多浮箱拼接浮体连接器动态响应分析

怀利敏　李艳贞　王领

摘    要：连接器是多浮箱拼接浮体的重要承载构件，其强度直接影响多浮箱拼接浮体的安全性。本文通过数值仿真软件对多浮箱运动及受力状况进行模拟，并进行水动力计算，分析在四级海况下连接器的载荷特性，并分析刚度对纵向连接器载荷的影响规律。

关键词：多浮箱拼接浮体;连接器;水动力计算;动态响应

中图分类号：P751                                  文獻标识码：A

Dynamic Response of Connector for Multi-buoyancy Tank

Splicing Platform Tanks

HUAI Limin LI Yanzhen WANG Ling

（ 1. Unit 92228， Beijing 100072; 2. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Connector is an important load bearing component of multi-buoyancy tank splicing platform. The strength of connector directly affects the safety of multi-buoyancy tank splicing platform. In this paper， the motion and stress conditions of the buoyancy tanks are simulated by the numerical simulation software， the hydrodynamic calculation is conducted， the load characteristics of connectors under level 4 sea state are analyzed， then the influence rule of stiffness on longitudinal connector load is analyzed.

Key words： Multi-buoyancy tank splicing platform; Connector; Hydrodynamic calculation; Dynamic response

1     前言

多浮箱拼接式浮体，是由多个浮箱模块通过不同类型的连接器拼接而成，其主要功能是在近岸海上将运输船上的车辆物资，通过滚装和吊装方式卸载到浮体上。该浮体能够与驳运设备对接，将车辆物资驳运上岸卸载。

多浮箱拼接式浮体的浮箱模块通常采用集装箱化设计。其不仅要求箱体尺寸和角件位置与集装箱相同，更对箱体接头提出了更高的要求。连接接头须具备以下特点：接头可拆卸，拆卸接头后箱体四周无凸出物，达到集装箱的外形尺寸规格;箱体两侧和端面、甲板和底板都用同一种接头，接头通用化提高了单元模块拼接的灵活性;接头通常有两种型式：一种为刚性接头，用于箱体之间刚性连接;另一种为半柔性铰接头，用于较大模块之间的连接。

多浮箱拼接式浮体在使用过程中，承受来自风、浪、流等多种环境载荷的作用，这些环境载荷最终通过浮箱模块传递到连接器上，过大的连接器载荷可能会造成连接器的变形或断裂，最终影响多浮箱拼接浮体的使用和安全性。因此，对连接器在环境载荷作用下进行动态响应分析，对连接器的结构设计和实际应用具有重要意义。

目前对多模块连接器载荷的研究，主要有四种计算模型：刚性模块柔性连接器模型;柔性模块刚性连接器模型;柔性模块柔性连接器模型;刚性模块刚性连接器模型。Wu C F[1]根据刚性模块柔性连接器假设，建立模块六自由度运动方程和连接器三自由度运动方程，结合随机波浪理论得到连接器的载荷;Kim D[2]等分别根据几种计算模型对八级海况下浮式海上基地连接器的载荷进行了对比分析，得到了有意义的结果;余澜[4]等分别从是否考虑模块间的水动力相互作用问题出发，对多模块大型浮体间连接器的载荷进行了数值模拟和试验研究，并对结果进行了对比。

本文基于刚性模块半柔性连接器假设，采用非线性时域分析法，对由多个浮箱模块拼接而成的浮体间的横向和纵向连接器，在四级海况下所受的载荷进行了数值仿真分析，并对纵向连接器刚度进行了敏感性分析，得到纵向连接器载荷的变化规律。

2     计算模型

多浮箱拼接浮体是由9个浮箱单元（编号P1～P9），通过横向连接器（编号T1～T24）、纵向连接器（编号L1～L12）连接成一个整体;相邻两浮箱之间横向布置4组横向连接器、纵向布置2组纵向连接器，共有横向连接器24个、纵向连接器12个，如图1所示。

