半潛式海工生活平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)與居住舒適性研究

胡開(kāi)業(yè)， 王壽軍， 韓榮貴， 陳 默

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001；2.中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

半潛式海工生活平臺(tái)為人們的海上活動(dòng)提供休閑住宿和餐飲娛樂(lè)等服務(wù)，這些服務(wù)對(duì)平臺(tái)的舒適性有極為嚴(yán)格的要求[1]。例如中集來(lái)福士海洋工程有限公司自主開(kāi)發(fā)的半潛式生活平臺(tái)CR600(見(jiàn)圖1)，其生活區(qū)的居住條件超過(guò)陸地上的五星級(jí)酒店，滿足美國(guó)船級(jí)社移動(dòng)式鉆井平臺(tái)舒適性標(biāo)準(zhǔn)HAB+和英國(guó)安全與健康執(zhí)行局對(duì)舒適性的要求，振動(dòng)和噪聲滿足挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1 半潛式生活平臺(tái)CR600

在深水開(kāi)闊海域，平臺(tái)在復(fù)雜的海浪環(huán)境下劇烈搖蕩對(duì)平臺(tái)上人員居住的舒適性不利，易導(dǎo)致人員出現(xiàn)暈動(dòng)癥，從而影響其工作效率和平臺(tái)的舒適性。目前對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的研究多集中在水動(dòng)力性能方面，例如：丁凱等[1]研究了半潛式生活平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)并靠泊時(shí)的水動(dòng)力載荷特性，研究發(fā)現(xiàn)，縱浪比橫浪更易引起兩平臺(tái)之間產(chǎn)生明顯的水動(dòng)力作用；趙靜[2]采用海洋工程水動(dòng)力分析軟件SESAM分析了半潛式生活支持平臺(tái)不同關(guān)鍵位置處的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；徐靜雯等[3]采用商業(yè)軟件AQWA對(duì)半潛式平臺(tái)模型在生存海況和作業(yè)海況下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了頻域分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)在生存海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比作業(yè)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)劇烈很多；EZOJI等[4]研究了波浪參數(shù)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，基于莫里森理論和衍射理論計(jì)算了某平臺(tái)的波浪載荷，結(jié)果表明，隨著波浪周期的増大，垂蕩運(yùn)動(dòng)譜和波浪譜越來(lái)越接近；王世圣等[5]采用三維勢(shì)流方法對(duì)橫撐結(jié)構(gòu)不同的2種典型深水半潛式平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行了分析研究。目前的研究缺乏對(duì)平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)和海洋環(huán)境與平臺(tái)舒適度之間的關(guān)系[6-9]的分析，本文對(duì)某典型半潛式海工生活平臺(tái)在不同海況下的搖蕩運(yùn)動(dòng)和關(guān)鍵位置處的加速度進(jìn)行分析，考察該平臺(tái)的舒適性。

1 半潛式平臺(tái)水動(dòng)力模型

1.1 理論基礎(chǔ)

由剛體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)中的質(zhì)心動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理可得出，在經(jīng)過(guò)線性化處理之后，浮體的運(yùn)動(dòng)方程[10]為

(1)

式(1)中：Mjk為平臺(tái)的質(zhì)量矩陣；Ajk為平臺(tái)的附加質(zhì)量矩陣，Bjk為平臺(tái)的阻尼矩陣；Cjk為平臺(tái)的回復(fù)力剛度矩陣；fdj為平臺(tái)受到的外激勵(lì)力；ηk為平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅值。

當(dāng)求解出浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量和受到的阻尼及平臺(tái)受到的外激勵(lì)力值之后，即可通過(guò)式(1)求解得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在分析大型浮體結(jié)構(gòu)在波浪中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，基于勢(shì)流理論[11]進(jìn)行分析是一種比較常用的方法，浮體與波浪相互作用的情況可很好地體現(xiàn)出來(lái)。在進(jìn)行浮體繞射和輻射水動(dòng)力分析時(shí)，自由面格林函數(shù)邊界元法(即三維脈動(dòng)源格林函數(shù)法)已得到廣大研究人員的認(rèn)可。該方法是基于三維勢(shì)流理論得到的，目前有多個(gè)利用該方法開(kāi)發(fā)的軟件程序可用。本文采用基于三維面元法的水動(dòng)力分析軟件AQWA分析平臺(tái)的水動(dòng)力性能。

