半潜式海洋平台极限海况下的水动力性能分析

第18卷 第1期 中 国 水 运 Vol.18 No.1 2018年 1月 China Water Transport January 2018
收稿日期：2017-09-28
作者简介：陈泽华（1990-），男，华南理工大学土木与交通学院 硕士生，研究方向为船体结构疲劳；船舶与海洋工程水
动力学。

半潜式海洋平台极限海况下的水动力性能分析
陈泽华
摘 要：本文主要应用ANSYS 中的AQWA 模块对某简化的半潜式海洋平台模型进行分析以研究半潜式海洋平台的水动力性能。

应用workbench 将简化的模型导入AQWA 中，模拟该半潜式平台在给定的风浪流联合载荷作用下的运动响应，进行对平台系泊链的时域耦合分析，得出各系泊链的受力情况，并初步分析极限海况下平台是否满足安全生产需求。

关键词：AQWA ；半潜平台；水动力分析
中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）01-0016-03
半潜式平台如今被广泛应用自有其优点，实用性上有着抗风能力强，作业功能广，作业水域深的优点，经济性上有着投资相对少的优势。

半潜式平台长期处于恶劣的海洋环境中，为保证平台的正常作业以及自存状态的安全性，需准确确定半潜平台在海洋环境载荷作用下的运动响应及其系泊缆张力响应。

系泊系统定位主要有两种方式，悬链线系泊系统和张紧式系泊系统，目前张紧式系泊系统对于半潜式平台是最常用的系泊方式。

系泊缆的质量和阻尼对系泊系统的影响随水深的增加而变大，系泊缆的质量和阻尼同时会被平台自身的运动所影响。

所以，平台与系泊系统之间的耦合作用不容忽视。

一、半潜式平台运动分析理论 1．水动力分析方法
目前对于半潜式平台水动力性能计算的理论方法主要有三种：基于Morison 公式进行计算；基于二维势流理论；基于三维势流理论。

2．坐标系选取
半潜式平台的坐标原点取在静水面上，x 轴沿平台纵向；z 轴与x 轴垂直，方向竖直向上并通过平台的重心；y 轴沿平台横向。

计算时需要考虑平台六个自由度上的运动，也即是说考虑平台的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇运动。

规定平动状态沿坐标轴的正向为正，转动状态以坐标轴为转动轴并满足右手定则。

3．频域分析理论
用三维势流理论[1]来计算平台在频域下的水动力参数，包括不同频率下的附加质量系数、阻尼系数，不同频率不同浪向下的一阶波浪力的传递函数等。

4．时域分析理论[2]
时域中的浮体运动方程表示为：
m
c w
d w t
F F F F kX
d X t X t u mX +++=+-++⎰)()(')('')(''0
τττδ （1）
式中，m —质量矩阵；
k —回复力系数；方程的第二项和第三项分别表示时域中的辐射效应；
w F —时域中的波浪扰动力；
wd F —风力； c F —流力； m F —系泊力。

二、半潜式平台水动力特性
本文以某1,500m 半潜平台为例进行研究[3]，利用ANSYS 的AQWA 模块对平台进行频域分析和时域耦合分析。

然后再考虑风浪流环境载荷的作用，建立系泊系统的时域分析计算模型，对平台进行时域耦合计算，从而得到半潜平台在不同海况时的运动响应曲线，进而分析其水动力特性。

1．平台主要参数 平台的主要尺寸如表1。

表1 半潜平台主要尺寸参数
平台参数 数值/m 总长 114 总宽 78.5 总高 38.5 浫体长度 114 浫体宽度 20 浫体高度 8.5 双浫体中心线间距离
58.5 立柱长度 17.5 立柱宽度 17.5 立柱高 21.5 立柱纵向间距
42.5 横撑直径 1.8 吃水 15 重心位置
（0，0，4.12）
第1期陈泽华：半潜式海洋极限海况下的水动力性能分析 17
将坐标系原点固定建立在静水面，x轴沿船长方向指向船头，y轴沿船宽方向，z轴沿吃水方向竖直向上。

在AQWA中建立的水动力模型[4]。

对所建模型进行有限元分析，在mesh中对模型的水上部分和水下部分做分别处理，使水下部分网格密度明显大于水上部分网格密度，以便得到更科学的数值结果。

图1 划分网格后的平台模型
2．半潜平台极限海况下的时域耦合分析
（1）时域耦合模型
上一节中进行平台的频域分析的时候并未考虑系泊系统对于平台的影响，为了研究半潜式平台在实际海况中的运动性能，还需要建立平台与系泊系统的时域耦合计算模型。

当作业水深在1,500m时，目标平台采用悬链线式锚泊来进行定位。

该系统共有8根缆，分为4组，分别布置在立柱外侧，具体布置图如图2。

导缆孔布置在距离平台基线17.5m处，每根系缆总长4,435m，单根系缆采用锚链-复合缆-锚链的三段组合形式。

单根系缆的材料以及几何属性见表2。

图2 平台时域耦合计算模型
表2 复合缆基本属性
类型直径水中等效直径长度湿重
甲板锚链84mm 150.77mm 500m 140.76kg/m
聚酯缆160mm 126.977mm 2,000m 17.54kg/m
海底锚链90mm 161.54 1,935m 161.60kg/m
选取JONSWAP谱计算波浪[6]，风为定常风，流为均匀流。

