李青美, 吳林鍵, 王元戰(zhàn), 肖 忠, 李 怡

?

高等級(jí)海況條件下移動(dòng)式海上基地動(dòng)力響應(yīng)分析

李青美1, 吳林鍵1, 王元戰(zhàn)1, 肖 忠1, 李 怡2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300072; 2. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074)

針對(duì)半潛式超大型浮式結(jié)構(gòu)中典型的移動(dòng)式海上基地(Mobile Offshore Base, MOB)在高等級(jí)海況下的動(dòng)力響應(yīng)問題展開研究。在MOB結(jié)構(gòu)“剛性模塊-柔性連接構(gòu)件(Rigid Modules and Flexible Connectors, RMFC)”模型的前提下, 根據(jù)動(dòng)力學(xué)基本原理, 經(jīng)理論推導(dǎo)并計(jì)算得到MOB分別在6、7、8級(jí)海況的隨機(jī)波激勵(lì)下, 其上各模塊的動(dòng)力響應(yīng)位移結(jié)果。詳細(xì)分析了MOB結(jié)構(gòu)同一模塊在不同海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)位移隨浪向角及連接構(gòu)件剛度的變化規(guī)律。研究成果可為半潛式超大型浮式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐。

高等級(jí)海況; 移動(dòng)式海上基地; 動(dòng)力響應(yīng)

移動(dòng)式海上基地(Mobile Offshore Base, MOB)[1]是半潛式超大型浮式結(jié)構(gòu)中的典型代表, 其幾何尺度可按公里計(jì)。MOB是一種通過特殊設(shè)計(jì)的連接構(gòu)件將多個(gè)具備自航模式的模塊相連接, 并由錨泊定位系統(tǒng)固定的多用途海上浮式基地, 其不僅可作為軍用飛機(jī)的臨時(shí)避風(fēng)港灣, 也可作為戰(zhàn)備物資及貨物的儲(chǔ)存中轉(zhuǎn)站[2]。圖1為MOB結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)圖, 圖示中單個(gè)模塊是由1個(gè)上體、8個(gè)立柱及2個(gè)浮箱構(gòu)成。由于MOB結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能較好, 更加能夠適應(yīng)深遠(yuǎn)海域中復(fù)雜且惡劣的海洋環(huán)境, 因此, 大量的國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開展了一系列的研究工作。其中, MOB在深遠(yuǎn)海域受不同環(huán)境荷載激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)問題更是成為了許多學(xué)者研究的重點(diǎn)。

當(dāng)前, 對(duì)于超大型浮式結(jié)構(gòu)(Very Large Floating Structure, VLFS)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算理論可大致歸為3類: 勢流理論(適用于剛性模塊)、水彈性理論(適用于柔性模塊)及其他方法(浮體及多浮體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)理論、有限元方法等)。當(dāng)考慮VLFS模塊為剛性時(shí),可基于勢流理論分析VLFS的動(dòng)力響應(yīng)。Riggs等[3]基于三維勢流理論, 運(yùn)用HYD-R-AN程序作為波浪激勵(lì)響應(yīng), 在頻域內(nèi)計(jì)算得到MOB各模塊的動(dòng)力響應(yīng)位移。張波[4]基于勢流理論對(duì)MOB進(jìn)行三維水動(dòng)力分析, 利用商業(yè)軟件Sesam分別計(jì)算得到3、5、7個(gè)模塊的MOB模型在8個(gè)浪向角和46個(gè)波浪頻率下的水動(dòng)力系數(shù)和波浪載荷, 并在頻域內(nèi)計(jì)算了MOB各模塊在規(guī)則波和不規(guī)則波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。汪伍洋[5]針對(duì)多體超大型浮式結(jié)構(gòu)物, 利用勢流理論對(duì)其水動(dòng)力進(jìn)行了分析計(jì)算。運(yùn)用HydroD計(jì)算得到了MOB在隨機(jī)波作用下的波浪力和水動(dòng)力系數(shù), 并在頻域內(nèi)求解得到了各模塊在不同浪向角下的運(yùn)動(dòng)位移。謝楠等[6]基于三維線性勢流理論, 分析了兩個(gè)距離較近浮式結(jié)構(gòu)相互作用的水動(dòng)力響應(yīng), 最終的數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠較好地與試驗(yàn)結(jié)論相吻合。

