大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的浮態(tài)穩(wěn)性分析

沈 雁

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京 211170)

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大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的浮態(tài)穩(wěn)性分析

沈 雁

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南京 211170)

采用NAPA軟件，研究大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的浮態(tài)穩(wěn)性。通過計算得出靜水力曲線的同時對其浮態(tài)特征進(jìn)行分析，在校核計算所設(shè)計大型浮式結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)性要求基礎(chǔ)上，得出大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的排水量隨著吃水的增加而增加，其穩(wěn)心垂向高度隨著吃水的增加而逐步降低。

浮式構(gòu)筑物；浮態(tài)穩(wěn)性；靜水力曲線

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。我國擁有豐富的海洋資源，若建立海上超大型浮式結(jié)構(gòu)物，可以擔(dān)當(dāng)起中轉(zhuǎn)站的作用，使飛機、艦船等在此?？?，隨時待命處理意外情況[1-2]。目前超大型浮式結(jié)構(gòu)物主要集中在動力特性、水彈性響應(yīng)、浮體間連接器設(shè)計和試驗技術(shù)等方面的研究[3-4]，而對其浮態(tài)穩(wěn)性方面的研究相對較少。

本文著重研究大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的浮態(tài)穩(wěn)性，通過采用NAPA軟件，計算得出靜水力曲線并分析其浮態(tài)特征，以及校核計算所設(shè)計大型浮式結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)性要求，從而為超大型浮式結(jié)構(gòu)物(VLFS)設(shè)計方案的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

1 建立模型

本文設(shè)計的大型浮式結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)形式為半潛式結(jié)構(gòu)。選用Geometry(GM)模塊建立半潛船的幾何模型。采用右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為基平面、中線面及中站面的交點，X軸為基平面與中線面的交線且指向艏部，Y軸指向左舷。根據(jù)NAPA定義船體幾何模型的特點，分別建立浮體的下體、立柱以及上體，再將三者連成一體[5]。最后得到的浮體幾何模型如圖1所示。

2 靜水力分析

2.1 排水量曲線

圖2給出了超大型浮式結(jié)構(gòu)物排水量隨吃水變化的曲線。由圖中看出，超大型浮式結(jié)構(gòu)物的排水量隨著吃水的增加而增加。當(dāng)吃水小于9.5 m時，大型浮式結(jié)構(gòu)物的浮箱在水線面上，此時，曲線的斜率較低；隨著吃水的增加，平臺立柱開始入水后，曲線的斜率有所增加，除了位于曲線拐點處，即吃水等于9.5 m時，曲線斜率基本恒定。

圖1 大型浮式結(jié)構(gòu)物幾何模型

圖2 排水量曲線圖

2.2 浮心變化曲線

平臺的浮心隨著吃水變化而變化，其浮心變化曲線如圖3所示。由于平臺結(jié)構(gòu)屬于首尾對稱、左右對稱，因此平臺浮心的橫向和縱向坐標(biāo)始終為0，而其垂向坐標(biāo)隨著吃水的增加而增加。與排水量隨吃水變化曲線相同，在吃水等于9.5 m時，曲線出現(xiàn)拐點。但與排水量不同的是，當(dāng)吃水大于9.5 m后，浮心垂向坐標(biāo)的變化隨吃水的增加而增加。

圖3 浮心變化曲線

2.3 漂心變化曲線

圖4為隨著吃水變化的水線面漂心變化曲線。漂心的橫向坐標(biāo)為0，這是由于平臺左右對稱。而對于漂心的縱向坐標(biāo)，當(dāng)浮箱位于水線面以上時，坐標(biāo)值略偏向平臺的尾部；當(dāng)浮箱潛于水面以下后，漂心的縱向坐標(biāo)也為0，并且隨著吃水的增加而保持不變，這是由于平臺立柱的首尾對稱性而導(dǎo)致的。

圖4 漂心變化曲線圖

2.4 穩(wěn)心垂向高度

圖5為平臺的縱穩(wěn)心、橫穩(wěn)心垂向高度隨吃水變化曲線圖。圖中，平臺的縱穩(wěn)心和橫穩(wěn)心垂向高度均隨著吃水的增加而增加，但在任一吃水位置，縱穩(wěn)心垂向高度遠(yuǎn)大于橫穩(wěn)心垂向高度。由圖5可以得出，曲線斜率隨著吃水的增加而逐步減小。在初始階段，當(dāng)水線面位于立柱以下時，水線面的面積隨著吃水的增加幾乎保持不變；立柱與浮箱的過渡階段，由于水線面始終保持不變，且排水體積緩慢增加，初穩(wěn)心半徑的減小趨勢逐步降低；當(dāng)水線面達(dá)到立柱時，初穩(wěn)心半徑的減小趨勢進(jìn)一步減小。

圖5 穩(wěn)心垂向高度隨吃水變化曲線

3 初穩(wěn)性

大型浮式結(jié)構(gòu)物在外力的作用下會偏離其平衡位置。為了保證大型浮式結(jié)構(gòu)物能夠恢復(fù)到原來的平衡位置，必須具有足夠的穩(wěn)性力矩，即當(dāng)大型浮式結(jié)構(gòu)物處于漂浮狀態(tài)時，應(yīng)該有足夠的初穩(wěn)性。中國船級社CCS的規(guī)范要求初穩(wěn)性高經(jīng)過自由液面修正后應(yīng)當(dāng)大于0.15 m。

