半潛式平臺撐桿結(jié)構(gòu)波浪載荷計算方法研究

1、半潛式平臺撐桿結(jié)構(gòu)波浪載荷計算方法研究李輝，任慧龍，吳東偉，張健(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱市 150001)摘 要：考慮平臺與波浪的相對運動，對適用于空間傾斜構(gòu)件的Morison公式進行了線性化處理。將依據(jù)該公式算得的Morison力計入基于三維勢流理論建立的平臺整體運動方程中，采用迭代法進行求解。對一艘半潛式平臺的計算結(jié)果表明，平臺撐桿所遭受的Morison力對平臺整體運動的影響較小。關(guān)鍵詞：半潛式平臺；撐桿；Morison公式；線性化隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，人類對油氣資源的需求與日俱增。陸地上資源的日益枯竭，人們逐漸把目光投向了海洋，并正在向深海區(qū)域發(fā)展。半潛式平臺因其自身明顯的優(yōu)勢

2、逐漸成為海洋油氣資源開發(fā)最主要的工具之一。由于半潛式平臺的工作環(huán)境一般比較惡劣，發(fā)生事故的可能性較大，因而在設(shè)計階段就要對其結(jié)構(gòu)進行合理的強度評估，以保證其結(jié)構(gòu)的安全性。而準確的預(yù)報平臺在使用期間可能遭受的波浪載荷是強度評估正確進行的關(guān)鍵。對于海洋平臺波浪載荷的計算，一般可采用兩種方法1。一種是采用適用于大尺度構(gòu)件的基于勢流理論的波浪載荷計算方法，另一種是采用基于經(jīng)驗的適用于小尺度構(gòu)件的Morison公式。半潛式平臺在水面以下既有尺度較大的構(gòu)件如旁通和立柱，又有尺度較小的構(gòu)件如撐桿，因而在確定其波浪載荷時，需要將兩種方法結(jié)合起來使用2。由于Morison公式中含有非線性項（拖曳力項），要與目前

3、較為通用的基于三維線性勢流理論的波浪載荷計算方法聯(lián)合使用，需要對其進行線性化處理。為了合理預(yù)報半潛式平臺的運動與波浪載荷，將Morison公式與三維線性勢流理論聯(lián)合使用。采用考慮平臺與波浪相對運動的適用于傾斜構(gòu)件的Morison公式，應(yīng)用Borgman方法3進行線性化。將采用Morison公式算得的撐桿結(jié)構(gòu)的波浪載荷計入平臺的整體運動微分方程。結(jié)合實際算例對半潛式平臺撐桿結(jié)構(gòu)受力對于平臺整體運動的貢獻進行了分析。1空間傾斜構(gòu)件的Morison公式及線性化方法1.1 相對速度下傾斜構(gòu)件的Morison公式半潛式平臺的撐桿結(jié)構(gòu)是一組空間傾斜構(gòu)件，在與波浪具有相對速度的情況下，作用于其上的波浪載荷可

4、采用如下的Morison公式進行計算4。 （1）其中：平臺撐桿的直徑；為撐桿的截面積；=水質(zhì)點的速度；=水質(zhì)點的加速度。=平臺的運動速度；=平臺運動的加速度；相對速度， ；構(gòu)件的法向相對速度：+為轉(zhuǎn)換矩陣，將速度和加速度變換到與構(gòu)件軸線垂直的方向。在轉(zhuǎn)換矩陣中，為桿軸線方向單位矢量，夾角與定義如圖1所示。圖1. 空間桿件示意圖1.2 相對速度下傾斜構(gòu)件線性化的Morison公式為了與三維線性勢流理論聯(lián)合使用，準確計算半潛式平臺的波浪載荷，需要對Morison公式中的非線性項（拖曳力項）進行線性化處理。本文采用Borgman線性化方法對（1）式進行線性化處理，得到相對速度下傾斜構(gòu)件線性化的Mor

