海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议-2006

第3期第10页 OIL FIELD EQUIPMENT 文章编号:1001-3482(2006)03-0010-05 2006,35(3):10~14

海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议

张金平1,段艳丽2,刘学虎3

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津塘沽300452;2.中国石油大学(华东)石油工程学院,

山东东营257061;3.兰州石油机械研究所,甘肃兰州730050)

摘要:文章综述了近年来海洋平台波浪理论及波浪载荷计算方法的研究与发展概况,包括不同海域波浪载荷的计

算理论,以及不同类型、不同尺度海洋平台的波浪载荷的计算方法及其应用,并对各种不同波浪理论的适用范围及其优缺点进行了分析。同时对目前应用较广的数值模拟技术在海洋平台方面的应用进行了分析,列举了相关应用实例,并对其发展前景进行了展望,提出了相关研究建议。

关键词:海洋平台;波浪载荷;计算方法;应用;数值模拟中图分类号:TE951.01 文献标识码:A

Theanalysisandproposalofcomputationmethodsofwaveloadsactingonoffshoreplatform

ZHANGJin-pin1,DUANYan-li2,LIUXue-hu3

(1.ChinaOffshoreOilEngineeringCo.Ltd1,Tanggu300452,China;

2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Dongying257061,China;

3.LanzhouPetroleumMechanicalResearchInstitute,Lanzhou730050,China)

Abstract:Generalstatusofdevelopmentonwavetheoryandwaveloadsonoffshoreplatforminresentyearsissummarizedinthispaper,includingcomputationtheoryofwaveloadsindifferentseaarea,com-putationmethodsandapplicationsofwaveloadsactingonoffshoreplatformwithdifferenttypeanddimen-sion,atthesametimenumericalsimulationtechnologybeingappliedwidelyonoffshoreplatformisanalyzedin 这和文献[4]的结论完全一致。当A=180b时,由式(5)可知AX=0,AY=0,即FX=0,FY=0,即,筛箱所受的激振力为零,质心是一个固定不动的定点。此时,XMy],筛箱不能满足平动的条件。在这种情况下,筛箱的运动就只是仰俯振动。

度的前提下,可以通过适当调整A、B,以实现电机的正确安装,为振动筛的设计和使用均带来了较大的方便。

参考文献:

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3 结论

1) 上偏心块超前下偏心块的角度A越大,振动筛椭圆运动轨迹长短轴均越短。所以应根据振动

筛电机安装位置适当选择A,以免A过大而影响振动筛的工作性能。

2) 2台电机轴线之间的夹角B只影响振动筛椭圆运动轨迹的短半轴,而不影响长半轴。

3) 振动电机在筛箱上的安装位置XM,既要受上偏心块超前下偏心块的角度A的影响,又要受2台电机轴线夹角的影响,设计时在保证一定椭圆

收稿日期:2006-01-26

作者简介:张金平(1976-),男,河北石家庄人,1998年毕业于西南石油学院机械制造与设备管理专业,主要从事海洋石油

工程项目管理工作。

张金平,等:海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议

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presenttime,correlativeapplicationexamplesareenumerated.Foregroundisexpectedinthispaper.Cor-relativeproposalisgivenandcorrespondingreferenceinformationisprovidedaswell.

Keywords:offshoreplatform;waveloads;computationmethods;application;numericalsimulation

1 工程上应用的波浪理论

[1~2]

a) 基于规则波的波浪载荷研究 基于规则波的方法又称为设计波法,它是根据平台结构工作海域的特点(水深、波高等),人为地选用一个波浪理论描述波浪的响应特征(水质点的速度、加速度等),然后利用一般的流体动力学方法计算波浪力(如Mor-ison公式)。这种方法计算简便,理论发展相对成熟,因此现仍经常为海洋工程设计采用,也是我国海上移动平台入级与建造规范中所规定的波浪力计算方法之一。但是由于它根据理想化的规则波计算波浪力,不能完全反映实际海况对平台的作用力。

b) 基于不规则波的波浪载荷研究 采用不规则波计算波浪载荷的方法是建立在统计特征上的,这种方法没有确定的波浪公式,而是把实际海面上的不规则波浪认为是由许多具有随机相位的简单波叠加而成,这种方法也已经成为海上平台规范中规定的方法之一。许多文献使用这种波浪流载荷模型进行结构动力响应的时域模拟,取得了良好的效果