1.2 半潛式生活平臺(tái)建模

本文的研究對(duì)象為半潛式生活平臺(tái)CR600，其作業(yè)水深為1 500 m，水動(dòng)力計(jì)算主要針對(duì)作業(yè)工況，該工況下平臺(tái)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 作業(yè)工況下半潛式生活平臺(tái)的參數(shù)

利用ANSYS軟件建立該平臺(tái)的面元模型，通過(guò)該軟件分析水下主體部分的水動(dòng)力性能，利用Morison方程[12]對(duì)作用在水平橫撐上的拖曳力進(jìn)行計(jì)算。單位長(zhǎng)度橫撐受到的波浪力為

(2)

式(2)中:CM為拖曳力系數(shù);CD為慣性力系數(shù);M為拖曳力；D為慣性力。一般情況下，對(duì)于圓柱體，CM=1.0，CD=2.0。基于上述勢(shì)流方法和Morison方程黏性理論，即可預(yù)報(bào)半潛式生活平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

該平臺(tái)的作業(yè)水深為1 500 m，采用12點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)，錨纜設(shè)計(jì)為鏈-纜-鏈復(fù)合型式，分成4組，每組3根，每組在水平方向上以90°夾角布置。錨索采用鏈-纜-鏈組合形式，其中中間段采用鋼絲繩。

2 半潛式生活平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬

為計(jì)算平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)的幅頻響應(yīng)函數(shù)RAO，需在AQWA-LINE中設(shè)置一系列波浪頻率和入射方向。入射頻率范圍為0.05～1.90 rad/s，共設(shè)置45個(gè)波浪頻率。由于平臺(tái)關(guān)于xOy平面與xOz平面對(duì)稱，入射方向設(shè)置為0°～90°，每隔15°取1個(gè)浪向角，共設(shè)置7個(gè)波浪方向。在AQWA中定義波浪入射角為波浪入射方向與x軸的夾角，以繞x軸逆時(shí)針?lè)较虻膴A角為正，見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)AQWA-LINE模塊的計(jì)算，得到該平臺(tái)的幅頻響應(yīng)函數(shù)RAO計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖3～圖8)。

圖2 AQWA波浪方向定義

3 半潛式生活平臺(tái)上人員舒適性分析

3.1 確定舒適度衡量標(biāo)準(zhǔn)和最大加速度可能點(diǎn)

半潛式海工生活平臺(tái)上居住人員的工作能力主要受平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)的加速度的影響。加速度過(guò)大會(huì)引起人員暈船，一般暈船率隨加速度的增加而增加[13]。業(yè)界曾在北歐合作項(xiàng)目“船舶耐波性能”中探討過(guò)船舶舒適性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)列出了與不同等級(jí)的特殊類型作業(yè)和乘客舒適度相對(duì)應(yīng)的搖蕩運(yùn)動(dòng)加速度。借鑒到半潛式海工生活平臺(tái)上，考慮到上述衡準(zhǔn)僅計(jì)入垂向加速度和橫向加速度的影響，增加平臺(tái)縱向加速度響應(yīng)的影響，可確定平臺(tái)的舒適度衡量標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表2。半潛式海工生活平臺(tái)符合表2中的輕型勞動(dòng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)平臺(tái)的垂向加速度小于1.96 m/s2，橫向加速度和縱向加速度都小于0.98 m/s2時(shí)，滿足舒適性要求。

表2 半潛式海工生活平臺(tái)舒適度衡量標(biāo)準(zhǔn)

在微幅波理論和平臺(tái)作微幅搖蕩運(yùn)動(dòng)的前提下，平臺(tái)上任意關(guān)鍵位置的加速度可由重心處加速度和兩者之間的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)換得到。