在进行平台的时域耦合运动模拟时，模拟时间选取为10,800s，每步1s。

时域计算的海洋环境条件选取了南海的风流条件进行计算。

具体数值见表3。

表3 时域计算的海洋环境条件
浪风流
有义波高（m）谱峰周期（s）风速（m/s）流速（m/s）一年一遇 6.2 11.1 19.3 0.8
十年一遇10.0 13.1 30.5 1.8
（2）十年一遇海况下半潜平台的时域耦合分析
以上进行了在普通的海况下0°与90°的环境力入射的条件下的时域耦合分析，计算了此条件下平台的平荡和摇荡值。

那么，在更恶劣的海况条件下，该平台是否还能满足生产工作需要吗？下面对该平台进行十年一遇海况下的时域耦合分析，来进一步探究此平台的水动力特性[5]。

首先来进行环境力为0°时平台的时域耦合分析：
图3 平台位移时程
表4 环境力0°入射时平台运动响应统计值
纵荡（m）纵摇（deg）垂荡（m）Max 标准差Max 标准差Max 标准差
22.45 3.70 6.43 1.75 2.76 0.22
十年一遇海况下环境力0°入射时各锚链响应值如下表：
表5 各锚链响应值
锚链编号最大值最小值标准差平均值1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
6,970,378
7,620,941
5,271,536
5,655,223
5,655,192
5,271,546
7,620,978
6,970,410
6,140,512
6,318,414
4,274,976
4,814,279
4,814,289
4,274,979
6,318,423
6,140,520
130,478.1
209,132.2
171,240.2
143,312.2
143,310.9
171,239.3
209,141.0
130,489.8
6,537,210
6,936,829
4,811,385
5,239,788
5,239,790
4,811,386
6,936,832
6,537,213
18 中 国 水 运 第18卷 由以上图表可知，十年一遇海况下，环境力0°入射时的纵荡最大值达到了22.45m ，比普通海况下多了13.9m 。

纵摇达到6.43°，比普通海况下多了3.7°。

垂荡2.76m 与普通海况相差不大。

受力最大的2#锚链与7#锚链达到了7,620,941N 以及7,620,978N ，略小于复合缆的破断应力7,840,000N ，还是可以保证平台的安全性。

与普通海况下的响应值对比下，十年一遇海况下平台纵荡以及纵摇都发生了很明显的变化。

十年一遇海况下环境力90°入射：
图4 平台位移时程
表6 90°入射时平台运动响应统计值
横荡（m ） 横摇（deg ） 垂荡（m ） Max 标准差 Max 标准差 Max 标准差 21.43
2.15
4.93
0.54
2.75
0.22
十年一遇海况下环境力90°入射时各锚链的响应值。

表7 各锚链响应值
锚链编号 最大值 最小值 标准差 平均值 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
6,891,827 6,587,820 6,587,838 6,891,828 5,586,932 5,846,496 5,846,480 5,586,926
5,968,495 5,928,578 5,928,554 5,968,491 4,661,228 5,070,768 5,070,766 4,661,256
94,040.35 64,248.88 64,248.55 94,038.56 96,966.32 80,598.01 80,593.55 96,962.93
6,436,155 6,272,129 6,272,129 6,436,158 5,103,234 5,424,585 5,424,584 5,103,232
由以上图表可知，90°环境力下十年一遇海况时平台的横荡达到26.43m ，比普通海况时多出了16m ，变化非常明
显。

横摇角3.93°，比普通海况下增加了50%以上，影响同样显著。

而垂荡的影响不大。

在锚链应力方面，1#锚链和4#锚链受力最大，达到了6,891,827N 和6,891,828N ，小于复合缆的破断应力7,840,000N ，符合平台安全生产条件。

总结整个时域耦合分析板块，对普通海况与十年一遇海况平台响应情况的对比如下表所示：
表8 环境力为0°时的响应对比
0° 普通 十年一遇 增长率 纵荡 纵摇 垂荡 最大锚链力
8.55m 2.73° 2.53m 6,074,682N
22.45m 6.43° 2.76m 7,620,978N
162% 136% 9% 25%
表9 环境力为90°时的响应对比
90° 普通 十年一遇 增长率 横荡 横摇 垂荡 最大锚链力
8.15m 2.54° 2.59m 6,041,190N
21.43m 4.93° 2.75m 6,891,828N
163% 55% 6% 14%
由上两表可见，当海况恶劣时，对平台的纵荡、纵摇、横荡有着显著的影响。

同时，对平台的横摇的影响也不可忽视。

随着海况的变化，对平台垂荡的影响不大。

锚链受力虽有变化，但仍在安全的范围之内。

三、结论
（1）横摇和艏摇虽然与其它方向运动的变化趋势不一致，但都是在波频（0.2~1.5rad/s ）范围内具有很大的响应。

（2）在时域耦合计算中，十年一遇海况的情况下各锚链以及平台的运动响应值均满足安全生产条件，其中海况变恶劣的情况下对纵荡，纵摇以及横荡的影响最大，对于垂荡的影响很小。

参考文献 [1]
O.M.Faltinsen.Sea
loads
on
ships
and
offshore
strctures.Professor ，Department of Marine Technology Norwegian Institute of Technology. Cambridge University Press ，1990.
[2] 张威.深海半潜式钻井平台水动力性能分析[D].上海：上
海交通大学，2006.
[3] 唐东洋.风浪联合作用下深水半潜式平台水动力性能实验
研究[D].大连：大连理工大学.
[4] 史琪琪，杨建民.半潜式平台运动及系泊系统特性研究[J].
海洋工程，2010，28（4）：1-8.
[5] 陈鹏，马骏，黄进浩等.基于AQWA 的半潜式平台水动
力分析及系泊性能计算分析[J].船海工程，2013. [6] 白云山.半潜式平台水动力性能分析与优化设计[D].大
连：大连理工大学，2014.。