基于SESAM软件的自升式平台波浪载荷计算分析

周长江， 赵晓东， 江齐锋

(1.上海研途船舶海事技术有限公司，上海 200444；2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715)

0 引 言

海洋平台承受由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的环境载荷。波浪载荷是在平台强度分析、结构设计和安全评估中非常重要的载荷之一，正确计算波浪载荷对平台结构安全具有重要意义[1]。平台作业水深不同，平台结构承受的波浪载荷相应有所不同，应选用不同的波浪理论进行计算。在工程实际应用中，用于不同水深的波浪理论包括微幅波理论、斯托克斯波理论、线形波理论和流函数波浪理论等。在海洋工程中，对于小结构物，一般以构件截面特征尺度D/波长L<0.2作为小尺度孤立桩柱，波浪的拖曳力和惯性力为主要分量，波浪载荷采用莫里森(Morison)方程计算；对于大结构物，波浪的惯性力和绕射力为主要分量，波浪载荷采用线性绕射理论计算[1]。

对于自升式平台，在站桩状态时，仅由桩腿承受波浪载荷作用，而桩腿尺寸远小于波长，波浪载荷采用莫里森方程计算[2]；在拖航状态时，桩腿升起，主要由主船体承受波浪载荷作用，波浪载荷采用线性绕射理论计算。

1 站桩状态的波浪载荷计算

自升式平台在站桩状态时，波浪和海流载荷可通过SESAM软件的WAJAC模块采用莫里森方程计算。

1.1 环境参数选取

环境参数包括风速、波高、波浪周期、海流流速和作业水深等。通常，自升式平台直接强度计算需要考虑的工况包括自存工况、作业工况和预压载工况，不同的作业工况对应的环境参数有所不同，需要分别计算。不同工况的环境参数如表1所示，其中：SWL(Safety Work Load)为安全工作载荷。

表1 不同工况的环境参数

对于对称的矩形自升式平台，环境载荷至少考虑8个方向，如图1所示。对于非对称自升式平台，环境载荷可能需要增加方向。相位角考虑0°～360.000°，步长一般取20.000°。相位角步长选取需要根据实际结构情况，步长大小与准确确定相位角大小相关，小的步长意味计算量可能增加，需要综合考虑。

图1 环境载荷方向示例

1.2 波浪理论选取

若无特别考虑则按照对应的船级社规定或相关标准选取适用的波浪理论。以中国船级社(CCS)《海上移动平台入级规范》为例，波浪理论选取如图2所示，其中：H/(gT2)为无因次波陡；h为平均水深，m；h/(gT2)为无因次相对水深；T为波浪周期，s；H为波高，m；g为重力加速度，m/s2；Hb为破碎波高，m；L为波长，m。某自升式平台波浪载荷计算选取斯托克斯5阶波，波浪理论参数选取如表2所示。

图2 波浪理论选取

表2 波浪理论参数选取

1.3 水动力系数选取

莫里森方程是由阻力项加惯性力项给出的经验关系：

ΔF=ΔF阻力+ΔF惯性=

(1)

阻力系数和惯性力系数是正确计算波浪载荷的关键，若无更好的波浪和流的计算信息，则其数据应从相关规范或标准中得到。推荐的管(直径小于1.5 m)的基本水动力系数如表3所示。通常，平均水面+2.0 m以上按照光滑考虑，平均水面+2.0 m以下按照粗糙考虑。若适用则应考虑海生物的影响。对于海生物，最好使用现场详细数据，若无法获得则取海生物厚度12.5 mm。

表3 管的基本水动力系数

2 航行状态的波浪载荷计算

船舶波浪载荷预报一般包括2个步骤：船舶在规则波中的响应计算和船舶在不规则波中的响应统计预报。在工程上常用的分析方法为等效设计波法(动态载荷法)。在船舶与海洋工程结构强度评估中，各载荷分量之间的组合为比较复杂的问题。等效设计波法是将实际的不规则波问题化为等效的规则波，假定组合载荷的最大值出现于可变载荷中达到使用期中的最大值，而其他可变载荷采用相应的瞬时值。对结构强度起决定作用的波浪载荷分量一般包括船舶运动及加速度，波浪弯矩、扭矩和剪力，舷外水压力等。

确定等效设计波参数的主要步骤如下：

(1)选定目标载荷进行水动力分析，计算在不同浪向和频率下目标载荷的响应函数。

(2)确定主导载荷及其概率水平进行谱分析，求解主导载荷在该概率水平下的长期分布值；可具有多个主导载荷，以散货船为例：等效设计波的主导载荷包括在迎浪时船中处最大最小垂向波浪弯矩、首部最大最小垂向加速度等多个主导载荷。