(3)

根據(jù)浮體上任一點(diǎn)的加速度，結(jié)合半潛式生活平臺(tái)的總體布置圖，可確定平臺(tái)上人員經(jīng)?；顒?dòng)的范圍內(nèi)最大加速度可能出現(xiàn)的位置。根據(jù)所得位置，結(jié)合平臺(tái)的完整網(wǎng)格化模型，可確定最大加速度位置的坐標(biāo)，在模型上標(biāo)記出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 最大加速度可能點(diǎn)數(shù)據(jù)

3.2 平臺(tái)舒適度的極限波浪條件

設(shè)計(jì)一系列波高從小到大變化的JONSWAP譜作為該平臺(tái)波浪的輸入?yún)?shù)，浪向角取0°、45°和90°，在計(jì)算文件中設(shè)置表3所示的5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，結(jié)合AQWA-LINE計(jì)算得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，利用AQWA-DRIFT對(duì)平臺(tái)進(jìn)行時(shí)域分析，得到平臺(tái)在不同波浪條件下的加速度響應(yīng)值。以垂向加速度為例，給出有義波高為13.48 m、譜峰周期為13.14 s、浪向角為45°時(shí)，單人室①(標(biāo)記節(jié)點(diǎn)NODE1279)的垂向加速度時(shí)歷結(jié)果見(jiàn)圖9。對(duì)時(shí)歷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到在該波浪條件下，單人室①(標(biāo)記節(jié)點(diǎn)NODE1279)的最大橫向加速度為0.548 m/s2，最大縱向加速度為0.545 m/s2，最大垂向加速度為1.890 m/s2。

圖9 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的垂向加速度時(shí)歷曲線(單人室①)

用波高從小到大變化的一系列JONSWAP譜作為檢索平臺(tái)最大波浪條件的輸入譜，統(tǒng)計(jì)分析各標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的最大加速度，結(jié)合半潛式海工生活平臺(tái)舒適度衡量標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)得到滿足平臺(tái)舒適度要求的最大波浪條件為：有義波高13.48 m；譜峰周期13.14 s。對(duì)其他關(guān)鍵位置作上述計(jì)算分析，即可得到3 h短期海況內(nèi)，輸入最大波浪條件下，平臺(tái)上經(jīng)?；顒?dòng)范圍內(nèi)的最大加速度值，見(jiàn)表4。

表4 最大波浪條件下平臺(tái)的最大加速度值

從表4中可看出：當(dāng)有義波高為13.48 m、譜峰周期為13.14 s時(shí)，該平臺(tái)的舒適性滿足輕型勞動(dòng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，平臺(tái)的舒適性較好；當(dāng)平臺(tái)所在海域的海洋環(huán)境超過(guò)此值時(shí)，平臺(tái)的舒適性將不滿足輕型勞動(dòng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，平臺(tái)的舒適性將受到影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以三維勢(shì)流理論為基礎(chǔ)建立半潛式生活平臺(tái)的數(shù)值分析模型，研究平臺(tái)在波浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)，以浮體上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)公式為出發(fā)點(diǎn)，分析得出平臺(tái)上工作人員主要活動(dòng)范圍內(nèi)最具代表性的位置，并嘗試以標(biāo)記關(guān)鍵點(diǎn)的方式研究這些位置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以此分析平臺(tái)的舒適性。

本文嘗試借鑒船舶舒適性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在考慮船舶橫向和垂向運(yùn)動(dòng)加速度的基礎(chǔ)上，考慮平臺(tái)縱向加速度響應(yīng)對(duì)平臺(tái)舒適性的影響，建立半潛式海工生活平臺(tái)舒適性衡量標(biāo)準(zhǔn)，并以此分析生活平臺(tái)在不同海浪環(huán)境下的舒適性，搜索滿足平臺(tái)舒適性要求的最大波浪條件。本文的研究可為半潛式生活平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。