半潜式平台总体波浪载荷的几种算法对比

韩荣贵，时 磊，王金光，丁朝蓬

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台 264000）

0 引言

半潜式海洋平台在营运期间承受的环境载荷包括风、浪、流、水温等自然环境引起的载荷。波浪载荷是半潜式平台强度分析、结构设计与安全评估中一个非常重要的载荷之一，正确计算波浪载荷对结构安全性具有重要意义。

目前比较常用的确定波浪载荷的方法有谱分析方法[1]和设计波方法[1-2]，由于谱分析方法的计算量大，现多用于平台的疲劳分析中，在强度分析中应用较少。而设计波方法的计算量相对较小，在工程应用上较多。在设计波方法中又分为确定性方法和随机性方法[1-2]。本文主要研究设计波计算中确定性方法和随机性方法的区别，分析其各自的优缺点。

1 设计波计算方法

1.1 确定性方法

确定性设计波分析方法是根据某一海域的百年最大波高与相应的波陡关系式换算出来的不同周期下的规则波波高，其中最大波陡计算公式[1]如下:

其中:S为波陡；T为规则波周期；H100为百年一遇最大波高。

规则波波高计算公式[1]为:

其中:H为规则波波高；g为重力加速度。

根据平台主次度，选取合适的波浪周期，应用公式(1)和(2)即可得到相应的规则波的波高。公式(1)给出的是最大波陡极限值，根据该公式计算会得到比较保守的计算结果。

1.2 随机性方法

随机性设计波分析方法[1-3]的主要思想是将特征载荷RAO（Response Amplitude Operator）与波浪谱结合进行3小时短期预报，从而求取特征载荷在一定海况条件下的最大响应值。然后根据公式(3)[2]求解设计波的波幅。

其中:Ad为设计波的波幅；Rmax为特征载荷最大值；RAOC为对应关键周期下的特征载荷RAO。

典型的特征载荷如图1[1]所示。

图1 典型特征载荷

2 算例分析

水动力计算采用HARP软件[4]中的Hydrodynamic Module模块，特征载荷及设计波统计分析由自己开发的后处理程序完成。

2.1 水动力模型

下面以两种不同形式半潜平台进行相关研究，其一为非对称下浮体半潜式起吊平台，水动力网格如图2所示。另一座为对称结构的半潜式钻井平台，水动力网格如图3所示。分别命名这两个平台为平台1和平台2。

图2 半潜起吊平台水动力网格

图3 半潜钻井平台水动力网格

确定性方法波浪周期为4 s～15 s，浪向为-180°～180°，15°为一个间隔。

随机性设计波方法波浪周期4 s～40 s，1 s为一个间隔，在固有周期附近及10 s左右进行局部加密大概0.3 s～0.5 s间隔；浪向-180°～180°，15°为一个间隔。

2.2 海况参数

具体海况信息如表1所示，短期预报波浪谱采用JONSWAP 谱[3]。

表1 海况信息

2.3 计算结果

图4根据确定性设计波方法计算出的规则波波高。为比较两种设计波方法的结果，文章将比较各自选取的设计波对应的特征载荷大小。根据公式(4)计算出确定性方法计算的规则波对应的特征载荷。

其中:Rmax0为确定性方法特征载荷最大值；H为规则波波高；RAOC为对应周期下的特征载荷响应值。根据公式(4)及随机性设计波法计算出的特征载荷最大值在表2和表3中。

表2 平台1两种设计波法特征载荷对比

表3 平台2两种设计波法特征载荷对比

2.4 结果分析

从表2和表3中可以看出确定性方法所得设计波对应的特征载荷与随机性方法所得到的特征载荷大体接近。确定性方法相对于随机性方法偏保守一些。主要是由于在进行确定性方法选取设计波时使用了规范规定的最大波陡，由于规范中的波陡关系式是个极限值，实际海况中波陡可能会小于该值，因此会得到相对保守的波浪载荷。

对于确定性设计波法来说，设计波的个数会较多，因此会增加强度计算的工作量。

3 结束语

通过计算研究表明，确定性设计波方法一般会得到偏于保守的结果，其优点是在水动力计算及后处理上比较简单，不需要进行特征载荷及相应统计分析，只需要计算部分周期和浪向下的水动力系数，最后根据确定的设计波波高将波浪载荷施加到有限元模型上即可；其缺点是有限元分析计算量会大一些，但还是比谱分析方法的计算量小。随机性设计波方法的优点是选取的设计波数量较少，有限元分析计算量较小；缺点是水动力计算部分相对复杂，需要进行特征载荷计算及统计分析，若没有相应的计算程序，该项工作将无法进行。因此，在计算条件允许的情况下，建议优先采用随机性设计波方法进行波浪载荷计算，可避免不必要的结构加强，有利于平台的重量控制。

[1]DNV. RECOMMENDED PRACTICE DNVRP-C103 COLUMN-STABILISED UNITS[S].FEBRUARY, 2005.

[2]ABS. RULE FOR BUILDING AND CLASSING.MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS[S]. 2008.

[3]戴仰山, 沈进威, 宋竞正. 船舶波浪载荷[M]. 北京:国防工业出版社, 2007.

[4]HARP MANUAL[Z].

[5]DNV. OFFSHORE STANDARD DNVOS-E301 POSITION MOORING[S]. 2008-10.