3.1 初穩(wěn)性高

當(dāng)大型浮式結(jié)構(gòu)物的漂浮狀態(tài)為正浮狀態(tài)時，通過調(diào)整加壓載水可以完成大型浮式結(jié)構(gòu)物的下沉。所以，在吃水加大的過程中，大型浮式結(jié)構(gòu)物的重心高度隨著吃水的增加而減小，初穩(wěn)性高GM=穩(wěn)心垂向高度KM-重心高度KG，此時，不考慮液艙自由液面的修正?？v穩(wěn)性高GML、橫穩(wěn)性高GMT隨著吃水的變化發(fā)生相應(yīng)變化，其變化曲線如圖6所示。因為大型浮式結(jié)構(gòu)物的長度遠(yuǎn)大于其寬度，所以從圖6中看出，大型浮式結(jié)構(gòu)物的縱向初穩(wěn)性高在任一吃水處都遠(yuǎn)大于其橫向初穩(wěn)性高，但縱向初穩(wěn)性高隨吃水的變化曲線與橫向初穩(wěn)性高隨吃水的變化曲線具有相同的趨勢。當(dāng)吃水小于9.5 m時，即大型浮式結(jié)構(gòu)物的浮箱在水線面上時，初穩(wěn)性高曲線和穩(wěn)心垂向高度曲線都隨著吃水的增加而減少；當(dāng)吃水大于9.5 m時，即當(dāng)平臺立柱開始入水后，雖然穩(wěn)心垂向高度KM隨著吃水的增加略有減少，但隨著吃水的增加，初穩(wěn)性高GM也跟著增加，說明此時重心高度KG隨吃水增加的降低趨勢比穩(wěn)心垂向高度KM的降低趨勢更加顯著；當(dāng)吃水等于9.5 m時，整條縱穩(wěn)性高GML、橫穩(wěn)性高GMT都達(dá)到曲線最低點，此時，大型浮式結(jié)構(gòu)物的水線由浮箱開始過渡到立柱。因此，為了使得大型浮式結(jié)構(gòu)物的初穩(wěn)性高在整個過渡過程中都滿足要求，只要保證吃水等于9.5 m處的初穩(wěn)性高滿足要求即可。

圖6 穩(wěn)性要素曲線

3.2 初穩(wěn)性校核

利用NAPA軟件，初穩(wěn)性高可以直接讀取，動靜穩(wěn)性曲線及進(jìn)水角也可通過軟件輸出。初穩(wěn)性高等于靜穩(wěn)性曲線在原點的斜率。由此可知，超大型浮式結(jié)構(gòu)物的未經(jīng)自由液面修正的初穩(wěn)性高GM0等于4.606 m。因為本文的大型浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)有淡水艙、污水艙、壓載水艙等艙室，如果艙內(nèi)存在自由流動的自由液面會減低其初穩(wěn)性高，從而降低結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)性，因此，為了減少自由液面的影響，超大型浮式結(jié)構(gòu)物的壓載艙應(yīng)采用縱向小隔艙，且盡可能地保證壓載艙的液體大于95%或者小于5%。

自由液面對初穩(wěn)性高的修正值：

式中：ix為自由液面的面積對其傾斜軸線的橫向慣性矩，m4；ω1為液體的重力密度，t/m3；D為排水量，本文超大型浮式結(jié)構(gòu)物D=95 070t。

初穩(wěn)性高計算結(jié)果見表1。表中，大型浮式結(jié)構(gòu)物的初穩(wěn)性高GM經(jīng)過自由液面修正后為3.346m，

大于規(guī)范要求的0.15m，因此滿足服役條件。

表1 初穩(wěn)性高計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用NAPA軟件計算了靜水力曲線，通過各曲線分析說明了其浮態(tài)特征，并對大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的初穩(wěn)性進(jìn)行了校核計算。結(jié)論如下：

(1) 大型海上浮式結(jié)構(gòu)物的排水量隨著吃水的增加而增加。

(2)穩(wěn)心垂向高度隨著吃水的增加逐步降低。

(3)經(jīng)修正后的初穩(wěn)性高度為3.346 m，滿足規(guī)范要求。

[1] 崔維成,吳有生,李潤培，等.超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物動力特性研究綜述[J].船舶力學(xué),2001,5(1):73-81.

[2] 王志軍,李潤培,楊建民，等.超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物概念設(shè)計綜述[C]//中國造船工程學(xué)會.第一屆全國船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國造船工程學(xué)會，2000:666-672.

[3] 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立[J].船舶設(shè)計通訊,2003(1):36-40.

[4] 秦宇.NAPA軟件在船舶總體性能設(shè)計上的應(yīng)用[J].廣東造船,2010,29(2):34-36.

[5] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社,2012.

2015-12-21

江蘇省航海學(xué)會科研項目(2015B10)，江蘇省高校自然科學(xué)研究資助經(jīng)費項目(16KJB580013)，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院“千帆新銳”項目(XR1503)部分成果。

沈雁(1981—)，女，碩士，講師，主要從事海洋工程研究。

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