基于AQWA的系泊參數(shù)對(duì)單浮體動(dòng)力響應(yīng)的影響

陳徐均 計(jì) 淞* 陸 凱 黃 恒 苗玉基

(陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院1) 南京 210007) (中國船舶科學(xué)研究中心2) 無錫 214082)

0 引 言

浮式棧橋通常由多個(gè)浮箱拼組而成，它們便于運(yùn)輸、架設(shè)快速，可解決近海水深較淺，大型船只無法靠泊的問題.當(dāng)海況較危險(xiǎn)時(shí)，需解除橋節(jié)間連接，此時(shí)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化為系泊單浮體系統(tǒng).對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可減小結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)的使用安全.

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)系泊浮體的水動(dòng)力響應(yīng)展開了大量深入的研究.Ghafari等[1]對(duì)比研究了系泊錨鏈上的浮標(biāo)尺寸、位置和數(shù)量參數(shù)對(duì)半潛式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響.Giorgi等[2]針對(duì)系泊錨鏈參數(shù)對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置共振性能的影響展開了研究.Xu等[3]利用NSGA-II算法對(duì)淺水區(qū)域的船舶系泊系統(tǒng)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化分析，并通過案例驗(yàn)證了該方法可適用于更高精度的設(shè)計(jì)需求.Cui等[4]針對(duì)內(nèi)孤立波作用下圓柱形浮式結(jié)構(gòu)的系泊張力響應(yīng)及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)開展了相關(guān)研究.Chen等[5]基于三維勢流理論水動(dòng)力分析軟件(advanced quantitative wave analysis,AQWA)研究了波幅、波向和周期參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊張力的影響，并與水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.Rudman等[6]運(yùn)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)對(duì)極端海況作用下半潛式張力腿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測.苗玉基等[7-8]基于AQWA軟件建立了海底地形-浮式棧橋-波浪水動(dòng)力耦合計(jì)算模型，針對(duì)復(fù)雜地形下浮式棧橋和單橋節(jié)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了頻域分析計(jì)算.紀(jì)仁瑋等[9]利用Fortran語言對(duì)AQWA軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，針對(duì)特定振蕩浮子式雙浮體波浪能裝置開展了頻域和時(shí)域的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析.

文中基于三維勢流理論的浮式結(jié)構(gòu)分析方法，通過水動(dòng)力分析軟件AQWA所建立的系泊單橋節(jié)模型進(jìn)行了衰減特性驗(yàn)證，針對(duì)系泊參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響開展了分析研究.

1 計(jì)算原理

假定橋節(jié)為剛性浮體，其所處流域?yàn)槔硐肓黧w.建立固定坐標(biāo)系OXYZ，OXY平面與靜水面平行，OZ軸鉛直向上；隨體坐標(biāo)系oxyz固定于橋節(jié)重心位置，隨橋節(jié)搖蕩，平衡位置時(shí)oxy平面與靜水自由面平行，ox軸位于橋節(jié)中軸線，oz軸垂直向上.坐標(biāo)系定義見圖1.

圖1 坐標(biāo)系示意圖

由上述假定，引入速度勢函數(shù)φ，且滿足[10]

2φ=0

(1)

(2)

式中：pa為水面大氣壓力；ρ為流體密度；g為重力加速度；z為垂向位置坐標(biāo).

顯然，只要求得速度勢函數(shù)φ，便可由式(2)求得整個(gè)流場的壓力分布，進(jìn)而求得浮體所受的流體作用力.

系泊浮體流場中的速度勢φ可分解為入射勢φI、繞射勢φD和輻射勢φR，即：

φ=φI+φD+φR

流域中的入射速度勢φI認(rèn)為已知，繞射勢φD與輻射勢φR可根據(jù)給定的定解條件應(yīng)用格林函數(shù)法求解.

由輻射勢φR引起的廣義輻射力FR(t)為

(3)

浮體的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為

FW(t)+Fsn(t)+Fm(t)

(4)

廣義一階波浪力FW(t)通常認(rèn)為由Froude-Krylov力和繞射力組成，可根據(jù)卡明斯提出的時(shí)域與頻域波浪力的卷積關(guān)系計(jì)算，廣義二階波浪力Fsn(t)可采用Newman近似方法進(jìn)行計(jì)算[12]，廣義系泊力Fm(t)采用考慮錨鏈拉壓剛度特性的懸鏈線模型進(jìn)行計(jì)算[13].

