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含裙板锚泊浮筒的动力响应分析

2015-03-25郑妍颖

广东造船 2015年2期
关键词:浮筒锚泊锚链

郑妍颖

(华南理工大学土木与交通学院 , 广州510640)

1 前言

伴随着石油的需求总量不断加大,海洋石油开采已经成为人们获取能源的重要方式之一。深海油气资源开发是必然的趋势,单点系泊技术已成为海洋工程界的热门课题。陈矗立[1]采用集中质量法模拟计算锚链线,对FPDSO、G-Spar和“挑战号”半潜平台进行运动响应分析;王冬姣[2]采用特征函数展开法、边界匹配法对深海浮式直立圆柱体的水动力系数进行计算;郭霆[3]运用HydroSTAR、Ariane等计算软件对FPSO、SEMI、SPAR、TLP等四种浮式结构的RAO、二阶波浪力和锚链受力进行了分析;单长飞等人[4]借助Matlab 工具,对入射波下的波能采集浮筒进行运动响应特性的综合分析,得到了圆柱形浮筒位移响应幅值、速度响应算子、加速度响应算子与入射波圆频率的关系;李竺霖[5]进行了在特定的海洋环境条件下的一阶运动响应函数、运动谱和统计值分析,并与相应的试验结果进行了比较;王冬姣[6]对由三段索链、浮子或沉子组合而成的多索链复合锚泊系统进行了静力分析,其中采用悬链线方程并忽略作用在锚泊线上的流体动力,但考虑了锚泊线的弹性伸长、索链相连的浮子或沉子的具体尺度作用。

本文借助Workbench,对有裙板的锚泊浮筒系统进行模拟,将锚链分成100段,采用动力分析,根据浮筒各自由度上的动力响应,研究系泊锚链的受力情况,验证了锚链的参数符合安全性要求。

2 锚泊浮筒时域运动方程

锚泊浮筒在风、浪、流作用下的时域运动方程,可表示为:

式中:Fwk(t)、Fck(t)、Fek(t)、Fmk(t)分别为作用在浮筒上的风力、流力、波浪扰动力和锚泊力;Mkj为浮筒的质量矩阵;Ckj为静水力刚度矩阵;bVkj为线性粘性阻尼系数矩阵;Mkj(∞)为频率无穷时的附加质量矩阵;Kkj(t-τ)为浮筒的延迟函数矩阵,可通过频域计算中得到的附加质量Akj(ω)和辐射阻尼系数Bkj(ω)计算得到:

作用在浮筒上的水平风力和流力可按Morison公式计算:

式中:ρa和ρ分别为空气密度和海水密度;Aw和Ac分别为与风速和流速垂直方向的投影面积;Cw和Cc分别为风和流的阻力系数,取1.0;Vw和Vc分别表示相对风速和相对流速;θw和θc分别为相对风速和流速的方向角。

选用PM谱模拟不规则波,作用在浮筒上的波浪载荷可表示为:

基于Newman近似法,可得:

式中:Fek(1)(t)为作用在浮筒上的一阶波浪载荷;Fek(2)(t)为作用在浮筒上的二阶波浪载荷;Fk为一阶波浪扰动力传递函数。对于任意两个频率组成的双色波,用ai、aj表示双色组成波的波幅值,ωi、ωj为频率,εi、εj为随机相位角;为双色波频率ωi、ωj对应的二阶差频波浪载荷传递函数的实部。

结构物的垂荡bV33和纵荡bV11运动的线性粘性阻尼系数,可用下式[7]计算:

结构物的纵摇运动阻尼系数bV55,可用下式[7]计算:

