采用线弹性柔性连接器，故连接器载荷与浮体间相对运动幅值线性相关。对比图5和图6可以看出，对于浪向角处于60和120°时，浮体模块的运动响应和连接器载荷均相对较小，此时可作为环状超大型浮动平台的布设方向。

四、结束语

本文对新型环状超大型浮式平台开展动力学建模与响应特性分析。开展了波浪频率及入射角对平台运动响应及连接器载荷的影响研究，得到如下结论：

1.当波浪激励频率在0.3-0.8(rad/s)和1.2(rad/s)附近时，浮体模块RAO响应及连接器载荷产生明显的共振峰值。

2.当浪向角为60°和120°时，浮体模块的运动响应和连接器载荷相对较小，可以选择40°或140°作为环状超大型浮动平台的布置浪向角。