海上综合试验平台结构设计及环境载荷研究

田 力，王 洁，张岳林

(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266011；2.武汉第二船舶设计研究所，山东 青岛 266102；3.同济大学 建筑工程系，上海 200092)

0 引言

目前，能源问题是摆在世界各国面前的首要问题，开发和利用代替能源特别是可再生能源已刻不容缓。在可再生能源中，风能、潮流能、太阳能作为清洁能源愈来愈受到重视[1]。在我国，已有多个“863计划”项目涉及风电、潮流发电及光伏发电的开发与利用。虽然陆上风电及光伏发电技术已日渐成熟，但海上风电及光伏发电仍处于试验研究阶段。设计一个能综合潮流发电、风力发电和光伏发电的试验平台具有十分重要的意义，可大大降低试验场地的建造成本，并能顺利完成各项试验任务。

为此，本文依据设计任务书，并通过自主创新，研制了外形新颖的六边形半潜式海洋综合试验平台。但其浮筒与立柱的间距较大，且多采用撑杆相连，撑杆的强度和稳定性至关重要。本文在已有总布置的基础上对其进行结构设计，并无先例可循，因此具有十分重要的研究和实用意义。

1 技术设计

在海上综合试验平台初步完成平台选型、主尺度确定、总布置设计和重量重心估算等相关工作的基础上，基于ABS的《海上移动钻井单元(MODU)建造与入级规范》[2](下文简称《MODU规范》)的相关内容，对海上综合试验平台进行结构设计。

1.1 总布置设计

本文研究的海上综合试验平台需要在平台上综合完成风力、潮流、光伏发电的3项试验目标。风力发电通过2个风机实现。潮流发电通过4个叶轮实现，且平台具有较大的甲板面积，供安置太阳能电池板及试验场地，并由浮筒承载风电机组。该方案可降低工程造价，节约成本，外形简单合理美观。

本文的海上综合试验平台主尺度如下：

长度40.0 m，宽度59.0 m，型深8.5 m，吃水5.5 m，立柱尺寸2 000 mm×1 500 mm×750 mm，撑杆1半径为500 mm。

1.2 基于ABS规范的结构设计

1.2.1 钢材料的选取

平台钢材的选用直接影响平台的使用安全、寿命和造价。海上综合试验平台采用AH36高强度钢，其材料特性如下：

屈服应力355 MPa，密度7 850 kg/m3，杨氏模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

1.2.2 板的设计

根据ABS规范计算得到的最小设计板厚和平台不同结构的板厚见表 1。加强筋和横梁设计结果见表2。

表1 平台结构板厚规格表

表2 平台骨材规格表

2 平台环境载荷计算

在海洋工程领域，环境载荷一般由风载荷、海流载荷及波浪载荷构成。海上综合试验平台长期系泊于固定海域中作业，因此在结构设计之初合理确定海洋环境条件显得尤为重要。环境载荷计算的准确性将影响到后续的屈服、屈曲强度及疲劳强度校核。

2.1 波浪载荷

本文基于三维势流理论和Morison理论，采用设计波法计算海上综合试验平台在单位规则波中的结构响应和运动响应[3]。

2.1.1 水动力模型的建立

首先，利用SESAM软件的Genie模块建立海上综合试验平台的湿表面模型(见图 1)和莫里森模型(见图2)。其次，生成T1.FEM、T2.FEM有限元模型文件后，分别导入到HydroD模块Wadam设置向导中。HydroD水动力模型见图3。

图1 湿表面模型

图2 莫里森模型

图3 水动力模型

2.1.2 水动力分析

水动力分析中，剖面载荷是分析的关键，因此要对海上综合试验平台进行切片，设置载荷剖面。分别沿平台的X、Y方向设置载荷剖面。沿平台X方向选取X=1、19、39 m 3个位置设置3个典型的YOZ剖面，依次为101、102、103剖面，其中102剖面为典型中横剖面。同样地，沿平台Y方向选取Y=-11、0、11 m 3个位置设置3个典型的XOZ剖面，依次为201、202、203剖面，其中202剖面为典型中纵剖面。海上综合试验平台6个典型剖面见图4。

图4 6个典型剖面示意图

为计算海上综合试验平台6个典型剖面的剖面载荷，采用浪高为1 m的单位规则波，计算纵向剪力、横向剪力、扭矩、垂向弯矩这4个主要载荷参数的响应幅值。对剖面载荷分析结果通过列表整理后搜索最大幅值，可以得出剖面载荷主要载荷参数最大幅值对应的频率和浪向角，见表3。

表3 典型剖面载荷最大值搜索结果

2.1.3 波浪载荷长期预报

基于SESAM软件的POSTRESP模块对海上综合试验平台进行波浪载荷长期预报。本文选用中国沿海海浪散布图资料对平台的设计载荷进行长期预报。海上综合试验平台的设计寿命为25 a。一般情况下平台所受到的波浪载荷循环次数为n=108，对应长期预报值见表4。