當(dāng)考慮VLFS模塊為柔性時(shí), 其模塊在海洋環(huán)境荷載的作用下發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)的同時(shí), 其自身也將發(fā)生柔性變形。由于VLFS幾何尺度巨大, 其自身的柔性變形必將會(huì)對(duì)周圍流場產(chǎn)生影響, 當(dāng)流場發(fā)生變化時(shí), 作用于VLFS上的激勵(lì)力也將隨之發(fā)生變化, 因此在對(duì)VLFS動(dòng)力響應(yīng)分析中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的水彈性效應(yīng)[7]。Che等[8], Ertekin等[9], 以及Riggs等[10]是最早將二維水彈性切片理論用于VLFS動(dòng)力響應(yīng)分析當(dāng)中, 將VLFS中各模塊視為彈性梁, 計(jì)算VLFS的運(yùn)動(dòng)位移及變形。Alex等[11]分別研究了VLFS在淺水、有限水深和深水中的水彈性響應(yīng), 并提出了淺水中VLFS水彈性響應(yīng)的近似簡化算法, 從結(jié)果上看, 能與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。吳有生[12]首次將三維勢流理論運(yùn)用到三維水彈性問題分析當(dāng)中, 其研究表明: 特別是針對(duì)任意幾何形狀的VLFS, 三維水彈性理論的計(jì)算精度要比二維水彈性切片理論更高。付世曉等[13]將三維水彈性理論與有限元法相結(jié)合, 以鉸接型式連接構(gòu)件的VLFS為例, 計(jì)算得到了較為理想的結(jié)果。我國上海交通大學(xué)王志軍、李潤培、舒志、劉應(yīng)中等[14-18]對(duì)箱式VLFS的水彈性理論及其動(dòng)力響應(yīng)分析進(jìn)行了大量的研究工作, 包括理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等, 并取得了大量的研究成果。

同時(shí), VLFS的結(jié)構(gòu)形式普遍為多浮體系統(tǒng), 因此, 也可采用浮體及多浮體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)理論來求解VLFS結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。劉超[19]基于多浮體運(yùn)動(dòng)理論,得出了浮體的頻域運(yùn)動(dòng)方程, 以3個(gè)不同的計(jì)算模型為例, 通過Sesam/Wadam軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力, 分析了其上連接構(gòu)件的剛度、不同海況及浪向角、模塊數(shù)量對(duì)VLFS運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。Chakrabarti[20]將直接矩陣法和多重散射法構(gòu)成的混合分析方法拓展到對(duì)浮體及多浮體系統(tǒng)在波浪中的動(dòng)力響應(yīng)分析中, 并充分考慮了多浮體系統(tǒng)對(duì)波浪的輻射和繞射效應(yīng), 并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相互印證。沈慶等[21]采用多剛體力學(xué)的Huston方法對(duì)鉸接連接的多浮體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。陳徐均等[22]針對(duì)多浮體系統(tǒng), 采用頻域、時(shí)域的綜合法, 探討其在波浪激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng), 其計(jì)算結(jié)果能夠與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。

上述文獻(xiàn)中所提及的理論研究方法, 其計(jì)算結(jié)果的精度較高且具有較強(qiáng)的普遍適用性, 但其中也存在較大的弊端: 即不論是勢流理論、水彈性理論或其他分析方法, 其基本理論原理相對(duì)較為復(fù)雜, 且求解過程中耗時(shí)較長, 在VLFS初始設(shè)計(jì)階段的方案比選過程中, 沒必要要求其計(jì)算結(jié)果的精度達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)時(shí)的誤差范圍。故本文針對(duì)MOB結(jié)構(gòu)的典型概念設(shè)計(jì), 在“剛性模塊-柔性連接構(gòu)件(Rigid Modules and Flexible Connectors, RMFC)”計(jì)算模型為假設(shè)前提的基礎(chǔ)上, 研究其各模塊在高等級(jí)海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)。應(yīng)值得注意的是, MOB結(jié)構(gòu)在深遠(yuǎn)海域內(nèi)必將受到多因素環(huán)境荷載的激勵(lì), 例如: 風(fēng)荷載、海流力以及波浪力等, 而本文暫且僅考慮隨機(jī)不規(guī)則波浪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì), 其余荷載因素暫時(shí)忽略。同時(shí), 文中結(jié)合MOB結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn), 避開了相對(duì)復(fù)雜的線性勢流理論, 考慮當(dāng)MOB結(jié)構(gòu)相鄰兩模塊之間連接構(gòu)件的剛度發(fā)生變化時(shí), 分析MOB各模塊在高等級(jí)海況(6、7、8級(jí))條件下的動(dòng)力響應(yīng), 并探討MOB結(jié)構(gòu)同一模塊在不同海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)位移變化規(guī)律。最終, 大量計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析可為MOB結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 MOB動(dòng)力響應(yīng)分析研究思路