(3)根据长期统计值和响应函数确定等效设计波的浪向、频率和相位，计算设计波波高。

(4)根据等效设计波的浪向、频率、相位和波高，计算该等效设计波的相关载荷分量。

基于SESAM软件的波浪载荷分析流程如图3所示：通过GeniE模块建立湿表面模型和质量模型；通过HydroD模块设置波浪周期等分析参数；通过WADAM水动力计算程序进行波浪计算；选择合适的波浪谱，通过Postresp模块进行短期预报和长期预报，得到设计波浪周期等参数；将所预报的设计波通过WADAM水动力计算程序进行波浪计算，得到载荷传递文件。

图3 水动力分析流程示例

2.1 湿表面模型建立

湿表面模型如图4所示。

图4 湿表面模型

湿表面模型是计算波浪载荷的基础，其建立遵循如下原则：

(1)模型范围

通常只创建一半模型，创建左舷船体湿表面模型，再通过软件对称创建整船湿表面模型。

(2)网格尺寸

湿表面模型的网格大小一般由波长决定，小于所有分析波中最小波长的1/8。假设分析中的波浪周期为4.00～35.00 s，波浪周长公式为

λ=gT2/2π

(2)

式中：λ为波长，m；g为重力加速度，m/s2；T为波浪周期，s。

所有分析波中的最小波长约25.0 m，可取3.0 m作为湿表面模型的网格尺寸。需要注意的是：在线型变化显著的位置，网格应适当加密；网格尺寸不必与结构模型网格尺寸一致。

2.2 质量模型建立

质量模型是正确计算波浪载荷的基础，质量模型与实船的质量重心差别越小，波浪载荷计算的精度越高。通常，质量模型建立方式分为2种：

(1)简化方式。以质量点和零质量棒的形式将船体质量建立在船体重心所在水平面上，2个质量点的间距为横摇惯性半径的2倍，质量棒的数量一般按站位分为20站，质量点的质量按照装载手册中的实船质量根据静力等效原则沿船长方向分布。

(2)结构模型作为质量模型。由于建模不可能完全模拟实船结构，模型质量重心与实船存在偏差，因此需要将结构模型拆分，一般分为8个部分，再调整各部分单元密度，将模型质量重心调整至与实船空船质量重心一致。装载质量以质量点的形式分布至相应结构上，保证模型质量重心与实船质量重心基本一致。结构模型作为质量模型如图5所示。需要注意的是：在计算波浪载荷时，SESAM软件对模型大小存在限制，若模型过大则可能导致模型无法导入，需要采用简化方式创建质量模型。

图5 结构模型作为质量模型示例

2.3 参数设置

(1)浪向。步长为30.000°或更小，至少12个浪向。

(2)波浪周期。水动力载荷分析应考虑足够范围的波浪周期(频率)，以便准确反映结构响应。波浪周期选择的一般要求为：应选择波浪周期范围，以确保适用散点图波浪周期范围内所有相关响应传递函数(运动、截面载荷、压力和漂移力)可正确表示，通常采用5.00～40.00 s的波浪周期；应选择适当的波浪周期密度，以确保所有相关的响应传递函数(运动、截面载荷、压力和漂移力)及峰值均可较很好地表示，通常采用25～30个波浪周期平滑描述传递函数。

2.4 波浪载荷预报

目前常用的波浪谱主要为JONSWAP谱和PM谱。PM谱主要用于描述充分发展的波浪，因此适合远洋航行船舶的波浪载荷预报；JONSWAP谱用于描述发展中的波浪，因此适合近海或遮蔽海域航行船舶的波浪载荷预报。基于船中最大弯矩的响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)如图6所示。由RAO得出的等效设计波参数如表4所示。根据等效设计波参数计算波浪载荷在结构模型上的分布，如图7所示。

图6 基于船中最大弯矩的RAO

表4 等效设计波参数

图7 波浪载荷在结构模型上的分布

3 结 论

(1)在采用莫里森方程计算波浪载荷时，应特别注意水动力系数的选用是否合理。桁架式桩腿结构的水动力系数在不同方向上均不相同，需要分别考虑。

(2)对于海生物，若使用防海生物装置或采用清除和其他措施，则其影响可不考虑，但表面粗糙度需要加以考虑。

(3)SESAM软件内置北大西洋和无限航区两种海况，对于近海海域或其他不同海域，应使用相应的海况数据。

(4)采用等效设计波法计算波浪载荷需要特别注意重力浮力平衡，应尽可能保证重力浮力基本一致，通常重力浮力差小于重力的1%是水动力计算是否正确的前提。