横向连接器为刚性连接，两端承受三个自由度的力和弯矩;纵向连接器两端铰接，仅承受三个自由度的力而不承受弯矩，相当于半柔性连接。

坐标系XiOiYi为绑定在单个浮箱上的局部坐标系，可随浮箱的运动而运动;坐标系XOY为全局坐标系，不随任何物体运动;两个坐标系均符合右手法则，X轴指向系泊端浮箱为正，Y轴指向左舷为正，Z轴向上为正，坐标原点位于P5浮箱的中心且XOY平面位于水线面上。

浪向角定义如下：沿X轴正向为0°（或360°）浪向角，沿X轴负向为180°浪向角;以0°浪向角方向为起始方向，逆时针旋转到θ°，则为θ°浪向角，风向和流向角度的定义，与浪向角类似。

3    计算参数

多浮箱拼接浮体适用水深为30 m，通过单点系泊实现其自身的海上定位。其中：单个浮箱总长～20 m、型宽～6 m、型深～2 m、排水量80 t;拼接后的浮体总长～65 m、型宽～18 m、型深～2 m、排水量720 t。

波浪谱选取适用于有限风区波浪未充分发展的JONSWAP谱，其表达式为：

式中：a为广义菲利普常数;ω_P为谱峰频率;γ为谱峰值参数;σ为谱宽参数，ω ≤ ω_P时取σ = 0.07;ω > ω_P时取σ = 0.09。

本文选择四级海况开展数值模拟分析计算，取2.5 m波高，谱峰周期6.0 s，流速2.5 kn，风速12.0 m/s。

4    计算分析

多浮箱拼接浮体系统受力复杂，其所处的工作环境和受力状况与内河浮码头有着显著的差别：在有防护的港湾，港内波高小且为短波;在无防护的海域，多为长峰波（波周期长）。因此，在波浪力的作用下呈多自由度的综合运动，加之系泊、拴系、浮体相互作业等其他影响，不能用静力计算方法求解某个剖面或局部结构的受力和弯矩。

本文多浮箱拼接浮体采用刚性与柔性相结合的浮箱连接方式，高海况下连接器载荷计算涉及整个浮箱浮体的水动力响应，必须建立基于整个浮体的多浮体水动力模型，对各连接器弯矩载荷进行数值求解。本文通过建立多浮箱拼接浮体多浮体水动力模型，采用专用海洋工程和船舶水动力仿真分析软件，开展仿真分析。

4.1   模型建立

选用三维线性波浪载荷计算软件，计算各规则波中的多浮箱拼接浮体的运动响应和波浪载荷。计算模型如图1所示。

频域计算后对多浮箱拼接浮体开展四级海况下的数值计算，通过加载风浪流条件，获得各连接器的受力。时域分析模型如图2所示。

4.2   四级海况下连接器载荷特性分析

首先对四级海况下各个连接器的动态载荷进行分析：纵向连接器的刚度值为1.0x10⁶kN，横向连接器刚度值1.0x10⁷kN;假定风浪同向，而流向始终沿浮體纵向，选取7个流与风浪夹角（90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°）对连接器的载荷进行数值仿真计算。

横向连接器的最大受力，如图3所示。

由图3可知：（1）在四级海况下，流与风浪之间的夹角变化对横向连接器三个自由度的受力影响较大，流与风浪之间的夹角越大，横向连接器的受力越大。当流与风浪夹角为90°时，横向连接器的受力达到最大，发生在T13号连接器上;（2）当流与风浪有一定夹角时，受力较大的横向连接器为T1、T4、T5、T8、T9、T12、T13、T16、T17、T20、T21、T24，这些连接器均位于浮箱单元的两端，而位于浮箱单元内侧的横向连接器所受的力则较小。

由于横向连接器两端为固定连接，横向连接器不仅承受三个自由度力的作用，还承受三个自由度的弯矩的作用，各个横向连接器承受的最大弯矩载荷如图4所示。

由图4可知：四级海况下，流与风浪之间的夹角变化对横向连接器的弯矩载荷影响也较大，流与风浪之间的夹角越大，横向连接器的弯矩值越大。当流与风浪夹角为90°时，横向连接器弯矩值达到最大，作用在T20号连接器上。