[5~6]

[4]

海洋平台在建造和使用期间承受的环境载荷是由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷。波浪载荷是平台强度分析、结构设计与安全评估中一个非常重要的载荷之一,正确计算波浪载荷对结构安全性具有重要意义。由于海洋平台工作水深不同,结构受到的波浪载荷也不同,应选用不同的波浪理论进行计算。波浪理论的种类繁多,但在工程实际应用中,适用于不同水深范围的波浪理论有微幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理论、孤立波理论。在工程计算中应根据具体情况选择合适的波浪理论。

此外,还要考虑海洋工程结构尺寸,对于小结构物,波浪的拖曳力和惯性力是主要分量,波浪载荷用Morison公式计算;对于大结构物,波浪的惯性力和绕射力是主要分量,波浪载荷用线性绕射理论计算。本文分别从海洋平台的应用海域、不同类型的平台以及数值模拟3个方面综述了近年来的研究概况,并提出了今后研究方向的建议。

。这种模型的缺点是计算量过大,不利于在

工程中推广应用。

2.2 浅海沉垫式海洋平台

浅海沉垫式海洋平台是浅海域平台的一种主要形式。对这类平台的波浪载荷确定,工程上普遍的做法是采用线性的波浪理论来估算沉垫的受力,用Morrison公式估算平台脚柱的受力,二者之和即被认为是沉垫式海洋平台的总的波浪载荷;在沉垫受力的估算中,认为沉垫贴近海底,对波浪场的影响可以忽略,从而不考虑沉垫产生的绕射影响。这一近似在工程应用上无疑是方便的,但是,由于沉垫式海洋平台大都用于浅海域,与水深相比,沉垫的高度未必是小量,波浪的绕射影响可以是重要的;同样,在浅海域中,波浪的特性与深水波有实质性的差别,而且波高或沉垫高度与水深相比也未必是个小量,浅水影响和非线性影响也将是可观的。因此,目前通用的工程估算方法的近似程度仍然不清楚,缺乏足够的科学依据来确定以这种方法估计得到的波浪载荷的误差范围,这样也就难以判定这一方法的适用范围,亦即在何种参数范围内波高的非线性影响和浅水影响可以忽略。目前,研究人员普遍认为,即使浅水影响可以忽略,基于势流假定的线性或非线性波浪绕射理论也只是在物体总体受力的估算上是成

2 浅海海域平台的波浪载荷计算

在浅海区域波浪易破碎,波浪力具有强非线性特性,一般要应用非线性波浪理论,由于各种波浪理论都是在一定理论简化的基础上发展而来的,具有一定的适用范围。而且滩海海底由泥砂沉积而成,在波浪作用下,泥砂会悬浮在海水中,这种含泥砂的波浪对结构物的作用显然比无泥砂的波浪力大得多,一般的计算方法已不适用。马汝建等人应用椭圆余弦波理论、双曲波理论及孤立波理论计算了作用于直立桩柱上的波浪力,并在建波水槽中进行了波浪力及波压力实验研究,应用实验结果对传统的计算方法进行了修正,提出了静水面以上波压力的修正公式

Pc=Pt[1-a(e

-bz

[3]

-1)],

式中,Pt为理论波压力;a=1/(e-bGmax-1);b=15(m-1),为常数;Z=s-d为静水面以上的高度。2.1 自升式平台

自升式平台主要用于浅海作业,目前对作用于自升式平台的波浪流载荷的研究可以分为2大类。

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功的,要确定物体上的压力分布未必现实,这中间有粘性边界层的影响、流动分离和旋涡泄出的影响等[7]。

