球形波浪浮标运动性能分析

王丽元，唐友刚，何 堃，白 强

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

球形波浪浮标运动性能分析

王丽元1，唐友刚1，何 堃1，白 强2

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

研究球形波浪浮标风、浪、流作用下的运动响应和系泊张力。利用SESAM软件建立球型浮标有限元模型。采用三维势流理论计算波浪力，得到一系列规则波作用下，不同水深时球形浮标的运动响应。同时计算球形浮标在随机波浪的作用下的时域运动响应。经过计算分析，得到了浮标的幅频响应以及随机波作用下的运动特点，给出了不同水深和波高下系泊锚链的张力。

球形浮标；幅频响应；随机运动；锚链张力

球形浮标广泛应用于在沿海水域测量海浪的变化，浮标在风浪流作用下的运动状态直接影响波浪测量数据的可靠性[1]。因此需要合理地分析预报浮标运动性能，掌握浮标工作海况下的运动性能，以及极端海况下的生存能力，为保证浮标的安全提供技术支持。浮标水中结构球体部分属于大尺度结构，需要考虑波浪的入射和绕射效应计算，系泊部分缆索属于小尺度结构，采用Morsion公式计算[2]。此外，浮标运动过程中发生慢漂运动，所以还需要考虑浮标的二阶慢漂阻尼力[3]。缪泉明等采用势流计算了规则波中蝶形浮标的运动响应[4]，骆寒冰等进行了规则波中浮标的试验研究[5]。目前对于考虑二阶力及随机波影响的浮标运动研究比较少。本文采用DNV开发的SESAM软件HydroD模块进行频域分析[6]，考虑二阶力采用DeepC模块进行时域随机分析[7]。计算得到了浮标的幅频运动曲线RAOs以及随机波下的运动和锚链张力的变化规律。

1 球形浮标主要技术参数

本文计算的球形浮标用途为测量波高。浮标结构如图1所示，其主要参数如表1所示。

系泊系统系泊索为混合结构，系泊索上部为锚链，下部为橡胶绳，海底部分为锚链。

2 计算模型

表1 浮标技术参数

图1 浮标结构示意图

在水动力计算软件SESAM中建立Panel模型，坐标系如图2所示，X轴水平向右，Z轴竖直向上，Y轴垂直纸面向外。在模拟时，用三节点和四节点的板单元，建立浮标的面板模型，球形浮标单元划分如图3所示。系泊线按照不同段系泊线的材料特性和几何尺度输入。

图2 球形浮标坐标系

图3 球形浮标水动力建模

将水动力模型导入到HydroD中，计算球形浮标在一系列规则波作用下的响应，并用Postresp子程序进行后处理，得到波浪载荷和运动响应的传递函数曲线RAOs。计算水深为20～60 m，间隔为10 m。下面以20 m水深为例，给出浮标运动RAOs曲线及水动力参数，如图4～图6所示。

图4 球形浮标六自由度RAOs曲线

3 自由浮标运动响应

图5 球形浮标6个自由度的附加质量

图6 球形浮标6个自由度的辐射阻尼系数

分析得到上述频域计算结果，利用SESAM软件DeepC模块计算浮标在随机波浪作用下的运动响应。本节仅考虑波浪作用，计算浮标的时域运动响应。由于浮标单点系泊，波浪二阶力对其运动影响很大，计算中，设置了波浪二阶阻尼[8]。本文波浪谱选择Jonswap3谱，波浪方向为X轴负向。对应海况参数如表2所示。

同样，以20 m水深为例，计算得到的浮标运动响应计算结果以及锚链中的张力如图7～图9所示。因浮标摇摆和升沉运动对浮标性能有很大影响，所以文中只给出纵摇和升沉运动响应。

至此，文中计算得到了球形浮标在各种水深、各种海况下的运动时程曲线。根据浮体在波浪上的运动理论[9]，浮体在随机波运动的过程中最可能出现的运动幅值为：

即程序输出的均方根为浮标运动过程中最可能出现的运动幅值。

浮标运动的平均幅值为：

1 /3 有义运动幅值为：

根据计算结果，用二次多项式拟合，由式（2）和式（3）可知，浮标运动响应的平均幅值和1/3有义运动幅值成线性比例关系，所以这里给出不同水深下纵摇和垂荡运动平均幅值随波高变化的曲线，如图10～图11所示。