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 單浮體參數(shù)

以某浮式棧橋的標(biāo)準(zhǔn)單橋節(jié)作為研究對(duì)象，模型主尺度見圖2，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1.流域水深為8 m，假定海底平坦無坡度.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)單橋節(jié)主尺度(單位：m)

表1 標(biāo)準(zhǔn)單橋節(jié)力學(xué)參數(shù)

2.2 波浪環(huán)境參數(shù)

本計(jì)算中僅考慮波浪的作用，其入射角θ為0°、30°、45°、60°和90°，入射方向見圖2.波浪荷載采用JONSWAP不規(guī)則波譜進(jìn)行模擬，參數(shù)見表2.

表2 波浪參數(shù)

2.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單橋節(jié)由四根懸鏈線錨鏈系泊錨定，采用交叉布錨方式，系泊線與橋軸中心線間夾角恒定為45°，系泊形式見圖3.錨鏈采用GB/T 549-2017中的AM2號(hào)錨鏈，參數(shù)見表3，橋節(jié)上設(shè)四個(gè)系留點(diǎn)，位于甲板舷側(cè)正上方，距端部均為4 m.計(jì)算中假定錨具有足夠抓力，位于海底的布錨點(diǎn)不會(huì)發(fā)生移動(dòng).

圖3 系泊系統(tǒng)布置圖

表3 錨鏈參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 衰減頻率特性驗(yàn)證

由于計(jì)算軟件基于勢流理論，無法考慮粘性阻尼的影響，通常需由靜水衰減試驗(yàn)測定阻尼系數(shù)后進(jìn)行修正.本節(jié)首先在AQWA軟件中給定自由橋節(jié)一初始位移后釋放，得到初始狀態(tài)下的自由衰減曲線，進(jìn)而通過在橋節(jié)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程中添加附加阻尼矩陣對(duì)模型進(jìn)行修正，得到修正后的衰減曲線見圖4.圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[14]，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)調(diào)整模型附加阻尼后的垂蕩、橫搖及縱搖衰減曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好.

圖4 橋節(jié)自由狀態(tài)衰減曲線及試驗(yàn)對(duì)比

由圖4可知，本文采用的修正方法可以較為準(zhǔn)確的模擬浮體在靜水中的衰減頻率特性，因此可用于后續(xù)的時(shí)域計(jì)算分析.

3.2 投錨距離對(duì)系泊系統(tǒng)的影響

為考慮投錨距離對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，固定錨鏈拉壓剛度為8×107N，錨鏈預(yù)張力為3×104N，改變錨鏈水平投錨距離為40～120 m，波浪入射角為0°～90°，計(jì)算得到橋節(jié)運(yùn)動(dòng)最大響應(yīng)幅值及錨鏈張力最大值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5.由于縱向浪(θ=0°)作用下橋節(jié)的橫蕩、橫搖和艏搖值及橫向浪(θ=90°)作用下橋節(jié)的縱蕩、縱搖和艏搖值的變化均較小，本節(jié)及后續(xù)分析中不再對(duì)其討論.

圖5 投錨距離對(duì)最大響應(yīng)幅值的影響

圖5a)中，橋節(jié)縱蕩值隨投錨距離的減小而減??；縱向浪(θ=0°)對(duì)結(jié)構(gòu)縱蕩位移的影響較大.由圖5b)可知，隨著投錨距離減小，橋節(jié)橫蕩位移減小，波浪入射角對(duì)橫蕩響應(yīng)的影響也隨之變小.由圖5c)～e)可知，投錨距離對(duì)系泊浮體的垂蕩和縱搖位移影響并不顯著，但入射角度增大會(huì)導(dǎo)致橋節(jié)垂蕩值增大，縱搖值減小.圖5d)中，橋節(jié)橫搖位移隨投錨距離的減小略有增大，這是由于交叉布錨方式導(dǎo)致錨鏈力有增大橫搖的趨勢引起的，其中橫向浪(θ=90°)對(duì)結(jié)構(gòu)橫搖的影響最為顯著.由圖5f)可知，當(dāng)浪向角θ=60°時(shí)浮體艏搖幅值響應(yīng)最大，隨投錨距離減小，結(jié)構(gòu)艏搖值隨之減小.由圖5g)可知，隨投錨距離減小，系泊錨鏈最大張力呈增大趨勢；波向角θ=0°時(shí)錨鏈張力響應(yīng)最小，θ=60°時(shí)錨鏈張力響應(yīng)最大，根據(jù)文獻(xiàn)[15]選取錨鏈安全系數(shù)為1.67，要求錨鏈最大張力不得超過5.36×105N，當(dāng)投錨距離為40 m時(shí)已有工況不滿足安全要求.

