畸形波作用下张力腿平台的瞬时响应

自从第一座张力腿平台于1984年在美国墨西哥湾水域建成以来,张力腿平台凭借运动性能好、抗恶劣环境能力强、造价低等优势，在20世纪80年代初得到了蓬勃发展，也是未来一段时期深水平台的主要形式之一。

海洋平台所处海洋环境十分复杂、恶劣，破坏性较大的“新年波”（“new wave ”）多年来引起了人们的广泛关注，Tromas

[1]

提出的新波理论模型（New

Wave Theory

），能够模拟极限波最有可能出现的波面形状。与传统上使用的规则波模拟方法相比，该

模型认为波面是一种随机过程，最可能的形状是同实测波浪资料随机波面的自相关函数成正比，而自相关函数可以通过方向谱的傅氏变换得到。所以，新波浪理论体现了实际波浪的宽谱特征。

本文首先通过频域方法得到张力腿平台的波浪作用力传递函数、附加质量和辐射阻尼，然后通过傅立叶变换求得时域下的波浪脉冲响应函数和延迟函数，时域下的波浪力，通过时域内广义波浪力的脉冲响应函数与利用新波理论模型模拟的波面高度的卷积求得。然后，通过平台运动方

2009年5月

第5期总第427期May 2009

No.5Serial No.427

水运工程

Port &Waterway Engineering 收稿日期：2008-11-04

*基金项目：863课题研究项目（2006AA09A109-3），国家自然科学基金项目（10772040）。作者简介：肖鑫(1983—)，女，硕士研究生，主要从事波浪与结构物相互作用研究。

畸形波作用下张力腿平台的瞬时响应*

肖鑫1.2，滕斌1，勾莹1，宁德志1

（1.大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024;

2.中交水运规划设计院有限公司，北京100007

）摘要：应用Tromas 等（1991）提出的新波理论的概念，建立了极限入射波浪模型，并把该模型引入到极限波浪与平台互相作用的水动力计算中。研究中应用大连理工大学海岸及近海工程实验室开发的频域波浪力分析程序WAFDUT1.4，得到结构的波浪力传递函数和水动力系数。通过平台运动方程在时域内计算得到运动响应和张力腿受力。最后，进一步研究了张力腿平台的刚度系数和波浪周期的改变对张力腿平台的运动响应和张力腿受力的影响。

关键词：瞬时响应,张力腿平台，畸形波中图分类号：P 75

文献标志码：A

文章编号：1002-4972（2009）05-0009-06

Transient response of TLP under freak waves

XIAO Xin 1.2,TENG Bin 1,GOU Ying 1,NING De-zhi 1

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;

CC Water Transportation Consutants Co.,Ltd.,Beijing 100007,China)

Abstract:Applying the New Wave theory put forward by Tromas and others,we established the extreme

incident wave model,which was introduced into the calculation of hydrodynamic force.WAFDUT1.4developed by the State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering of Dalian University of Technology is used to calculate the wave force transfer function and the hydrodynamic coefficients.The displacement and the tether tension are obtained by solving the motion equation of TLP in the time domain.Finally,the influence due to the changes of the wave period and the stiffness of TLP tethers are calculated and discussed respectively.

Key words:transient response;TLP;extreme

waves

2009年

水运工程

程在时域内计算得到平台运动响应和张力腿受力。

最后，进一步研究了张力腿平台的刚度系数和波

浪周期的改变对张力腿平台的运动响应和张力腿

受力的影响。

1畸形波的模拟

特征波法是在传统的设计和评价中使用的模拟

方法，但这种方法忽视了海洋波浪实际的宽谱特

征，无法反应出结果的动力响应特征，所以不具有

代表性。而Tromas等[1]提出的新波理论模型（New

Wave Theory），能够模拟极限波最有可能的波面形

状，根据新波理论模型计算出的外力荷载与实验结

果及传统随机波浪理论所得的结果吻合较好[2-7]，

正逐渐被相关学者和工程师所接受。

新波理论模型将波面看作一个高斯随机过程，

把历史记录中最不利的波面情况通过数学方法表

达出来，并且波峰周围的自由表面升高可以根据

最不利波峰发生的时间、地点使用统计的方法求

出最可能的波形，而波形通常与实测波浪资料随

机波面的自相关函数成正比。通过波浪振幅谱或

方向谱的傅立叶变换可以得到自相关函数。

在新波理论中，波面形状可以表示为最大波

峰幅值同海洋谱自相关函数的乘积的形式：

η（τ）=αρ（τ）

η（τ）=α1

σ2∞

乙S（ω）cos(ωτ)dω（1）

加入空间变量，单向入射波可表示为：

η（X，τ）=α

σ2

∑S（ωn）Δωn cos[k n（x-x0）-ωn（t-t0）]（2）式中：α是最大波峰振幅；σ为波浪记录的标准偏差；S（ω）为谱密度；x0为最大波峰发生处；t0为最大波峰发生的时刻；k n为第n个正弦分量的波数与ωn满足波浪的色散关系。畸形波的模拟可以看作是多个简谐波浪分量在某点处聚焦的结果。

谱密度S（ω）可根据实际结构物波浪力设计标准采用当地的海浪谱或者实测的极限海浪谱。目前，设计中通常采用Pierson-Moskowitz谱，本文采用1978年第15界ITTC的谱公式[8]：

S（ω）=Aω-5exp（-Bω-4）

A=173H2s T-40.1B=691T-40.1（3）式中：H s为有效波高；T0.1为由谱矩计算的平均周期。

图1是采用新波理论模拟的一个典型的畸形波（a=12m，H s=5m，T0.1=8.6s）

2频域解的傅氏变换

本文应用大连理工大学海岸及近海工程实验室开发的频域波浪力分析程序WAFDUT1.4[9-10]，计算结构的波浪力传递函数和水动力系数。并应用Commins（1962）提出的时域计算方法，即通过傅氏变换求得时域下的波浪作用力、附加质量和迟滞函数。

一阶广义波浪力F(1)i(t)可通过时域内广义波浪力的脉冲响应函数与波面高度的卷积求得：

F(1)i(t)=

t

乙h(1)i(t-τ)η（τ）dτ(i=1，2，…，6)（4）式中：h(1)i为时域内一阶脉冲响应函数。

时域内一阶脉冲响应函数可通过频域内线性传递函数经傅氏变换求得：

h(1)i（t）=Re1

π

∞

乙H(1)i（ω）e iωt d

∑∑ω（5）

频域内线性传递函数H(1)i（ω）为单位波幅规则波作用下物体上的一阶波浪力。

3张力腿平台运动的时域模拟

3.1计算模型

本文计算模型选用四腿张力腿平台，参数见表1。利用平台的对称关系，在1/4平台上共划分了1024个单元，网格剖分情况如图2所示。

3.2时域运动方程求解

对于深海中的张力腿平台，考虑了张力腿受力以及波浪力，应用第二牛顿力学定律可得到k 图1畸形波波形(a=12m，H

s

=5m，T0.1=8.6

s)

10··