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半潛式平臺撐桿結構波浪載荷計算方法研究

半潛式平臺撐桿結構波浪載荷計算方法研究

李輝,任慧龍,吳東偉,張健

(哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱市 150001)

摘 要:考慮平臺與波浪的相對運動,對適用于空間傾斜構件的Morison 公式進行了線性化處理。將依據該公式算得的Morison 力計入基于三維勢流理論建立的平臺整體運動方程中,采用迭代法進行求解。對一艘半潛式平臺的計算結果表明,平臺撐桿所遭受的Morison 力對平臺整體運動的影響較小。

關鍵詞:半潛式平臺;撐桿;Morison 公式;線性化

隨著全球經濟的發展,人類對油氣資源的需求與日俱增。陸地上資源的日益枯竭,人們逐漸把目光投向了海洋,并正在向深海區域發展。半潛式平臺因其自身明顯的優勢逐漸成為海洋油氣資源開發最主要的工具之一。由于半潛式平臺的工作環境一般比較惡劣,發生事故的可能性較大,因而在設計階段就要對其結構進行合理的強度評估,以保證其結構的安全性。而準確的預報平臺在使用期間可能遭受的波浪載荷是強度評估正確進行的關鍵。

對于海洋平臺波浪載荷的計算,一般可采用兩種方法[1]

。一種是采用適用于大尺度構件的基于勢流理論的波浪載荷計算方法,另一種是采用基于經驗的適用于小尺度構件的Morison 公式。半潛式平臺在水面以下既有尺度較大的構件如旁通和立柱,又有尺度較小的構件如撐桿,因而在確定其波浪載荷時,需要將兩種方法結合起來使用[2]

。由于Morison 公式中含有非線性項(拖曳力項),要與目前較為通用的基于三維線性勢流理論的波浪載荷計算方法聯合使用,需要對其進行線性化處理。

為了合理預報半潛式平臺的運動與波浪載荷,將Morison 公式與三維線性勢流理論聯合使用。采用考慮平臺

與波浪相對運動的適用于傾斜構件的Morison 公式,應用Borgman 方法[3]

進行線性化。將采用Morison 公式算得的撐桿結構的波浪載荷計入平臺的整體運動微分方程。結合實際算例對半潛式平臺撐桿結構受力對于平臺整體運動的貢獻進行了分析。

1.空間傾斜構件的Morison 公式及線性化方法

1.1 相對速度下傾斜構件的Morison 公式

半潛式平臺的撐桿結構是一組空間傾斜構件,在與波浪具有相對速度的情況下,作用于其上的波浪載荷可采

用如下的Morison 公式進行計算[4]

。

{}[][]{}[]{}[]{}12

D

M m d C D N N C A N C A N ρρρ=???+-F r r u η (1)

其中:D ——平臺撐桿的直徑;

A ——為撐桿的截面積;

{}u =?????

?????z y x u u u ——水質點的速度; {}u =??????????z y x u u u

——水質點的加速度。 {}η=????

??????z y x ηηη

——平臺的運動速度;

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