图7 波浪作用下纵摇时间历程曲线

图8 波浪作用下垂荡时间历程曲线

图9 波浪作用下锚链张力时间历程曲线

表2 海况参数

图10 平均纵摇幅值随波高变化

接下来计算球形浮标在生存状态下的运动响应及锚链中张力历程曲线。生存状态考虑流和风对球形浮标的作用。波浪谱取Jonswap3谱，流速取2.0 m/s，风速取30 m/s。风、浪、流的方向相同，均为X轴负向。以20 m水深为例，计算结果如图12～图14所示。

图12 生存状态下纵摇时间历程曲线

图13 生存状态下垂荡时间历程曲线

图14 生存状态下锚链张力时间历程曲线

生存状态历程图说明，在有风、流作用时，浮标发生倾斜，获得新的平衡位置，在此平衡位置，浮标在波浪作用下做摇摆和升沉运动。

4 结论

（1）随着波高的增加，浮标的运动响应变大，缆绳张力也随之变大；

（2）球形浮标在生存状态下的运动响应由于风流影响，运动响应和缆绳张力增大；

（3）随着水深的增加，浮标的运动响应变小；

（4）在风流作用下，浮标产生倾斜角，由于波浪作用，浮标以倾斜位置为平衡做摇摆和升沉运动。

依据上述结论和球形浮标实际运动响应大小，调整球形浮标相应的设计参数，可以减小球形浮标的运动响应，为设计浮标和改进浮标提出相应的理论依据。

[1]顾鹏，董艳秋，唐友刚.浮标横摇倾角的改进计算方法[J].中国海上油气，2001，13(4)：10-13．

[2]唐友刚，沈国光，刘利琴.海洋工程结构动力学[M].天津∶天津大学出版社，2008．

[3]黄祥鹿，陆鑫森.海洋工程流体力学及结构动力响应[M].上海∶上海交通大学出版社，1992．

[4]缪泉明，顾民，杨占明，等.极限海况下浮标运动及锚链受力估算[J].船舶力学，2003，7(5)：21-27．

[5]骆寒冰，林维学，杨永春，等．规则波中浮标运动及锚链受力的试验研究[C]//第四届船舶与海洋工程学术会议论文集,2010∶494-497.

[6]DNV.SESAM User Manual HydroD Version 4.0，2008．

[7]DNV.SESAM User Manual DeepC Theory Version 3.0，2005．

[8]朱新颖，黄祥鹿.深海锚泊浮标的二阶动力分析[J].海洋工程，2000，18(2)：74-78．

[9]李积德.船舶耐波性[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992．

Analysis of the Motion Performance of a Spherical Wave Buoy

WANG Li-yuan1,TANG You-gang1,HE Kun1,BAI Qiang2
(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Institute of Marine Instrument and Meter,Academy of Shan Dong Province,Qingdao Shandong 266001,China)

The motion responses of the spherical wave buoy and the tension of the mooring line were investigated under the wind,wave,and the flow.The finite element model of a spherical buoy was set up by SESAM.The theory of three-dimensional potential flow was used to calculate the wave force,and the dynamic responses of the spherical buoy were also calculated in different water depths under a series of regular waves.Then the motion responses of the spherical buoy were calculated under random wave in time domain.After being calculated and researched,the RAOs of the buoy and the motion characteristics of buoy in random waves were obtained.Then the tensions of the mooring line were presented in different water-depths and wave heights．

spherical buoy;RAOs;random motion;tension of the mooring line

P715.2

B

1003-2029（2012）04-0009-05

2012-02-20

天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(11JCYBJC07300)；教育部高等学校博士点基金资助项目(20110032110041)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)

王丽元(1986-)，女，硕士研究生，主要研究方向为海洋工程结构动力学。Email：wangliyuan_tju@126.com

唐友刚(1952-)，男，教授，博士生导师。Email：tangyougang_td@163.com