新型浮式平台波浪载荷分析与结构强度评估

于小伟， 周 骏， 罗瑞锋， 黄曌宇

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

21世纪以来，海洋资源的开发成为国家综合国力竞争的战略制高点，我国将进军海洋作为国家发展战略的重要内容之一。目前在全球海洋工程装备市场上，欧美垄断研发设计及关键设备制造，韩国和新加坡在高端海洋工程制造领域占据领先地位，我国在国家政策的不断推动下正逐渐由海洋工程装备制造大国向强国转变。

海洋是天然的资源宝库，具有丰富的矿物资源、海水化学资源、水产资源和海洋动力资源等。人类对海洋资源的开发需求不断深入，同时催生各种不同型式与功能的海洋结构物。目前海洋油气资源开发、生产与施工装备在海洋工程装备中仍占据主体地位，海上风电装备和海上渔业装备等新兴海洋工程装备的研制和应用得到蓬勃发展，海洋空间资源(海上基地和空港等)的开发与利用日益成为国际海洋工程界研究的热点。近年来，海洋工程装备呈现深水化、大型化/模块化、功能多样化、绿色化、智能化和水下应用日益广泛等趋势。

波浪载荷是海洋结构物结构强度设计的关键，各船级社均要求浮式平台采用直接计算方法评估波浪载荷与结构强度[1]。所进行的研究采用挪威船级社(DNV)基于三维水动力理论开发的商业软件SESAM中的WADAM模块，对平台水动力特性进行型式优化设计，并对波浪载荷进行长期/短期预报，最终通过基于波浪载荷预报的设计波进行有限元分析，校验平台的总体结构强度。

1 波浪载荷分析方法及特征载荷选取

1.1 波浪载荷分析方法

在针对海洋结构物设计进行波浪载荷分析时，通常将方法区分为特征波法和谱分析法，或称为确定性方法和随机性方法[2]。确定性方法是指在不规则波列中选用某一特征波作为单一规则波输入进行计算。规范规定，在采用百年一遇的最大规则波对浮式平台进行波浪载荷计算与结构强度评估时，可忽略流载荷和风载荷的贡献[1]。设计波参数可通过极限规则波波陡确定[3]。随机性方法由已知的海浪谱推求作用于结构物的波力谱，确定不同累积概率的波浪力。

根据时间长短，区分为短期预报和长期预报。短期预报是指统计时间为0.5 h至数小时，通常为3 h，其间结构物的装载与航速等状态和海况条件不变，短期平稳的不规则波可采用波浪谱描述，海浪与结构物的响应成线性关系；长期预报是指统计时间为1 a甚至更长，其间结构物的装载与航速等状态和海况条件均处于变化状态，不再是平稳随机过程。长期海况可描述为一系列相互独立的短期海况集合，给定某海域的波浪散布图，长期预报可获得结构物在给定超越概率水平下的长期响应极值。

确定设计波参数的具体步骤如下：

(1)通过水动力计算得到某一特征载荷不同浪向的响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)曲线，最大峰值对应的周期与浪向即为设计波的周期和浪向。

(2)将短期海况/长期波浪散布图作为输入谱进行短期/长期预报，得到特征载荷的预报极值。

(3)采用短期/长期预报的极值除以RAO峰值即得到设计波的波幅。

1.2 特征载荷选取

海洋平台在波浪中的载荷与平台的装载工况及波浪参数密切关联，特征载荷选取力求捕捉各载荷变量不同受力状态的最大值。特征载荷选取是确定设计波参数的前提条件。通过计算特征载荷RAO，确定相应的设计波(周期、相位、波幅和浪向)。目标浮式平台(简称“平台”)设计选取的特征载荷[3]为中横剖面垂向弯矩(SECL1035)、中纵剖面横向分离力(SECL2012)、中纵剖面纵向剪切力(SECL2011)、中纵剖面扭矩(SECL2015)、水线面上扭矩(SECL3016)和甲板中心单位质量纵/横向惯性力(FXP1、FYP1)。

