对称与非对称起重拆解平台非线性效应对比

徐 骁， 王庆丰， 章 瑶， 祁 斌， 袁 鹏

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

半潜式平台在发展过程中经历多次建造量的高峰，第一次在1975年前后，第二次在1983年前后，2次都伴随着国际油价的上涨，这说明半潜式平台的发展对于市场需求有较高的依赖性[1]。如今海洋中用于开发利用石油天然气等资源的平台有数千座之多，在亚洲海域布置的相关平台也超过1 000座，这类平台的服役年限大多已超过20 a，很多老旧平台面临拆解难题。

本文的研究对象是一种新型半潜式起重拆解平台，平台结构无横撑并设有主副2个浮筒，2台起重机安装在主浮筒一侧，起重机可分别作业也可进行联合起吊作业。在满足较大起重能力的同时具有很好的灵活性，可满足大部分相关作业要求。研究对象外形的特殊性使平台气隙响应与传统平台存在不同。平台的气隙和波浪砰击性能是衡量平台设计是否优秀的重要指标[2]。单铁兵[3]研究在极限与常规波浪条件下立柱式海洋平台附近波浪爬升等波浪非线性特征，结果表明不同波陡参数、波浪入射角、立柱间干扰、立柱剖面形状等多个因素可以对波浪爬升和砰击响应产生影响。SWEETMAN等[4]建立基于二阶矩理论的模型，虽然所得气隙极值在实际过程中仍然低于实际试验的气隙极值，但是准确性显著提高，虽然基于窄带理论的模型适用范围比传统模型稍小，但是在评估空间多样性方面其准确率比传统模型得到可观的提高。

本文使用STAR CCM+软件对非对称平台进行水动力分析并将结果与传统对称平台进行对比，结果反映了非对称平台波浪非线性效应的特点以及2种不同形式的平台在波浪非线性效应所具有的异同点。

1 计算模型

1.1 模型建立与主尺度

研究对象选取的平台形式为非对称无横撑，与之对比的是对称且带横撑平台。利用ANSYS Workbench建立的2种平台有限元模型如图1所示，模型主尺度如表1所示。计算时使用的缩尺比为1∶50。

图1 2种不同形式的平台有限元模型

表1 模型主尺度 m

1.2 数值水池建立与计算域设置

采用STAR CCM+进行模拟计算，计算水池主尺度同样使用缩尺比为1∶50，水池长为24 m，宽为8 m，为模拟无限水深，水池深度选取6 m。x轴的负方向为波浪入射方向，水池模型与计算网格如图2所示，计算域设置如图3所示。

单位：m

图3 计算域设置

在模拟过程中为便于观察平台各部分受到波浪非线性效应的影响，在平台表面设置压力探针，在上甲板与立柱连接处探针密度加密。探针布置图如图4所示。

图4 探针布置

计算模型使用5阶规则波浪，采用三维隐式不定常求解方法，自由液面使用流体体积(Volume of Fluid，VOF)进行追踪，模型选取欧拉多相流，尾部区域采用VOF波阻尼边界进行消波。计算工况选取墨西哥湾百年一遇的海况数据并进行1∶50缩尺处理。具体参数如表2所示。

表2 工况参数表

在模拟计算过程中，由于非对称平台外形的特殊性，将模拟工况设置为正向0°入射、90°入射和270°入射。传统带横撑对称平台所有立柱剖面形状只选取正向0°入射。

2 非对称平台不同工况计算结果及分析

2.1 0°入射波浪

模拟波浪从正前方入射，由于非对称平台的主浮筒立柱与副浮筒立柱的剖面形状不同，波浪所产生的非线性效应和立柱间的绕射效应更为复杂。0°入射工况前视图如图5所示，从水池下方观测到的波浪情况如图6所示。

图5 0°入射工况前视图

图6 0°入射工况底部视图

由图5可知，在波浪入射时，迎浪方向的立柱首先受到波浪的作用，在该工况下，首先出现负气隙的位置位于下甲板迎浪方向边缘处，此时波浪还未前进至立柱间大弯角连接结构内。同一波浪周期内的底部视角(见图6)也可验证该结论。

在图6中可明显观察到同一时刻内波浪经过主浮筒和副浮筒立柱时产生的波浪非线性现象并不一样，并且主浮筒一侧的波浪绕射现象更明显，说明波浪绕射作用与立柱剖面形状有一定的关系。

在一个波浪周期内，平台主甲板下方受到的砰击压力热力图如图7所示。

由图7可知，负气隙的位置首先出现在下甲板迎浪方向，随着波浪向后传播，在主浮筒迎浪方向前方立柱与甲板连接处的后侧位置产生了强烈的非线性效应，但是同一时间对侧副浮筒同一位置处并没有出现同样强度的非线性效应。在整个波浪周期内，上甲板靠近主浮筒立柱一侧受到的波浪砰击压力一直强于对侧，并且从图7可以明显看到压力最大的位置从上甲板外边缘位置逐渐向内侧接近。

