基于AQWA的系泊参数对单浮体动力响应的影响

陈徐均 计 淞* 陆 凯 黄 恒 苗玉基

(陆军工程大学野战工程学院1) 南京 210007) (中国船舶科学研究中心2) 无锡 214082)

0 引 言

浮式栈桥通常由多个浮箱拼组而成，它们便于运输、架设快速，可解决近海水深较浅，大型船只无法靠泊的问题.当海况较危险时，需解除桥节间连接，此时结构体系转化为系泊单浮体系统.对系泊系统进行合理设计，可减小结构运动响应，保证结构的使用安全.

国内外学者针对系泊浮体的水动力响应展开了大量深入的研究.Ghafari等[1]对比研究了系泊锚链上的浮标尺寸、位置和数量参数对半潜式平台动力响应的影响.Giorgi等[2]针对系泊锚链参数对波能转换装置共振性能的影响展开了研究.Xu等[3]利用NSGA-II算法对浅水区域的船舶系泊系统进行了多目标优化分析，并通过案例验证了该方法可适用于更高精度的设计需求.Cui等[4]针对内孤立波作用下圆柱形浮式结构的系泊张力响应及运动响应开展了相关研究.Chen等[5]基于三维势流理论水动力分析软件(advanced quantitative wave analysis,AQWA)研究了波幅、波向和周期参数对结构运动响应及系泊张力的影响，并与水池试验数据进行了对比.Rudman等[6]运用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对极端海况作用下半潜式张力腿平台的运动响应进行了预测.苗玉基等[7-8]基于AQWA软件建立了海底地形-浮式栈桥-波浪水动力耦合计算模型，针对复杂地形下浮式栈桥和单桥节的运动响应进行了频域分析计算.纪仁玮等[9]利用Fortran语言对AQWA软件进行了二次开发，针对特定振荡浮子式双浮体波浪能装置开展了频域和时域的运动响应分析.

文中基于三维势流理论的浮式结构分析方法，通过水动力分析软件AQWA所建立的系泊单桥节模型进行了衰减特性验证，针对系泊参数对结构动力响应的影响开展了分析研究.

1 计算原理

假定桥节为刚性浮体，其所处流域为理想流体.建立固定坐标系OXYZ，OXY平面与静水面平行，OZ轴铅直向上；随体坐标系oxyz固定于桥节重心位置，随桥节摇荡，平衡位置时oxy平面与静水自由面平行，ox轴位于桥节中轴线，oz轴垂直向上.坐标系定义见图1.

图1 坐标系示意图

由上述假定，引入速度势函数φ，且满足[10]

2φ=0

(1)

(2)

式中：pa为水面大气压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；z为垂向位置坐标.

显然，只要求得速度势函数φ，便可由式(2)求得整个流场的压力分布，进而求得浮体所受的流体作用力.

系泊浮体流场中的速度势φ可分解为入射势φI、绕射势φD和辐射势φR，即：

φ=φI+φD+φR

流域中的入射速度势φI认为已知，绕射势φD与辐射势φR可根据给定的定解条件应用格林函数法求解.

由辐射势φR引起的广义辐射力FR(t)为

(3)

浮体的时域运动方程为

FW(t)+Fsn(t)+Fm(t)

(4)

广义一阶波浪力FW(t)通常认为由Froude-Krylov力和绕射力组成，可根据卡明斯提出的时域与频域波浪力的卷积关系计算，广义二阶波浪力Fsn(t)可采用Newman近似方法进行计算[12]，广义系泊力Fm(t)采用考虑锚链拉压刚度特性的悬链线模型进行计算[13].

2 数值计算模型

2.1 单浮体参数

以某浮式栈桥的标准单桥节作为研究对象，模型主尺度见图2，相关力学参数见表1.流域水深为8 m，假定海底平坦无坡度.

图2 标准单桥节主尺度(单位：m)

表1 标准单桥节力学参数

2.2 波浪环境参数

本计算中仅考虑波浪的作用，其入射角θ为0°、30°、45°、60°和90°，入射方向见图2.波浪荷载采用JONSWAP不规则波谱进行模拟，参数见表2.

表2 波浪参数

2.3 系泊系统设计

单桥节由四根悬链线锚链系泊锚定，采用交叉布锚方式，系泊线与桥轴中心线间夹角恒定为45°，系泊形式见图3.锚链采用GB/T 549-2017中的AM2号锚链，参数见表3，桥节上设四个系留点，位于甲板舷侧正上方，距端部均为4 m.计算中假定锚具有足够抓力，位于海底的布锚点不会发生移动.

图3 系泊系统布置图

表3 锚链参数

3 数值计算结果与分析

3.1 衰减频率特性验证

由于计算软件基于势流理论，无法考虑粘性阻尼的影响，通常需由静水衰减试验测定阻尼系数后进行修正.本节首先在AQWA软件中给定自由桥节一初始位移后释放，得到初始状态下的自由衰减曲线，进而通过在桥节时域运动方程中添加附加阻尼矩阵对模型进行修正，得到修正后的衰减曲线见图4.图中试验数据来源于文献[14]，通过对比发现调整模型附加阻尼后的垂荡、横摇及纵摇衰减曲线和试验数据吻合良好.