2 应用实例与结果分析

2.1 新型平台参数

平台为全新结构型式的大型浮式平台[4]，特点为：作业环境(南海)复杂；结构尺寸较大；功能定位多样化，可用于试验基地、浮动码头和海上休闲旅游等。平台结构型式：上部为箱式甲板；下部采用多浮体(7浮体)加横向撑杆；中部支撑采用立柱与桁架组合式结构且立柱之间设置横向箱体连接。平台参数如表1所示。

表1 平台参数

平台波浪载荷设计的极端海况为百年一遇。设计海况条件如表2所示。

表2 设计海况条件

2.2 计算结果与分析

平台计算拟定海域为南海。通过计算平台运动特征载荷RAO，对结构型式进行优化；针对各工况分别进行波浪载荷的短期预报和长期预报(仅以自存工况结果为例)；基于短期/长期响应极值确定的设计波校核总体结构强度[5]。计算的结构/质量模型[6]如图1所示，水动力模型如图2所示。

图1 结构/质量模型

图2 水动力模型

2.2.1 结构型式优化

对平台六自由度运动特征载荷RAO进行预报。平台原方案下部采用5浮体、总长为120 m，其纵摇及垂荡RAO曲线如图3所示。由图3可知：RAO曲线具有明显的双峰，结构本身对高频波浪比较敏感，影响人体舒适度。

图3 平台原方案的纵摇及垂荡RAO曲线

对原方案进行优化，平台的纵摇及垂荡RAO曲线如图4所示。由图4可知：双峰现象消除，且部分运动(如纵摇等)RAO峰值出现一定的降低。

图4 优化后平台的纵摇及垂荡RAO曲线

2.2.2 设计波参数确定

针对各种不同周期和浪向的波浪，展开特征载荷RAO计算及设计波参数搜索[7]，确定设计波的频率、浪向和相位。通过波浪载荷的短期/长期预报，最终确定设计波的波幅。以自存工况为例，基于短期/长期预报的设计波参数如表3所示。

表3 基于短期/长期预报的设计波参数(自存工况)

2.2.3 平台总体结构强度评估

在结构建模中，外板、舱壁及甲板等采用壳单元，扶强材和桁材等采用梁单元。活动载荷及设备等通过质量单元及调整相应位置的结构材料密度施加在模型中。在水动力模型中，浮体间横向撑杆以莫里森单元处理，浮体外壳水线下部分作为湿表面。

在确定设计波参数后，将其输入SESAM中的WADAM模块，通过水动力载荷传递至结构模型进行有限元分析，最终对计算结果进行组合分析[8]。以自存工况为例，平台中/下部结构应力云图如图5所示。

图5 平台中/下部结构应力云图

强度准则采用美国船级社(ABS)规范，即静水/组合工况屈服应力取材料屈服极限的0.6/0.8倍，等效应力取材料屈服极限355 MPa的0.7/0.9倍。平台采用高强钢(屈服极限为355 MPa)，等效应力对应静水及波浪组合工况条件下的许用应力为248/320 MPa。

平台总体强度计算的应力结果表明该平台结构设计合理，基本满足总体强度要求。大多数特征载荷极值发生于横浪(90°浪向)作用。高应力分布区域发生于浮体与横向撑杆的连接处、立柱与立柱间的横向连接结构及立柱、垂向撑杆与上部甲板的连接处，需要适当降低应力水平及细化有限元分析、疲劳寿命分析和结构冗余度分析。

3 结 论

(1)优化的平台运动特征载荷RAO曲线不再具有双峰现象，降低平台结构在高频波浪作用下的应力水平，提高人体舒适度。

(2)在南海最大波高对应的搜索周期12.68～16.50 s内，平台运动特征载荷RAO不存在峰值，有效避开作业海区的极端海况。

(3)计算基于势流理论，未考虑流体的黏性效应及系泊系统的影响，平台垂荡运动的实际值比理论预报的结果更小，需要在通过模型试验确定临界阻尼后进行修正。

(4)确定平台波浪载荷评估方法与平台主体结构总体强度应力水平，结构强度满足要求。对于高应力分布区域，需要进行结构加强及细化结构分析。