ansys基于AQWA的半潜平台动力响应分析

基于AQWA的半潜平台动力响应分析
[林海花，彭贵胜]
[大连船舶重工集团设计研究所有限公司]
[ 摘要 ] 利用ANSYS公司的水动力分析软件AQWA对我公司生产设计的服务支持半潜平台BT3500-1在极端海况下的动力响应进行了计算分析，并应用随机性设计波参数确定法确定了平台各典型
波浪工况的设计波参数和最大典型波浪载荷。

首先利用ANSYS经典界面得到AQWA的输入
面元文件，编辑该文件，采用势流理论和波浪的辐射/衍射理论，计算在多个不同入射角波浪
作用下的平台六个自由度上运动响应和特征载荷响应函数。

后计算不同浪向、周期的波浪在不
同相位对平台的载荷，从中选取不利的情况作为设计波进行平台的有限元强度分析。

分析结果
表明：AQWA软件能够快速而准确地得到半潜平台所遭受的流体载荷以及对其运动响应进行
预报；平台运动响应和波浪周期有密切的关系，并且都有各自最敏感的周期范围；升沉运动是
半潜平台三个平移自由度中位移最大的运动，横摇是半潜平台三个转动自由度中转角最大的运
动；根据AQWA动力响应结果可方便地得到平台的设计波参数。

[ 关键词]AQWA 半潜平台动力响应设计波
Dynamic Analysis of Semi-Platform Based on AQWA
[Lin Haihua, Peng Guisheng]
[Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd.]
[ Abstract ] Dynamic response analysis for the BT3500-1 tender support vessel under survival condition is done using AQWA software of ANSYS. And the design waves are also confirmed using
stochastic method. First, the input file to AQWA was been obtained in ANSYS classic.
Second, the motion of six freedoms and the characteristic wave loads of different directions
were obtained using potential and radiation/diffraction theory in AQWA. Based on these
dynamic analysis results, the design waves were obtained and can be used to further
analysis for the structural strength. It is can be shown that AQWA can offer a rapid and
accurate analysis for the hydrodynamic response of the semi-platform；the motion response
has close relationship with the wave period; the heave motion is the biggest in the three
transform freedoms, the roll motion is the biggest in the three rotation freedoms; design
waves can be selected from the worst results of different wave height, wave period and
wave phase obtained from AQWA for further strength analysis.
[ Keyword ] AQWA Semi-platform Dynamic response design wave.
1 前言
半潜式服务支持平台长期固定在某海域作业，在遇到恶劣海况时不能规避，因而在结构设计阶段必须要考虑其在生命期内可能要遭遇的极限海况，其生存条件必须按百年一遇的恶劣海况[1]来考虑。

因此在极限海况下对半潜平台的波浪载荷特性进行分析以及对其运动响应进行预报是平台设计的基础，也是平台设计的关键。

目前，各大船级社规范均要求采用直接计算方法对半潜式钻井平台所遭遇的波浪载荷进行预报和对其结构强度进行评估，本文即利用ANSYS 公司的AQWA 软件[2]对我公司生产设计的服务支持平台BT3500-1所遭受的波浪载荷进行计算研究，对其运动响应进行预报分析，并根据计算结果分析得到用于平台主体结构有限元强度分析的设计波。