表4 设计波波幅确定

2.1.4 设计波系统的确定

4种设计波的参数见表5。

表5 不同主要载荷参数下设计波相关参数

上述4种设计波较为全面地反映了海上综合试验平台所受到的极限波浪工况，分别考虑了迎浪、横浪和斜浪3种主要工况下平台的波浪载荷，并对平台的中垂中拱、压缩分离和扭转进行了考虑。

2.2 流载荷的计算

本文流载荷的计算参照《MODU规范》中的第3部分船体建造与设备部分的相关内容完成[2]。

2.2.1 流速

流速由风海流流速、潮流流速和风暴涌流流速3部分构成。计算流速时应考虑作业海域流速的垂向分布。流速可以用如下公式表示：

(1)

式中：Vc为流速， m/s；Vt为潮流流速，方向与风的方向一致，m/s；Vs为风暴涌流流速， m/s；Vw为风海流流速， m/s；h为风海流的参考深度， m(当缺少其他资料时，h取5 m)；z为水质点在静水面以下的垂直距离。

流速剖面示意图见图5。

Vt—潮流流速；Vs—风暴涌流流速；Vw—风海流流速；h—风海流的参考深度；z—水质点在静水面以下的垂直距离；d—海平面到海底的距离；x—海平面以上的高度；x(+)—波峰到海平面的高度，x(-)—波谷到海平面的高度。

2.2.2 海流力

当只考虑海流对海上综合试验平台的作用时，海流载荷对平台水下部分结构物作用力F见下式：

(2)

式中：CD为拖曳力系数；ρ为海水密度，kg/m3；A为正投影面积，m2；V为设计海流速度，m/s。

在计算海上综合试验平台水动力轮机(下文简称“水轮机”)作业工况的流载荷时，不考虑旋转、叶片形状对船体水轮机所受流力的影响，可以将其简化为一个与水轮机具有等直径的圆盘面。由于等直径圆盘面的受力面积要远大于水轮机叶片的受力面积，因此该简化计算是可以满足设计要求的。对于在自存工况(极限工况)流速为2 m/s时，水轮机处于顺桨锁定状态，可近似认为其所受载荷为0[4]。

海上综合试验平台选取的水轮机参数如下：

水轮机组数量2个，水轮机叶尖到水线距离0.1 m，水轮机直径8.8 m，水轮机中心水深4.5 m。

作用在结构上的流载荷根据规范公式进行计算，计算结果见表6和表7。

表6 水面流速为1.6 m/s 时不同水深处的流压

表7 水面流速为2.0 m/s 时不同水深处的流压

在进行海上综合试验平台结构强度校核时，将流压以线性均布面载荷的形式施加到模型湿表面上，因此对平台流载荷的具体计算结果不具体列出，而是以结构等效应力响应的形式展现。

2.3 风载荷的计算

2.3.1 风速

风速可理想化为一个随机高频阵风风速和一缓慢变化的平均风速的叠加。风速是随高度变化的，因此需要明确指定风速的参考高度。风速计算时通常使用的参考高度为10 m。根据规范要求，对无域作业区域的平台，其最小设计风速应为：自存工况51.5 m/s，作业工况36.0 m/s[2]。

2.3.2 风压

根据《MODU规范》中的第3部分船体建造与设备部分的相关内容，在计算风压力P时，使用如下方程进行计算，所选取的垂直高度系数根据附表近似细化：

(3)

式中：P为风压，Pa；f取0.611；Vk为风速,m/s；Ch为高度系数；Cs为形状系数。

2.3.3 风力

海上结构物受到的风力参考ABS规范给出的表达式进行计算[2]：

Fw=PA

(4)

式中：Fw为风力，N；A为投影面积，m2，针对所有暴露的表面，无论是正直状态还是倾斜状态。

作业工况和极端自存工况下作用在风机和塔架上的风载荷根据ABS规范的公式进行计算，计算结果见表8。

表8 风载荷的计算

在GeniE模块中将计算得到的风载荷以均布载荷的形式施加到塔架和风机等效盘面上。针对自存(极限)工况时，为了防止风机发生损坏，将风机设定为顺桨停转状态，叶片的受力可近似为零；针对作业工况时，将作业状态的风机受风面近似为圆盘进行计算。本文海上综合试验平台选取的风机各项参数如下：

风力机数量2个，叶尖最小高度3.25 m，风机直径27.5 m，机组重心高度17 m，塔架直径2 m，塔架高度16.2 m。

3 结论

(1)本文基于《MODU规范》中的第3部分船体建造与设备部分的内容，以及在海上综合试验平台总布置图的基础上，对其进行详尽的结构设计，并分别对上壳体、浮筒、立柱、水平撑杆和下浮体结构的设计特点进行一一说明。

(2)对海上综合试验平台的波浪载荷、风载荷和流载荷进行计算。对风载荷和流载荷的计算依据ABS规范完成，并进行了简化，忽略了叶片上空气动力载荷。

(3)本文的重点是对波浪载荷的计算，基于设计波法对海上综合试验平台进行水动力分析，计算一阶波浪响应传递函数，对波浪载荷进行长期预报，并确定设计波参数。

(4)环境载荷的计算为后续的结构规范设计、屈服屈曲强度分析、疲劳强度分析奠定了基础。