式中:D 为结构物的基准宽度;L 为结构物的总长度;Cd为莫里森系数;d1、d2分别为结构上下边缘的吃水深度。

3 计算模型

浮筒锚泊系统,如图1所示。水深21.85 m,锚泊浮筒直径为12.0 m,型深5.45 m,吃水3.45 m,裙板直径14.0 m。6根锚链呈散射均匀分布,一端通过止链器与浮筒连接,另一端通过锚桩固定到海底,锚桩与浮筒中心水平距离为274.4 m。锚链类型为非线性的悬链线,长度273.58 m,锚链直径120 mm,拉压刚度为2.37×106kN,单位长度链重为279.68 kg/m,破断强度为13 573 kN,将每根锚泊线划分为100个单元,采用动力分析。10分钟平均风速为50.3 m/s。采用PM谱,有义波高为10.8 m,过零周期14 s,表面流速2.26 m/s。风、浪、流方向均为0°(由锚链4指向锚链1),浮筒水动力计算模型如图2所示。

阻尼矩阵是一个6×6的非零矩阵,其对角线元素对结构的运动起主导作用,本文只计算阻尼矩阵的对角线元素,令其他元素为零,根据浮筒结构的对称性可知b11= b22、b44=b55。由于首摇运动是一个很小的量值,计算时只需给定b66一个足够大的数值。

粘性阻尼计算中各参数的取值,如表1所列。

表1 粘性阻尼计算中各参数的取值

图1 锚泊浮筒

图2 浮筒水动力计算模型

4 计算结果分析

设浮筒的排水体积为V,直径为D,无因次附加质量可表示为:

无因次辐射阻尼系数为:

单位波幅作用下,无因次一阶波浪力可表示为:

单位波幅作用下,水平方向的无因次漂移力可表示为:

波浪入射角为0°,频率区间取0.01 Hz至0.7 Hz。图3和图4为通过频域计算得到的无因次附加质量和辐射阻尼曲线;图5为单位波幅作用下的一阶波浪力;图6为纵荡方向的漂移力。

图3 浮筒的附加质量

图4 浮筒的辐射阻尼

图5 一阶波浪力传递函数

图6 纵荡方向漂移力曲线图

使用Workbench软件进行时域计算,模拟锚泊浮筒在风向角、浪向角和流向角均为0°时的表现。时域计算时间取3小时(步长为0.05 s),考虑了粘性阻尼和锚链力动力分析,最终得到系泊浮筒各方向的偏移以及系缆绳张力的时历变化曲线。由时域计算所得的各锚链张力计算结果见表2。

表2 浮筒运动和锚链力统计值

由表中结果可以看出:

(1)当风向角、浪向角和流向角为0°时,浮筒的升沉运动最大值为11.27 m,平均值-1.43 m;纵摇运动最大值为0.25rad,平均值-0.01rad;

(2)由于锚链4与风浪流的来流方向同向,因此所受的拉力最大,其安全系数为2.9﹥1.67,所以该锚链符合API的安全规范[8]。

5 结论

(1)裙板在结构方面起了很好的防撞作用,在严峻的海上环境下可以很好的保护浮筒结构的完整性,从而保证锚泊浮筒性能的持久性;

(2)锚链4与风浪流的来流方向相同,因此所受的拉力最大,其安全系数为2.9,大于规范要求的1.67,因此符合锚链的安全性要求。

[1]陈矗立.深海浮式结构物及其锚泊系统的动力特性研究[D].上海交通大学, 2007.

[2]王冬姣,周晖.深海中浮式直立圆柱体水动力系数研究[J].科学技术与工程,2010,10(1).

[3]郭霆.典型浮式结构水动力性能分析[D].哈尔滨工程大学, 2012.

[4]单长飞,谢永和,李德堂等.单自由度浮式圆柱形波能发电装置的水动力计算[J].船舶工程,2012(Z2):213-216,231.

[5]李竺霖.单点系泊系统低频运动响应研究[D].大连理工大学, 2013.

[6]王冬姣.索-链-浮子/沉子组合锚泊线的静力分析[J].中国海洋平台2007,22(6):16-20.

[7]李溢涵.海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究[D].天津大学, 2011.

[8]American Petroleum Institute.Recommended practice for planning, designing,and constructing fixed offshore platforms[M].American Petroleum Institute,1989.

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