海洋平台系泊数值分析基本理论及计算方法
通常认为，船舶码头系泊的主要因素可以看作以下几个部分：码头、护舷、系泊缆、系泊结构物（船舶或者平台）、环境载荷。以上几个因素相互影响，相互作用，最终决定系泊的结果。当前系泊状态主要受到风、浪、流三种载荷，按照静力计算方式或者采用经验公式可以对风、流载荷进行估算和确定，但是波浪力比较特殊，是其中唯一的动载荷，码头系泊的动态船舶运动特性可以看作波浪与结构物的相互作用。波浪力在早期的研究中往往简化为平均波浪力或者等效波浪力，在考虑风载荷和流载荷的叠加后，大多采用静态、准静态方法进行实际的缆绳受力、护舷受力计算，并没有考虑到波浪的动态属性。 系泊缆绳的张力计算需要遵循一定的计算准则，在上个世纪80年代左右，chemjawski、Michaell就已经提出了一种解析方法来求解计算船舶系泊缆张力。求解的方法有以下几个重要步骤：1）通过计算确定设定的方向船舶承受的风、流和等效静波浪力；2）计算求得由船舶横摇、纵摇、垂荡运动引发的垂直方向静回复力；3）用系泊揽本身属性如长度、横截面积、方向角度、弹性模量（非线性）等属性作为基础计算求出系泊缆绳的刚度矩阵；4）最后一步，求出整个系泊系统的总的刚度矩阵，采取提高载荷大小的方式进行迭代计算从而求得每个缆绳的张力值。 2 三维势流理论 在早期的码头系泊计算时往往采用静力或者准静力的计算方法，后来理论发展，计算方式大多采用频域或者时域分析方法。静力或准静力分析方法仅适用与水域状况较好、系泊船舶等运动不大的情况，由此得出系泊缆绳、护舷受力和系泊物体的运动。时域方法结合三维势流理论、脉冲响应原理、缆绳护舷的非线性很好的解决了各种情况下系泊物体的码头系泊问题。 为了适应实际工程问题，三维势流理论针对流体的性质进行了相应的简化，假设流体为无粘性、无旋、均匀的且不可压缩的理想流体。之所以这样简化是因为： l）波浪的波幅和系泊浮体相比量级很小，绕射作用明显大于粘性影响，所以忽略粘性； 2）对于理想流体而言，初始运动无旋，之后任意时刻运动均无旋，无旋假定合理； 3）流体本身的密度几乎不发生变化，水密度假设为均匀和不可压缩也是合理的。波浪以及结构物的运动状态在液体自由表面附近都可以看作是微幅运动。根据连续性方程和NS方程推导求解流体运动方程，可将其简化为拉普拉斯积分的形式。 3 环境载荷计算 环境载荷主要包括风载荷、流载荷和波浪载荷。 3.1 风载荷 实际上，最有效的风载荷计算方法为风洞试验，Freathy和Vickery对半潜平台进行风洞试验，研究平台倾角、风向、上建布置等参数对风载荷的影响，最终结果对比规范，得出平台在不发生倾斜时的风洞试验结果和规范最为接近，一旦倾斜，结果相差很大。工程上常采用模块法计算海上结构物风载荷，这也是ABS和DNV建议的方法。这种方法主要要采用将整个结构物分解成不同的模块，通过计算每个模块（标准化的）的风载荷的手段，最后叠加得到总的风载荷。所以其部分计算结果很大程度上影响总体的准确性。在海面高度z的风速为： （1） 式中：zr参考高度；v（zr）参考高度风速；p指数。 3.2 流载荷 对于平台水下部分进行流载荷分析，求出流载荷系数需要利用不可压缩流体的连续性方程和N—S方程。应用有限体积法对控制方程进行离散，使得自升式平台水下受到流作用力能通过数值方式进行求解。 3.3 波浪载荷 海洋浮式结构物受到的波浪载荷包括：一阶波浪力（随波频变化）、二阶平均波浪力和速变（和频）及缓变（差频）波浪漂移力、高阶脉冲力。 一阶波浪本文由论文联盟收集整理力值与波幅成正比。二阶波浪力在包含两个频率wi和wj时，和频力是包含wi+wj的项，差频力则是带有wi—wj的项，此外二阶力还包括一个平均成分。相对于一阶力，二阶力的量级小很多。和频力主要在TLP平台垂荡、纵摇、横摇运动的共振时候考虑；差频力的作用主要体现在海洋结构物系泊状态下纵荡、横荡、首摇的运动响应上。 4 结束语 本文对于海洋平台系泊数值分析所需的基本理论和一些重要参数的计算方法进行阐述，为数值分析奠定了基础。