根據(jù)浮式結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論, 將MOB的多模塊結(jié)構(gòu)看作多自由度體系, 可將結(jié)構(gòu)整體按如圖2所示概化。

圖示中M1、M2、M3分別表示MOB結(jié)構(gòu)中的第1、2、3個(gè)模塊, C1、C2、C3、C4分別表示其上各連接構(gòu)件。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)D’Alembert原理, MOB結(jié)構(gòu)多自由度體系的整體動(dòng)力學(xué)平衡方程可寫為:

式中:為結(jié)構(gòu)的廣義質(zhì)量矩陣,=s+f,s為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣,f為結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量矩陣;為結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移的二階導(dǎo)數(shù);f為阻尼系數(shù)矩陣,為結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移的一階導(dǎo)數(shù);為剛度矩陣,=s+f, 其中,s為整體剛度矩陣,f為靜恢復(fù)力系數(shù)矩陣;表示結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位移,為海洋環(huán)境激勵(lì)力矩陣, 本文中即為隨機(jī)不規(guī)則波浪荷載。同時(shí), 由于不規(guī)則波浪荷載應(yīng)是隨時(shí)間在發(fā)生變化, 故公式(1)中的各系數(shù)矩陣也應(yīng)為時(shí)變項(xiàng), 則公式(1)可寫為:

(2)

由于MOB尺度巨大, 對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體研究相對(duì)較復(fù)雜, 故采取隔離法來對(duì)其各單模塊進(jìn)行分析, 則MOB結(jié)構(gòu)單模塊的動(dòng)力學(xué)方程為:

在公式(3)中, 由于針對(duì)MOB單模塊進(jìn)行隔離分析, 故整體剛度矩陣s已不復(fù)存在; 同時(shí), 柔性連接構(gòu)件的約束荷載c()由內(nèi)力變?yōu)榱送饬? 故將其寫在等式右端, 該項(xiàng)也為時(shí)變項(xiàng)。綜上所述, 在任意時(shí)刻, MOB單模塊在隨機(jī)波浪力激勵(lì)下將對(duì)應(yīng)縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖這6個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng), 因此, 可根據(jù)公式(3)建立MOB單模塊在6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度方向上的動(dòng)力學(xué)方程組, 聯(lián)立求解得到MOB結(jié)構(gòu)各模塊在不同高等級(jí)海況、不同浪向角、不同連接構(gòu)件剛度下的動(dòng)力響應(yīng)位移和轉(zhuǎn)角, 并分析其結(jié)果隨以上各因素的變化規(guī)律。公式(3)中各水動(dòng)力系數(shù)的簡易計(jì)算公式可根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)得出, MOB結(jié)構(gòu)的波浪力可基于浮體Morison公式來計(jì)算得到。MOB的整體坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系′′′及波浪坐標(biāo)系可如圖2所示, 波浪浪向角為, 其值在0°~90°范圍變化。MOB動(dòng)力響應(yīng)分析的具體過程及理論算法的正確性、有效性及可行性驗(yàn)證請(qǐng)?jiān)斠娢墨I(xiàn)[23]中筆者的研究成果。

2 高等級(jí)海況及其波浪統(tǒng)計(jì)參數(shù)

根據(jù)在海面開闊視野范圍內(nèi)的海面狀況、波浪的變化形狀及其破裂程度等因素, 可將海況等級(jí)分為10級(jí), 當(dāng)海況等級(jí)在5級(jí)以上(含5級(jí))時(shí)為高等級(jí)海況(High Sea State)[24]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料[25~27], 得到了位于北太平洋開敞海面各不同等級(jí)海況下的波浪統(tǒng)計(jì)參數(shù), 如表1所示。本文以典型MOB概念設(shè)計(jì)作為工程實(shí)例, 分別研究該結(jié)構(gòu)各模塊在6、7、8級(jí)海況條件下(后簡稱SS6、SS7、SS8)的動(dòng)力響應(yīng)變化情況。

