柱稳式锚泊浮台的设计波建模与仿真*

（海军航空大学 烟台 264000）

1 引言

对于浮台结构来说，波浪力是浮台所承受载荷中最为显著的载荷［1～2］。对波浪载荷的校核是浮台安全性的基础，要想算出波浪力，必须先算出设计波。本文所计算的海洋结构物为较为特殊的高度对称结构，并没有完全合适的规范，故本文采用了《海上移动平台结构状态动态评价及应急响应指南》［3］中的规定，计算了使柱稳式锚泊浮台受力最大的设计波。

2 海洋浮台几何模型

海洋浮台的几何模型采用ANSYS软件建模完成，模型采用壳体建模实现。模型如图1。结构包括甲板及甲板桁材、甲板扶强材，立柱外板及立柱桁材立柱扶强材，底部外板，底部内部舱室与构件，以及立柱之间的横撑结构等。其余结构整流罩以及整流罩基座等结构以质量点的形式加载在相应的位置。

图1 浮台几何模型

在水动力分析中，只需要建立浮台的外壳模型［4］，保证湿表面是连续的且法向朝外，并在水线处对外壳模型进行切断。采用ANSYS Design Modeler几何模块对浮台进行几何编辑，提取浮台的外壳，如图2。

图2 浮台水动力模型

浮台的尺寸等相关数据如表1所示。

表1 浮台相关技术参数

3 设计波的选择与仿真

当今，有许多的学者都提出了关于设计波参数的选取方法，国外学者Salvesen N等［5］以步长15°浪向 区 间 0°～180°，步 长 0.05rad/s、频 率 0.1rad/s～1.5rad/s的方法搜索了设计波，然而这种方法过于繁琐，造成了很大的工作量。因此，本文在规范的基础上，参照浮台自身的情况，结合经验选取了设计波的参数。

根据CCS《海上移动平台结构状态动态评价及应急响应指南》的规定，结合本文所研究浮台高度对称且无自航能力的特点，选取主要控制参数其中的三种：中纵剖面的纵向剪力、艏摇扭矩与垂向弯矩。

3.1 设计波的筛选范围与波高

平台的主尺度特征是波浪搜索的具体实施方案的依据［6～7］，波浪的方向被假定是等概率分布，波浪的浪向区间为0°～180°，步长60°。考虑到平台的对称性，实际选取时只需考虑0°和60°方向即可。波长搜索范围在0.5D～2.5D之间，D为浮台特征直径，为18m，对应周期为2.4s～5.8s［8］。

规则波最大设计波高是基于规则波波陡计算得到，规则波的波陡一般根据百年一遇规则波条件［9］确定。规则波的波陡定义如下：

式中，g为重力加速度，H为规则波波高，T为规则波周期。

规则波波陡通常不必超过以下公式确定的数值［10］：

当T≤6s时，

当T＞6s时，

式中，H100为百年一遇规则波最大设计波高。

确定特征波的方向和波长，由平台几何参数和荷载控制参数共同确定［11］。计算单位规则波波幅下的响应幅值（控制参数的RAOs），将RAOs函数值与相应周期对应的波高（由周期和波陡可确定波高）相乘，得到不同周期、波高下的响应值，波周期范围建议不必小于3s且不必超过18s。

确定搜索范围后，选取上述响应值的最大值所对应的波高和周期［12］，即为浮式平台整体结构分析所采用的设计波高和周期。

3.2 纵向剪力控制下的设计波

为得到使浮台纵向剪力最大时的波浪参数，提取0°和60°波浪方向下浮台剪力大小FL随波浪频率的关系曲线如图3、图4所示。

图3 剪力大小随波浪频率变化（浪向0°）

图4 剪力大小随波浪频率变化（浪向60°）

当波浪方向0°，波浪频率为0.198Hz，相位角为87.87°时纵向剪力达到最大，此时设计波姿态见图5。

图5 纵向剪力控制下的波浪姿态

3.3 首摇扭矩控制下的设计波

提取各波浪方向下浮台首摇扭矩随波浪频率的关系曲线如图6、图7所示。

图6 首摇扭矩随波浪频率的关系曲线（浪向0°）

图7 首摇扭矩随波浪频率的关系曲线（浪向60°）

在60°方向波浪下，浮台出现最大首摇扭矩，其峰值对应的波浪频率为0.172Hz，最大扭矩对应相位角-107.3°。最大首摇扭矩对应波浪姿态如图8所示。

图8 最大首摇扭矩对应的波浪姿态

3.4 垂向弯矩控制下的设计波

提取各浪向下浮台垂向弯矩随波浪频率的关系曲线如图9、图10所示。

图9 垂向弯矩随波浪频率的关系曲线（浪向0°）

图10 垂向弯矩随波浪频率的关系曲线（浪向60°）

在0°方向波浪下，浮台出现垂向最大弯矩，其峰值对应的波浪频率为0.185Hz，中拱时对应的相位角7.8°，中垂时对应的相位角为187.8°。对应的波浪姿态如图11、图12所示。

图11 中拱对应的波浪姿态

图12 中垂对应的波浪姿态

首先根据各控制参数的RAOs曲线来确定设计波方向和频率，再根据规则波浪的频率与周期的关系，得到波浪周期，最后根据式（2）得到设计波波高。因此各控制参数对应的设计波参数见表2。

表2 各控制参数对应的设计波参数

所以工况设计为

工况一：纵向剪力最大的设计波工况；

工况二：首摇扭矩最大的设计波工况；

工况三：浮台中拱的设计波工况；

工况四：浮台中垂的设计波工况。

4 结语

本文基于《海上移动平台结构状态动态评价及应急响应指南》中的规范，选择了中纵剖面的纵向剪力、艏摇扭矩、垂向弯矩三种控制参数，通过结算，得到了纵向剪力最大的设计波工况、首摇扭矩最大的设计波工况、浮台中拱的设计波工况、浮台中垂的设计波工况四种工况下的设计波参数，为接下来的柱稳式锚泊浮台的结构校核提供了计算依据。