四级海况下纵向连接器的受力，如图5所示：

由图5可知：（1）在四级海况下，流与风浪之间的夹角对纵向连接器载荷影响也较大，流与风浪之间的夹角越大，纵向连接器的载荷值也越大。当流与风浪夹角为90°时，纵向连接器载荷值达到最大，作用在L6号连接器上;（2）当流与风浪有一定夹角时，位于浮体内侧的纵向连接器L2～L5与L8～L11承受的最大载荷为压力载荷，位于浮体外侧的纵向连接器L1、L6、L7、L12承受的最大载荷为拉力载荷，当流与风浪同向时，纵向连接器的载荷规律不明显。

由图3、图4可知：在同一风浪角度下，纵向连接器所受的载荷比横向连接器大得多，在流与风浪夹角90°时，纵向连接器最大载荷值约为2 780 kN，而横向连接器载荷值约为890 kN，因此如何降低纵向连接器上的载荷是多浮箱拼接浮体整体设计的关键。

由图3～图5可知：随着流与风浪角度的增大，连接器所受的载荷增加幅度也越大。当流与风浪夹角小于45°时，T13号横向连接器所受的力的最大增幅为75 kN，T20号连接器弯矩的最大增幅为71 kN.m²，L6号纵向连接器所受的力的最大增幅为215 kN;当流与风浪夹角大于45°时，T13号横向连接器所受的力的最大增幅为397 kN，T20号连接器弯矩的最大增幅为167 kN.m²，L6号纵向连接器所受的力的最大增幅为1062 kN。因此，在实际应用过程中，尽量避免在流与风浪角度大于45°时使用。

4.3   纵向连接器载荷对刚度的敏感性分析

由上面分析可知：在同样的海况下，纵向连接器的载荷值比横向连接器大，且当流与风浪之间的夹角为90°时，连接器的载荷值达到最大。本节重点对在流与风浪夹角为90°的情况下纵向连接器载荷对刚度的敏感性进行分析，选取的纵向连接器刚度值分别为K1=1.0x10⁶kN、K2=2.0x10⁶kN、K3=3.0x10⁶kN、K4=4.0x10⁶kN、K5=5.0x10⁶kN、K6=6.0x10⁶kN、K7=7.0x10⁶kN、K8=8.0x10⁶kN。

纵向连接器载荷对刚度的敏感性分析结果，如图6所示：

由图6可知：刚度对纵向连接器的载荷影响也较大，纵向连接器载荷随刚度值的增大呈近似线性地增加，K8工况的纵向连接器最大载荷为7 700 kN，而K1工况的纵向连接器最大载荷为2 780 kN。由此可见，连接器刚度的选择是连接器设计的关键，较大的刚度将会产生较大的载荷，这将对浮箱结构的设计带来更大的挑战。

5     结论

通过本文的仿真分析，得到如下结论：

（1）在同一海况条件下，流与风浪之间的夹角变化对横向和纵向连接器的载荷影响都较大，流与风浪之间的夹角越大，连接器的载荷值也越大。当流与风浪夹角为90°时，连接器载荷值达到最大;

（2）在同一海况下，纵向连接器所受的载荷比横向连接器大得多，因此降低纵向连接器的载荷，是浮箱拼接式浮体整体设计的关键;

（3）随着流与风浪角度的增大，连接器所受载荷的增加幅度越来越大，当流与风浪夹角大于45°时，连接器所受的载荷增加幅度较大，因此在实际应用过程中，尽量避免在流与风浪角度大于45°时使用;

（4）刚度对纵向连接器的载荷影响较大，纵向连接器载荷随刚度值的增大呈近似线性地增加。

参考文献

[1]Wu C F， Mills T R J. Proceeding of the Second International Workshop on VeryLarge Floating Structure [C]. Hayama， Japan， 1996： 387-392.

[2]Kim D， Chen L Blaszkowshi. Z Ray J. Proceedings of the Third InternationalWorkshop on Very Large Floating Structure [C]. Honoluu， Hawaii， US A， 1999，105-133.

[3]余澜，李润培，舒志. 移动式海上基地连接器的动力特性[J]. 上海交通大学学报，2003，37（8）：1159-1163.