表1 北太平洋開場海面各級(jí)海況條件參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 工程實(shí)例

3.1 MOB原型概念設(shè)計(jì)

MOB原型概念設(shè)計(jì)的幾何尺度可參考Yu[25]、丁偉[26]、呂海寧[27]等的科研成果, 工程實(shí)例的具體尺寸參數(shù)如圖3所示。MOB相鄰兩模塊之間共存在2個(gè)連接構(gòu)件, 并將其連接構(gòu)件概化為三個(gè)方向上的彈簧模型, 具體過程可詳見筆者的前期研究成果[23]。

3.2 計(jì)算條件

由于MOB結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件的剛度是影響其動(dòng)力響應(yīng)及其自身約束荷載的關(guān)鍵因素[28], 因此, 在本文的計(jì)算探討過程中, 也將連接構(gòu)件的剛度作為一個(gè)重要的變量。根據(jù)文獻(xiàn)資料[25-27], 選取6個(gè)連接構(gòu)件的剛度大小作為計(jì)算依據(jù)。同時(shí), 在不同海況條件下, 浪向角的不同也將會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。綜上所述, 本文以3個(gè)海況等級(jí)、6個(gè)浪向角、6種連接構(gòu)件剛度共108種組合作為計(jì)算條件, 并且令連接構(gòu)件的剛度在縱、橫、垂向(方向)的大小保持一致, 如表2所示。

注:1~6代表連接構(gòu)件剛度, 分別為106~1011N/m;K、K、K表示構(gòu)件在、、方向的剛度

4 高等級(jí)海況下MOB動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

根據(jù)表2中的計(jì)算條件, 結(jié)合MOB結(jié)構(gòu)時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)理論研究成果及數(shù)值計(jì)算程序[23], 可計(jì)算得到工程實(shí)例MOB中3個(gè)模塊在不同海況等級(jí)、不同浪向角、不同連接構(gòu)件剛度條件下, 其6個(gè)自由度方向上的動(dòng)力響應(yīng)位移, 取計(jì)算時(shí)長=3 600 s, 并統(tǒng)計(jì)得到不同情況下的最大值(最不利結(jié)果)進(jìn)行分析。由于本文篇幅有限, 故僅以M1的結(jié)果為代表進(jìn)行論述, M2、M3的計(jì)算結(jié)果詳見文獻(xiàn)[23], 如圖4~圖6所示, 為不同海況條件下, M1的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果隨浪向角的變化圖示。

4.1 六、七、八級(jí)海況下M1的計(jì)算結(jié)果

從圖4~圖6中可以看出: (1)M1在SS6~SS8條件下, 其6個(gè)自由度方向上的最大動(dòng)力響應(yīng)位移及轉(zhuǎn)角隨浪向角的變化趨勢能夠保持一致。M1在縱蕩和縱搖方向上的最大位移及轉(zhuǎn)角隨浪向角的增加呈現(xiàn)出遞減的變化, 而橫蕩、垂蕩的變化趨勢與前兩者恰好相反; 同時(shí), 在橫搖、艏搖方向的轉(zhuǎn)角隨浪向角的變化則呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律; (2)從數(shù)值上看, 縱蕩、縱搖方向上的最大值出現(xiàn)在浪向角=0°時(shí), 而橫蕩、垂蕩方向上的最大值則出現(xiàn)在=90°時(shí), 橫搖、艏搖的最大值則出現(xiàn)在當(dāng)=75°~85°之間; (3)從圖中橫搖、縱搖及艏搖的變化圖示中可以看出來, 當(dāng)連接構(gòu)件的剛度為6時(shí), MOB單模塊在3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向上的轉(zhuǎn)角與其余剛度時(shí)的計(jì)算結(jié)果存在差異, 但其差別均在0.001~0.01 rad(0.057 3°~0.573°)范圍內(nèi), 相比于MOB結(jié)構(gòu)以公里計(jì)的幾何尺寸而言, 這種差別可忽略不計(jì); (4)從圖示中橫蕩、垂蕩兩個(gè)方向上的位移計(jì)算結(jié)果上看, 當(dāng)浪向角=90°時(shí), 其動(dòng)力響應(yīng)位移的大小與連接構(gòu)件的剛度無關(guān)。其主要原因在于: 當(dāng)=90°時(shí), 在方向上MOB各個(gè)模塊所受波浪激勵(lì)力均一樣, 在求解方向動(dòng)力學(xué)平衡方程組時(shí), 相鄰兩個(gè)模塊的達(dá)朗貝爾動(dòng)力學(xué)平衡方程中各個(gè)系數(shù)完全一致, 因此, 求解所得到的運(yùn)動(dòng)位移與連接構(gòu)件的剛度無關(guān), 詳細(xì)理論推導(dǎo)及數(shù)值計(jì)算過程詳見文獻(xiàn)[23]。