2 研究方法
在波浪的作用下，半潜平台始终处于运动状态，运动与荷载的计算是一个非常复杂的动力问题。

由于平台的固有频率通常要远高于外激励如波浪等的频率，因此为简化计算，通常是把平台的动力问题转化为准静力问题进行处理。

波浪载荷是半潜平台所遭遇的环境载荷的主要部分，对船体的总强度校核起决定性的作用。

由于波浪运动是一个随机过程，而通常结构物强度计算校核需要得到确定的结果，所以需要采取一定的分析方法对波浪载荷进行处理。

目前规范中的使用方法主要是设计波方法。

设计波方法是海洋结构物强度校核的常用方法。

根据结构物工作海域的环境条件和设计要求，选取结构物可能遇到的产生最大载荷的规则波浪作为设计波。

然后计算结构物在设计波作用下的运动、载荷和构件应力等，并根据规范的强度要求校核其结构安全性。

设计波参数计算方法主要有两种，包括确定性方法和随机性方法(谱分析方法)。

随机性方法通过系统特征波浪载荷响应短期统计预报的极值得到设计规则波波高，考虑了波浪的随机性和不规则性，因而更加科学、合理，本文即选择随机性方法进行分析。

2.1 波浪载荷[3]的计算
半潜平台的水下部分主要有浮体、立柱以及撑杆，它们所遭受的波浪载荷可按照三维势流理论进行分析，通过格林函数法(边界元法)得到平台湿表面的辐射势和绕射势，即采用三维线性频域水动力理论求解满足控制方程Laplace 方程的速度势φ：
2
0()V φφ∇==∇u r 线性化自由面边界条件为：
20e z g
ωφφ∂−=∂ 海底边界条件为：
00()when z at z d z
φφ∇=→−∞∂==−∂无限水深
海底浅水 由线性化假设，可将速度势φ分解为入射波速度势I φ、绕射势d φ和六个自由度的辐射势j φ的叠加：
6
1
[]e i t I d j j j x e ωφφφφ−==++∑ 入射波速度势定义为：
(cos sin )cosh[()]cosh()
ik x y i t
i t I ig k z d e e e kd θθαωωζϕω++−−−+= 通过边界元方法可求得绕射势和辐射势。

这样，有了速度势后即可根据Bernoulli 方程求解作用在结构物表面上的水动压力等。

2.2 运动响应预报
根据入射势和绕射势求解得到作用在平台上的外载荷，根据辐射势求解平台的附加质量和附加阻尼，并考虑粘性阻尼，则根据如下频域内单位波幅下平台的运动方程即可求解平台各个自由度的运动响应：
2[(())()]()()s a M M i C K X F ωωωωωω−+−+=
式中：s M 表示质量矩阵，a M 表示频域下的附加质量矩阵，C 为频域下的阻尼矩阵，K 为静水回复力矩阵，F 表示外部回复力(包括入射力和绕射力)矩阵。

2.3 设计波的确定
平台在波浪中所遭受的载荷大小与平台的装载状态、波浪的波高、周期、相位以及浪向角都有密切的关系，而且在平台的使用过程中，这些因素有多种不同的组合状态。

因此，对平台强度进行校核时，需要对平台的多个受力状态进行分析。

由载荷响应预报结果和输入的波浪谱，可得到平台的载荷响应谱。

由该载荷响应谱计算出平台遭受的最大可能载荷，然后结合载荷响应RAOs 即可得到平台的设计波。

3 研究内容
本文所计算的半潜平台总长约83m ，宽度约77.35m ；浮体长76.7m ，宽13.65m ，高7.8m ；立柱为12.36m×13.65m ；撑管直径为2m ，长度为33.8m 。

分析中采用右手坐标系，坐标原点位于静水平面的平台中心处，X 轴指向艏部为正，Y 轴指向左舷为正，Z 轴垂直向上为正。

本文利用ANSYS 公司的AQWA 软件进行波浪载荷计算分析和运动响应预报。

对于各典型载荷工况，分别计算相应特征波浪载荷的传递函数（包括幅频响应和相频响应），从而确定特征波浪载荷最大时所对应的设计波参数（包括设计波的周期、波幅、相位和浪向）。

本文只给出自存工况下平台的计算结果，ANSYS中自存工况下所创建的面元分析模型有5758个节点和3019个单元，如图1所示：
图1 动力响应分析的面元模型
自存工况下具体的设计环境条件以及模型的静水力特性等参数如表1所示：
表1 环境参数以及模型刚度特性
项目大小
有意波高H s(m) 12.19
谱峰周期T p(s) 14.0
最大波高H max(m) 22.68
吃水(m) 12.5
排水量(t) 19346
水线面面积(m2) 597
重心坐标，(m) (0.00, 0.00, 21.535)
回转惯性矩，I xx(kg*m2) 1.212E+10
回转惯性矩，I yy(kg*m2) 1.210E+10
回转惯性矩，I zz(kg*m2) 1.476E+10
横稳性高，GM T(m) 1.89
纵稳性高，GM L(m) 1.82
海水密度(kg/m3) 1025
图2和图3分别为确定设计波时所采用的左右剖切和上下剖切的剖面，左右剖切(PS section，SECL1X)是采用过原点并沿着X轴方向的平面来剖切得到的，上下剖切(UD section，
SECL2X)是采用过甲板下缘垂直于Z 轴的平面来剖切得到的。

计算剖面力的参考点取为甲板下缘的中点。

图2 左右剖切面 图3 上下剖切面 该平台具有双对称的特点，因此计算中浪向角从0°到90°，每隔15°取一个浪向角共7个浪向角分别进行波浪载荷计算以及运动响应预报等。