上述結(jié)果說明，增大波浪入射角，系泊浮體橫蕩、垂蕩及橫搖值增大，但縱蕩及縱搖值隨之減小；減小投錨距離，系泊浮體縱蕩、橫蕩及艏搖值減小，這是由于投錨距離越小，錨泊系統(tǒng)的約束剛度越大，從而錨鏈最大張力值也增大.從錨鏈安全角度考慮，建議該系泊浮體的安全投錨距離應(yīng)大于40 m.

3.3 錨鏈預(yù)張力對(duì)系泊系統(tǒng)的影響

為了研究錨鏈預(yù)張力對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，選取水平投錨距離為60 m，錨鏈拉壓剛度為8×107N，分別對(duì)錨鏈預(yù)張力為0.5×104～3×104N，波浪入射角為0°～90°的情況進(jìn)行研究.計(jì)算得到橋節(jié)運(yùn)動(dòng)最大響應(yīng)幅值及錨鏈張力最大值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6.

圖6 錨鏈預(yù)張力對(duì)最大響應(yīng)幅值的影響

由圖6可知，隨著錨鏈預(yù)張力增大，橋節(jié)縱蕩、橫蕩及艏搖值顯著減小.橋節(jié)垂蕩位移隨錨鏈預(yù)張力的增大先減小后增大，但總體變化不大.橫向浪(θ=90°)作用下橋節(jié)橫搖受錨鏈預(yù)張力的影響并不顯著.錨鏈最大張力隨預(yù)張力的增大先增大后減小，縱向浪(θ=0°)作用下的錨鏈最大張力明顯小于其他角度入射工況.

上述結(jié)果說明：預(yù)張力對(duì)浮體的平面運(yùn)動(dòng)有較大影響；增大錨鏈預(yù)張力，浮體縱蕩、橫蕩及艏搖值減小，而錨鏈最大張力先增大后減小.

3.4 錨鏈軸向剛度對(duì)系泊系統(tǒng)的影響

為了研究錨鏈拉壓剛度對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，選取水平投錨距離為60 m，錨鏈預(yù)張力為3×104N，分別對(duì)錨鏈拉壓剛度為3×107～8×107N，波浪入射角為0°～90°的情況進(jìn)行研究.計(jì)算得到橋節(jié)運(yùn)動(dòng)最大響應(yīng)幅值及錨鏈張力的統(tǒng)計(jì)最大值見圖7.

圖7 錨鏈拉壓剛度對(duì)最大響應(yīng)幅值的影響

由圖7可知，隨著錨鏈拉壓剛度的增大，錨鏈張力略有增大，系泊浮體的縱蕩、橫蕩及艏搖等水平運(yùn)動(dòng)的位移減小，而垂蕩、橫搖和縱搖等垂向運(yùn)動(dòng)受錨鏈剛度的影響較小.建議采用具有較大拉壓剛度的系泊錨鏈.

4 結(jié) 論

1) 通過在AQWA軟件中添加附加阻尼修正后的數(shù)值模型可較準(zhǔn)確地模擬浮體在水中搖蕩的衰減特性.

2) 增大錨鏈預(yù)張力，增大錨鏈拉壓剛度或減小投錨距離都相當(dāng)于提高了系泊系統(tǒng)的約束剛度，在增大錨鏈?zhǔn)芰Φ耐瑫r(shí)，可以有效減小系泊約束浮體的水平運(yùn)動(dòng)，但對(duì)浮體垂向運(yùn)動(dòng)的影響較小.

3) 總體來看，縱向浪(θ=0°)作用下系泊浮體的動(dòng)力響應(yīng)較小，為保證結(jié)構(gòu)的使用安全，建議該浮體應(yīng)平行于波浪入射方向布設(shè)，并盡可能增大錨鏈拉壓剛度，但錨鏈的水平投錨距離應(yīng)大于40 m.