图7 0°入射工况下主甲板受到波浪砰击压力热力图

2.2 90°主浮筒侧入射波浪

当波浪参数相同，波浪从主浮筒方向(90°)入射时，波浪的作用如图8和图9所示。

图8 90°入射工况前视图

图9 90°入射工况底部视图

与0°入射工况相比，负气隙首次出现的位置同样出现在主甲板迎浪方向边缘位置。由图9可知，与0°入射工况不同的是由于迎浪方向的立柱剖面形状相同，因此波浪的非线性效应相差无几，存在微小不同的原因是浮筒前后的结构不同。

在同一个波浪周期内，平台主甲板下方受到的砰击压力热力图如图10所示。

由图10可知，波浪入射方向的立柱即副浮筒立柱与上甲板连接处首先受到波浪的作用，两侧压力基本相同，随着波浪传播波浪砰击压力极值出现的位置逐渐向后传递，与0°入射工况一样在波浪周期后期压力极值有向中间收敛的趋势。

图10 90°入射工况下主甲板受到波浪砰击压力热力图

2.3 270°副浮筒侧入射波浪

当波浪参数相同，波浪入射方向为副浮筒侧(270°入射)时，波浪作用如图11和图12所示。在同一个波浪周期内，平台主甲板下方受到的砰击压力热力图如图13所示。

图11 270°入射工况前视图

图12 270°入射工况底部视图

图13 270°入射工况下主甲板受到波浪砰击压力热力图

在该工况下：负气隙首次产生的位置与0°和90°入射相同；波浪砰击压力极值位置从上甲板迎浪方向边缘产生，随着波浪在副浮筒正后侧沿着波浪入射方向传播，在整个波浪周期结束时压力极值同样有向中心收敛的趋势。

3 带横撑对称平台计算结果及分析

所研究波浪参数相同，模型4个立柱的剖面形状等参数完全相同。由于0°波浪入射角度与90°、270°入射角相同，为了与非对称平台进行对比只需进行1个工况下的数值模拟即可[5]。图14为带横撑对称平台在0°波浪入射角工况下的前视图。

由图14可知，波峰在经过迎浪角度正前方的立柱时出现首次负气隙现象，在前侧立柱正后方波浪产生强烈绕射现象，并在波浪继续传播的过程中对上甲板产生波浪砰击。

图14 带横撑对称平台0°入射工况前视图

在同一个波浪周期内，平台主甲板下方受到的砰击压力热力图如图15所示。

图15 带横撑对称平台0°入射工况下主甲板受到波浪砰击压力热力图

由图15可知，首先出现负气隙的位置是迎浪方向上甲板边缘，随后在迎浪方向立柱后侧与上甲板连接处出现砰击压力极值，两侧立柱的砰击压力基本相同，最后压力极值传递至上甲板后侧并呈现向内收敛的趋势。

4 结 论

使用STAR CCM+软件对2种不同形式的半潜式平台的砰击响应进行多工况条件下的数值模拟，得到如下结论：

(1) 在0°入射波浪工况下，波浪对非对称平台上甲板的非线性效应呈现两侧不对称性，说明迎浪立柱的剖面形状可在一定程度上影响波浪非线性效应的作用，主浮筒立柱与上甲板连接处的砰击压力极值大于副浮筒侧的相同位置，直至极值点传递至主浮筒后侧立柱与上甲板连接处时，对侧副浮筒位置才出现较大程度的砰击压力，因此在这种工况下同侧2个立柱间连接处是整个下甲板区域受到波浪非线性效应作用最严重的位置。

(2) 在90°和270°波浪入射即从主浮筒和副浮筒侧入射工况条件下，负气隙发生位置和砰击响应的变化趋势基本一致，在与带横撑对称平台进行对比时发现在波浪的传播过程中上甲板的砰击压力极值都在迎浪侧立柱与上甲板连接处产生，随后在同侧前后2个立柱之间传递，最后在波浪周期结束时都有向下甲板内侧区域收敛的趋势。这说明当迎浪侧立柱的剖面形状相同时平台下甲板受到的砰击响应效果基本相同。

(3) 2个平台同侧立柱的连接方式分别是大弯角连接和直角连接，从各个工况数值模拟的下甲板砰击压力热力图可明显看出：砰击压力极值区域在使用大弯角连接的平台中应力相对更为分散，在使用直角连接的平台中相对更为集中。更集中的应力会导致相对应的结构更易受到破坏，从这个角度也可以说明采用大弯角连接方式可在一定程度上改善立柱连接处的应力集中问题。