4.2 不同海況條件下MOB同一模塊動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比

為了比較在不同海況條件下, MOB模塊的動(dòng)力響應(yīng)位移、轉(zhuǎn)角隨連接構(gòu)件剛度和浪向角的變化情況, 建立三維坐標(biāo)系, 以橫坐標(biāo)為剛度, 縱坐標(biāo)為浪向角, 豎坐標(biāo)為動(dòng)力響應(yīng)位移(或轉(zhuǎn)角), 繪制得到了工程實(shí)例中MOB各模塊在SS6、SS7、SS8條件下, 6個(gè)自由度方向上的最大動(dòng)力響應(yīng)位移、轉(zhuǎn)角對(duì)比。同理, 以M1為代表, M2、M3的計(jì)算結(jié)果詳見文獻(xiàn)[23], 如圖7所示。

從圖7可以看出: (1)不同海況條件下, M1在6個(gè)自由度方向上的最大動(dòng)力響應(yīng)位移(或轉(zhuǎn)角)隨浪向角的變化趨勢能夠保持一致, 其數(shù)值上均呈現(xiàn)出SS8>SS7>SS6的特征規(guī)律, 即海況等級(jí)越高, MOB各單模塊的運(yùn)動(dòng)幅度就越大, 這與實(shí)際情況能夠相吻合; (2)但相對(duì)而言, 在SS6和SS7條件下, M1在6個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)位移及轉(zhuǎn)角在數(shù)值上較為接近, 尤其是當(dāng)連接構(gòu)件剛度較大時(shí), M1在縱蕩方向上運(yùn)動(dòng)位移的變化符合上述規(guī)律。同時(shí), 在橫蕩、垂蕩方向上位移的變化情況亦是如此, 以及當(dāng)浪向角較大時(shí), 橫搖及縱搖方向的轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果在SS6及SS7條件下非常一致; (3)在SS8條件下M1的動(dòng)力響應(yīng)位移及轉(zhuǎn)角比在SS6和SS7條件下計(jì)算得到的結(jié)果更大, 尤其是在橫蕩和垂蕩兩個(gè)方向上, 運(yùn)動(dòng)位移相對(duì)較大。此時(shí), 建議應(yīng)該采取相應(yīng)的一些相應(yīng)的措施, 以減少結(jié)構(gòu)物在高等級(jí)海況條件下的運(yùn)動(dòng)位移。

5 結(jié)論

本文研究了MOB結(jié)構(gòu)在高等級(jí)海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)。在MOB結(jié)構(gòu)“RMFC”計(jì)算模型的前提下, 基于D’Alembert動(dòng)力學(xué)原理分別計(jì)算得到MOB結(jié)構(gòu)在6、7、8級(jí)海況隨機(jī)波激勵(lì)下, 其各模塊的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。其中, 理論分析過程及數(shù)值計(jì)算方法的正確性、可行性及有效性均可得以驗(yàn)證。同時(shí), 詳細(xì)分析了MOB結(jié)構(gòu)同一模塊在不同海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)位移隨浪向角及連接構(gòu)件剛度的變化規(guī)律, 研究成果可為半潛式超大型浮式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐。

[1] 崔維成, 吳有生, 李潤培. 超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物動(dòng)力特性研究綜述[J]. 船舶力學(xué), 2001, 5(1): 73-81. Cui Weicheng, Wu Yousheng, Li Runpei. Recent researches on dynamic performances of very large floating structures[J]. Journal of Ship Mechanics, 2001, 5(1): 73-81.