计算时，波浪周期的范围取为4s 到40s ，在10s 左右波浪周期的数量较多。

本文采用随机方法确定总强度分析使用的设计波，设计波的确定时采用的波浪谱形式为Jonswap ，其有意波高H s 从1m 开始至15m ，每间隔1m 为一个海况，根据DNV 规范可确定每一个海况下对应的过零周期T z ，Jonswap 的谱参数p ω取为2.5，A σ和B σ则分别取为0.07和0.09.
4 分析结果
4.1 运动响应RAOs
经过AQWA 的分析，所得到各浪向下的平台运动响应RAO 如图4~图9所示：
图4 纵荡响应RAOs 图5 横荡响应RAOs -180° 0° 90° -180°
图6 垂荡响应RAOs 图7 横摇响应RAOs
图8 纵摇响应RAOs 图9 艏摇响应RAOs
由图4~图6的三个平移运动响应RAOs曲线可以看出，纵荡响应和横荡响应的曲线形式以及趋势相似，数值大小也相近。

各浪向下的纵荡响应在波浪周期为7.5s附近几乎为零，在浪向角为0°时纵荡响应最大，波浪周期越大，响应值越接近于1 m。

各浪向下的横荡响应在波浪周期为8.5s附近几乎为零，在浪向角为90°时横荡响应最大，波浪周期越大，响应值越接近于1 m。

而垂荡响应的曲线有两个响应峰值，第一个较小的峰值在波浪周期约为12s出现，第二个较大的峰值在波浪周期约为18s附近出现，即该平台的升沉运动固有周期约为18s。

浪向角为90°时，垂荡响应值达到最大，为1.3m，随着波浪周期的增加，其垂荡响应值越来越接近于1m。

由图7~图9的三个转动运动响应RAOs曲线可以看出，横摇响应和纵摇响应的曲线形式以及趋势相似，但数值大小相差较大。

对于横摇响应，各浪向中浪向角为90°的横摇大于其它浪向角下的横摇，且各浪向下横摇响应均在波浪周期为9s的时候达到最大，之后随着波浪周期的增加，响应也渐渐衰减。

对于纵摇响应，各浪向中浪向角为0°的纵摇大于其它浪向角下的纵摇，且各浪向下的纵摇响应均在波浪周期为10s的时候达到最大，之后随着波浪周期的增加，响应也渐渐衰减。

而根据艏摇响应曲线可以看出，最大艏摇响应出现在浪向角为60°的浪向角下，各个浪向角下的艏摇响应随着波浪周期的增加迅速增加，在波浪周期为6s附近时达到最大，然后随着波浪周期的增加又快速衰减。

4.2设计波及其对应的载荷
由载荷响应谱得到作用在剖切面SECL1X、SECL2X及参考点的最大载荷如表2所示：
表2 最大载荷
剖面和参考点载荷最大载荷值浪向
SECL1X
Fx(N) 12987726 -45° Fy(N) 51852688 -90° Fz(N) 14860078 -90° Mx(N•m) 1005496320 -90° My(N•m) 444525280 -60°
SECL2X Fx(N) 12316704
-180° Fy(N) 21168752 90° Fz(N) 22449960 0°
Reference Point Ax(m/s-2) 1.205 -180° Ay(m/s-2) 1.566 -90° Az(m/s-2) 1.99 -180°
由2.3节中介绍的方法，可得到最终的8个设计波如表3所示：
表3 设计波结果
设计波数浪向(°) 波浪周期(s) 波高(m)
1 -180 9.5 23.1
2 -135 9 16.652
3 -45 9
16.649
4 -120 9 16.688
5 90 9
16.839
6 -90 8.5
15.406
7 -180 6.5 7.972
8 -150 6.5 9.901
5结论
通过以上计算分析可以看出，ANSYS公司的AQWA软件可以准确地计算得到半潜平台所遭受的波浪载荷，并对其运动响应进行预报，且利用这些分析结果可以很方便地进行设计波的选取。

对于本服务支持半潜平台，平台运动响应和波浪周期有密切的关系，并且都有各自最敏感的周期范围；升沉运动是半潜平台三个平移自由度中位移最大的运动，横摇是半潜平台三个转动自由度中转角最大的运动。

[参考文献]
[1]DNV-RP-C205，Environmental Conditions and Environmental Loads. 2010
[2]ANSYS.AQWA TM-LINE MANUAL.2009。