图4 桥节自由状态衰减曲线及试验对比

由图4可知，本文采用的修正方法可以较为准确的模拟浮体在静水中的衰减频率特性，因此可用于后续的时域计算分析.

3.2 投锚距离对系泊系统的影响

为考虑投锚距离对系泊系统的影响，固定锚链拉压刚度为8×107N，锚链预张力为3×104N，改变锚链水平投锚距离为40～120 m，波浪入射角为0°～90°，计算得到桥节运动最大响应幅值及锚链张力最大值的统计结果见图5.由于纵向浪(θ=0°)作用下桥节的横荡、横摇和艏摇值及横向浪(θ=90°)作用下桥节的纵荡、纵摇和艏摇值的变化均较小，本节及后续分析中不再对其讨论.

图5 投锚距离对最大响应幅值的影响

图5a)中，桥节纵荡值随投锚距离的减小而减小；纵向浪(θ=0°)对结构纵荡位移的影响较大.由图5b)可知，随着投锚距离减小，桥节横荡位移减小，波浪入射角对横荡响应的影响也随之变小.由图5c)～e)可知，投锚距离对系泊浮体的垂荡和纵摇位移影响并不显著，但入射角度增大会导致桥节垂荡值增大，纵摇值减小.图5d)中，桥节横摇位移随投锚距离的减小略有增大，这是由于交叉布锚方式导致锚链力有增大横摇的趋势引起的，其中横向浪(θ=90°)对结构横摇的影响最为显著.由图5f)可知，当浪向角θ=60°时浮体艏摇幅值响应最大，随投锚距离减小，结构艏摇值随之减小.由图5g)可知，随投锚距离减小，系泊锚链最大张力呈增大趋势；波向角θ=0°时锚链张力响应最小，θ=60°时锚链张力响应最大，根据文献[15]选取锚链安全系数为1.67，要求锚链最大张力不得超过5.36×105N，当投锚距离为40 m时已有工况不满足安全要求.

上述结果说明，增大波浪入射角，系泊浮体横荡、垂荡及横摇值增大，但纵荡及纵摇值随之减小；减小投锚距离，系泊浮体纵荡、横荡及艏摇值减小，这是由于投锚距离越小，锚泊系统的约束刚度越大，从而锚链最大张力值也增大.从锚链安全角度考虑，建议该系泊浮体的安全投锚距离应大于40 m.

3.3 锚链预张力对系泊系统的影响

为了研究锚链预张力对系泊系统的影响，选取水平投锚距离为60 m，锚链拉压刚度为8×107N，分别对锚链预张力为0.5×104～3×104N，波浪入射角为0°～90°的情况进行研究.计算得到桥节运动最大响应幅值及锚链张力最大值的统计结果见图6.

图6 锚链预张力对最大响应幅值的影响

由图6可知，随着锚链预张力增大，桥节纵荡、横荡及艏摇值显著减小.桥节垂荡位移随锚链预张力的增大先减小后增大，但总体变化不大.横向浪(θ=90°)作用下桥节横摇受锚链预张力的影响并不显著.锚链最大张力随预张力的增大先增大后减小，纵向浪(θ=0°)作用下的锚链最大张力明显小于其他角度入射工况.

上述结果说明：预张力对浮体的平面运动有较大影响；增大锚链预张力，浮体纵荡、横荡及艏摇值减小，而锚链最大张力先增大后减小.

3.4 锚链轴向刚度对系泊系统的影响

为了研究锚链拉压刚度对系泊系统的影响，选取水平投锚距离为60 m，锚链预张力为3×104N，分别对锚链拉压刚度为3×107～8×107N，波浪入射角为0°～90°的情况进行研究.计算得到桥节运动最大响应幅值及锚链张力的统计最大值见图7.

图7 锚链拉压刚度对最大响应幅值的影响

由图7可知，随着锚链拉压刚度的增大，锚链张力略有增大，系泊浮体的纵荡、横荡及艏摇等水平运动的位移减小，而垂荡、横摇和纵摇等垂向运动受锚链刚度的影响较小.建议采用具有较大拉压刚度的系泊锚链.

4 结 论

1) 通过在AQWA软件中添加附加阻尼修正后的数值模型可较准确地模拟浮体在水中摇荡的衰减特性.

2) 增大锚链预张力，增大锚链拉压刚度或减小投锚距离都相当于提高了系泊系统的约束刚度，在增大锚链受力的同时，可以有效减小系泊约束浮体的水平运动，但对浮体垂向运动的影响较小.

3) 总体来看，纵向浪(θ=0°)作用下系泊浮体的动力响应较小，为保证结构的使用安全，建议该浮体应平行于波浪入射方向布设，并尽可能增大锚链拉压刚度，但锚链的水平投锚距离应大于40 m.