5、ison公式式（2）。 （2）式中為桿件法向相對速度均方差。均方差的求解方法是線性化的關(guān)鍵，本文考慮的是在隨機波浪下的線性化問題。利用譜分析方法速度方差表示為： （3）其中，為桿的法向相對速度譜。當求得后，也就解決了線性化的問題。2平臺在規(guī)則波中運動微分方程基于三維勢流理論的波浪載荷計算方法目前已發(fā)展比較成熟，在船舶與海洋工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。在此方法中，浮體運動微風(fēng)方程可以表示為式（4）的形式5。 （4）其中，波浪頻率；浮體的質(zhì)量矩陣；浮體的附加質(zhì)量矩陣；浮體的阻尼矩陣；浮體的靜恢復(fù)力矩陣；流體載荷列向量；當計入小尺度構(gòu)件的受力時，需要在方程的右端增加線性化的Morison力項，即：

6、（5）對于式（5）的求解，可采用迭代法，其基本求解步驟如圖1所示。圖2迭代程序示意圖3算例分析本文以LiuHua半潛式平臺為例，對平臺撐桿的波浪載荷進行了計算。并與平臺主體的波浪載荷疊加，重新對平臺的整體運動進行了求解，通過對計算結(jié)果的分析，考察了撐桿結(jié)構(gòu)的受力對平臺整體運動的影響。3.1 平臺基本參數(shù)LiuHua半潛式平臺的主要尺度參數(shù)見表1。平臺結(jié)構(gòu)模型見圖3，平臺撐桿結(jié)構(gòu)的模型見圖4。表1 平臺各項尺度參數(shù)尺度參數(shù)米（m）英尺（ft）主甲板長90.2273.46296寬73.46241高39.62130縱向浮筒長89.93295寬15.2450高6.4021橫向浮筒寬6.4021高3.6

7、612角立柱直徑9.1430中間立柱直徑5.4918工作吃水22.8675圖3 平臺整體結(jié)構(gòu)圖4 平臺撐桿的布置形式3.2 計算結(jié)果選取平臺的工作海況（HS=9m，TZ=12.5s）對Morison公式進行線性化處理，進而對LiuHua半潛式平臺的運動響應(yīng)進行了迭代計算，迭代計算過程及結(jié)果見表2表4。由于半潛式平臺的搖擺運動幅值較小，因而表中只列出了平動位移幅值。表2 0度浪向運動幅值變化OmeSurgeSwayHeave原始運動0.5980.208500.3332第一次迭代0.5980.200900.3247第二次迭代0.5980.200300.3245第三次迭代0.5980.200300.

8、3245運動偏差3.93%0.00%2.61%表3 90度浪向運動幅值變化OmeSurgeSwayHeave原始運動0.96700.310.0687第一次迭代0.96700.30290.0682第二次迭代0.96700.30310.0682第三次迭代0.96700.30310.0682運動偏差0.00%2.20%0.73%表4 150度浪向運動幅值變化OmeSurgeSwayHeave原始運動0.5030.3850.21580.4167第一次迭代0.5030.36590.21570.4012第二次迭代0.5030.36530.21570.4007第三次迭代0.5030.36530.21570.

9、4007運動偏差5.31%0.46%3.83%通過計算結(jié)果可以看出，Morison力對于平臺整體運動的影響是很小的。由于計算此力的方法繁瑣，在平臺整體載荷計算與運動響應(yīng)分析中，可以忽略不計。4.結(jié)論本文將經(jīng)線性化處理的Morison公式與三維線性勢流理論聯(lián)合使用，建立了平臺在規(guī)則波中的運動微分方程，采用迭代方法進行求解。采用該方法對一艘半潛式平臺的運動響應(yīng)進行了分析。計算結(jié)果表明半潛式平臺的撐桿結(jié)構(gòu)遭受的波浪力對平臺整體運動的影響很小，在平臺整體載荷計算和運動響應(yīng)分析中，可以忽略不計。參考文獻：1 李潤培,王志農(nóng). 海洋平臺強度分析M. 上海:上海交通大學(xué)出版社,1992.2 劉海霞,肖熙. 半潛式平臺結(jié)構(gòu)強度分析中的波浪載荷計算,中國海洋平臺J, 2003,18(2):1-4.3 徐繼祖,李維揚,汪克讓,張振衡,聶武. 海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析M. 天津:天津大學(xué)出版社，19