姚美旺等人[8]通过对海洋平台沉垫的波浪载荷试验研究分析,对规则波中平台沉垫总体波浪载荷和局部水动压力分布的情况进行了研究,定性地考察了非线性影响、浅水影响的重要性。

加速度的统计特性进行了预报。

该方法的主要思想是:

¹采用了纵切片以及常规的横切片法。º采用精密切片法(StrictStripMethod)计算波浪扰动力。

»根据试验结果以及三维计算结果,进行三维修正。

¼改进了横摇旋涡阻尼的计算方法,计入了三维及浅水影响。

3.3 半潜式平台

在风浪作用下,半潜式平台始终处于运动状态,因此对平台的载荷进行计算是一个非常复杂的动力问题,难以精确计算。目前普遍使用的方法是将动力问题转化为准静力问题来处理,从而在满足工程精度要求的前提下简化计算。波浪是一个随机的过程,而平台强度校核计算需要得到确定的结果,所以需要采取一定的分析方法对波浪载荷进行处理。目前的方法主要有谱分析法和设计波法,设计波法应用较多。设计波法是根据平台工作地区的环境条件和设计的要求,选取平台可能遇到的最大的波浪作为设计波,规范通常规定使用百年一遇的最大规则波,然后计算平台在设计波作用下的运动、载荷和构件应力,并根据规范的强度要求校核平台的结构安全性。

3.3.1 分析与选择

3 深海海域平台的波浪载荷计算

3.1 张力腿平台

随着人类石油勘探逐渐向深水领域扩展,涌现出一些新型的适应深海海洋环境的平台,其中张力腿平台是一种典型的深水海洋石油平台,以其半固定半顺应的运动特征在深水海洋石油工程中广为应用。在计算张力腿平台波浪载荷时可以将张力腿平台本体简化为大尺寸截头直立浮式柱群。张力腿平台本体的波浪载荷主要集中于这些浮式柱上。故浮式柱群载荷的计算是张力腿平台本体外载计算的关键问题。

对于一个在波浪场中微幅运动的大尺度结构物来说,波浪对于结构的载荷作用可以分解为波浪对结构的绕射作用和对结构的辐射作用2部分。考虑任一受结构物扰动后的波动场内,任一点的总速度势由2部分组成:未扰动的入射波速度势5I(x,y,z,t);结构物对入射波的散射速度势即散射波的速度势5s(x,y,z,t)。置于这样新波动场中的结构物必将受到这2种波浪速度势分量的共同作用。波动场中结构受到的波浪载荷可以采用有限元法、边界元法、平面波法等计算方法,但一般前2种方法计算复杂,花费时间多,胡志敏等人

[10]

[9]

对于小结构物,波浪的拖曳力和惯性力是主要分量,波浪载荷用Morison公式计算。对于大结构物,波浪的惯性力和绕射力是主要分量,波浪载荷用线性绕射理论计算。大型半潜式平台的波浪载荷计

算采取Morison公式和势流理论相结合的方法。但应用Morison方程和切片理论计算大尺度浮式结构物的波浪荷载是受到的。根据三维源汇分布理论,采取特定的Green函数和相应的面元数值方法,是三维物体在波浪中遭遇荷载与运动计算的基本方法。Wehausen和Laitone给出的振荡源势的数学描述,由于含有Bessel函数和Cauchy奇点的半无限区间积分,导致数值计算十分耗时。对于无限水深,Kim、Hearn、Nobless和Newman等分别给出了仅含有初等超越函数的单调的被积函数、Bessel和Struve函数等简化的源势解析表达式。

为了适应工程设计需要,将源势表达为有限积分、Bessel和Struve函数之和,并以Romberg积分和级数展开法进行数值计算,最后应用势流理论计算确定浮式结构物在波浪中运动的水动力系数、波