[2] Mcallister K R. Mobile offshore bases an overview of recent research[J]. Marine Science and Technology, 1997, 3(2): 173-181.

[3] Riggs H R, Ertekin R C, Mills T R J. Impact of connector stiffness on the response of a multi-module mobile offshore base[C]// International Society of Offshore and Polar Engineers. Proceeding of the Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference. Montreal: ISOPE press, 1998: 200-207.

[4] 張波. 超大型浮式結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2013. Zhang Bo. Hydrodynamic response and risk assessment of very large floating structure[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2013.

[5] 汪伍洋. 多體超大型浮式結(jié)構(gòu)物連接器的設(shè)計(jì)及載荷的初步分析[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2014. Wang Wuyang. Design of connectors and analysis of its load in multi-very large floating structure[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2014.

[6] 謝楠, 郜煥秋. 波浪中兩個(gè)浮體水動(dòng)力相互作用的數(shù)值計(jì)算[J]. 船舶力學(xué), 1999, 3(2): 7-15. Xie Nan, Gao Huanqiu. Numerical calculation of hydrodynamic interaction of two bodies floating in waves[J]. Journal of Ship Mechanics, 1999, 3(2): 7- 15.

[7] 崔維成, 吳有生, 李潤培. 超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物開發(fā)過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[J]. 海洋工程, 2000, 18(3): 1-8. Cui Weicheng, Wu Yousheng, Li Runpei. Technical problems in the development of very large floating structures[J]. Ocean Engineering, 2000, 18(3): 1-8.

[8] Che Xiling, Wang Dayun, Wang Minglun, et al, Two dimensional hydro elastic analysis of very large floating structures[J]. Marine Technology, 1992, 29(1): 13-24.

[9] Ertekin R C, Riggs H R, Seidl L H, et al. The design and analysis of very large floating structures[J]. Ocean Engineering, 1990, 35(2): 58-63.

[10] Riggs H R, Che X L, Ertekin R C. Hydroelastic response of very large floating structures[J]. International Journal of Offshore & Polar Engineering, 1991, 1(4): 307-316.

[11] Andrianov A I, Hermans A J. The influence of water depth on the hydro-elastic response of a very large floating platform[J]. Marine Structures, 2003, 16(5): 355-371.

[12] Wu Yousheng. Hydro elasticity of Floating Bodies[D]. UK: Brunel University , 1984.

[13] Fu Shixiao, Torgeir M, Chen Xujun, et al. Hydro elastic analysis of flexible floating interconnected structures[J]. Ocean Engineering, 2007, 34(11): 1516-1531.

[14] 王志軍, 李潤培, 舒志. 箱式超大型浮體結(jié)構(gòu)在規(guī)則波中的水彈性響應(yīng)研究[J]. 海洋工程, 2001, 19(3): 9-13. Wang Zhijun, Li Runpei, Shu Zhi. Study on hydroelastic response of box-shaped very large floating structure in regular waves[J]. Ocean Engineering. 2001, 19(3): 9-13.

[15] 王志軍, 李潤培, 舒志. 箱式超大型浮體結(jié)構(gòu)在不規(guī)則波中的水彈性響應(yīng)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(10): 1477-1480. Wang Zhijun, Li Runpei, Shu Zhi. Hydroelastic response of box-typed very large floating structure in irregular waves[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2001, 35(10): 1477-1480.

[16] 舒志, 李潤培, 王志軍. 箱式超大型浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究[J]. 中國海洋平臺(tái), 2002, 17(3): 1-5. Shu Zhi, Li Runpei, Wang Zhijun. A study on the motion of very large floating structure in waves[J]. China Offshore Platform, 2002, 17(3): 1-5.

[17] 王志軍, 李潤培, 舒志. 結(jié)構(gòu)剛度變化對(duì)箱式超大型浮體結(jié)構(gòu)水彈性響應(yīng)的影響[J]. 船舶力學(xué), 2003, 7(1): 56-62. Wang Zhijun, Li Runpei, Shu Zhi. Effect of structural stiffness on hydroelastic response of box- typed very large floating structure[J]. Journal of Ship Mechanics, 2003, 7(1): 56-62.

[18] Liu Yingzhong, Cui Weicheng. Mat-Type VLFS on a seaway over an Uneven Bottom[J]. Ship Mechanics, 2007, 11(3): 321-327.

[19] 劉超. 超大型浮體多模塊柔性連接結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究[D]. 北京: 中國艦船研究院, 2014. Liu Chao. Research on structural response of multi- module flexible connectors for very large floating structures[D]. Beijing: Academy of Ship in China, 2014.

[20] Chakarbarti S K. Response due to moored multiple structure interaction[J]. Marine Structure, 2001, 24: 231-258.

[21] 沈慶, 陳徐均. 系泊多附體系統(tǒng)流固耦合和浮體間耦合動(dòng)力分析[J]. 中國造船, 2002, 43(2): 81-84. Shen Qing, Chen Xujun. Dynamic analysis of a mooring multi-body system coupled with fluid and among bodies[J]. Shipbuilding of China, 2002, 43(2): 81-84.

[22] 陳徐均, 沈慶, 孫蘆忠, 等. 柔性連接多浮體在不規(guī)則波中運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展: A輯, 2000, 15(4): 444-448. Chen Xujun, Shen Qing, Sun Luzhong, et al. A prediction method of motions of a moored flexibly joint multibody floating system responding to irregular waves[J]. Journal of Hydrodynamics(A), 2000, 15(4): 444-448.

[23] 吳林鍵. 深水超大型浮式結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件動(dòng)力特性研究[D]. 重慶: 重慶交通大學(xué), 2015. Wu Linjian. Study on dynamic characteristics of connectors in very large floating structure in deep water[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2015.

[24] Huang Shusheng. Analysis of the sea condition characteristics in Nan-ji Sea Area[J]. Marine Science Bulletin, 1998, 17(3): 90-96.

[25] Yu Lan. Study on dynamic responses of mobile offshore base connectors[J]. China Ocean Engineering, 2003, 17(4): 469-479.

[26] 丁偉. 移動(dòng)式海上基地試驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2004. Ding Wei. Experimental research on mobile offshore base[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2004.

[27] 呂海寧. 超大型浮體水動(dòng)力試驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2004. Lü Haining. Hydrodynamics experiment research on very large floating structure[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2004.

[28] Gene R, Robert Z, Paul P, et al. Mobile offshore base[C]// International Society of Offshore and Polar Engineers. Proceeding of the Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference. Montreal: ISOPE Press, 1998: 524-529.

Hydrodynamic response of a mobile offshore base under high sea states

LI Qing-mei1, WU Lin-jian1, WANG Yuan-zhan1, XIAO Zhong1, LI Yi2

(1. State Key laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

This study investigates the hydrodynamic response of a mobile offshore base (MOB) with rigid modules and flexible connectors under high sea states, where the MOB is a typical, semi-submersible, and very large floating structure. The dynamic response results of each module under the random waves of sea states 6 (SS6), 7 (SS7), and 8 (SS8) were solved based on the theory of structural dynamics and using theoretical derivation. The change rules of the hydrodynamic response displacement of the same module under different high sea states were specifically analyzed, and various wave angles and the connector stiffness were considered. These results provide significant technical support for hydrodynamic response determination and the optimal design of semi-submersible and very large floating structures.

high sea state; mobile offshore base; hydrodynamic response

(本文編輯: 李曉燕)

[National Natural Science Foundation of China, No.51279128, No. 51479133; National Natural Science Fund for Innovative Research Groups Science Foundation, No.51321065; Construction Science and Technology Project of Ministry of Transport of the People’s Republic of China, No.2014328224040]

Oct. 13, 2015

P751

A

1000-3096(2016)08-0129-09

10.11759/hykx20151113001

2015-11-13;

2016-01-22

國家自然科學(xué)基金(51279128, 51479133); 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065); 交通運(yùn)輸部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2014328224040)

李青美(1978-), 女, 山東青島人, 博士研究生, 主要研究方向?yàn)楦劭?、海岸及近海工? 電話: 15522102977, E-mail: qingmei@tju.edu.cn; 吳林鍵, 通信作者, 博士研究生, 主要從事海工結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué), 港口、海岸、近海及海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法方面的研究, E-mail: wljabgf@126.com