应用匹配渐进和

特征函数展开法得到流场速度势的半解析解,采用

改面波法计算了张力腿平台本体在不同参数组合下的绕射波浪载荷的解析解。

3.2 箱型浮体

为了研究箱型浮体在波浪上运动的计算方法,工程界提出了一种称为修正切片法的计算方法,这是在引入三维修正以及引用试验结果的基础上发展起来的方法,具有计算快,能达到工程计算精度要求的优点。该方法采用了纵切片以及常规的横切片法,可以进行六个自由度的运动计算,并改进了横摇旋涡阻尼的计算方法,计入了三维及浅水影响。

箱形浮体受不规则海浪扰动而产生的运动通常可以作为平稳的线性随机过程进行处理,陈晓莹

[11]

采用谱分析的方法对箱形浮体的海上运动及

张金平,等:海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议

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浪载荷以及运动响应[17]。

3.3.2 应用与发展

度分析时,关于平台波浪力的计算,采用了无限水深无航速脉动源格林函数来计算。该算法复杂,但是计算精度高,对边界的适应性很强,能给出平台表面的波浪力分布,适合平台整体结构有限元模型的加载。常用的计算方法主要有Morison方程法,切片法和三维格林函数法(边界元法)。Morison方程法是一种一维的经验公式法,计算简单,但精度相对较低,且只能给出平台各部分总的波浪力,不能给出平台表面的波浪力分布,不适合平台整体有限元模型。切片法计算能给出平台表面的波浪力分布,但是计算精度较低,只适用于细长体的计算,不适合半潜状态的平台的计算。它的算法复杂,但是计算精度高,对边界的适应性很强,能给出平台表面的波浪力分布,适合平台整体结构有限元模型的加载。

4.2.2 SESAM软件

王言英、李芳应用线性波理论和三维源汇分布方法,提出了大尺度浮式结构物在波浪中的水动力系数、波浪载荷以及运动响应的计算方法

[12]

。

中国船舶科学研究中心采用三维势流理论的计算方法及物体上任一点的运动、点的加速度、点的相对运动的计算公式对半潜式平台进行了计算,并发展了三维源汇分布方法计算程序,可用于计算船舶、半潜式平台等任意形状的三维物体在波浪中零航速条件下所受到的波浪力及运动,与国际上同类计算程序相比较,结果一致[13]。

4 数值模拟技术的应用

4.1 波浪载荷计算方法的发展

海洋结构物在波浪中的运动及其遭遇的环境荷载是设计与使用中的关键问题之一,是从事水动力和结构性能计算的重要先决条件。早期在海洋工程领域广泛应用的有Morison方程法,是建立在半经验半理论上的对于固定细长构件遭遇波浪荷载的一种行之有效的二维计算方法。近代由于海洋结构物尺度的大型化和形状的复杂化以及环境因素的极端化,建立在势流理论上的三维源汇分布法或Green函数法得以开发与应用。鉴于对高海况的关注,上述各种在频域中的计算分析方法的应用受到了,因而基于这些理论的时域直接计算方法也获得了发展机遇。在现行的船级社船舶设计规范中对一般的船舶与小尺度结构物的运动与荷载的计算,Morison方程法与切片法仍然是被推荐的计算方法。然而对于大型船舶与海洋平台的计算,有的设计规范已规定必须应用三维算法进行验证计算。实际上,二维方法通常可以用于方案设计或初步设计,三维方法则用于详细设计;对于组合结构海洋结构物的各组成部分,又可能根据其形状与流畅的不同分别应用相应的计算方法,最大限度地简化计算

[14]

在进行船舶及海洋工程的结构和流体动力分析时,DNV/SESAM综合程序系统是常用软件之一。SESAM的一大特点是功能模块化,不同的子程序模块分别完成模型建立、环境分析、结构分析、结果处理等功能。环境分析模块包括计算导管架下水的LAUNCH,计算船体波浪载荷的WAVESHIP,计算框架结构波浪载荷的WAJAC,计算一般结构波浪载荷的WADAM。WADAM全称为WaveAna-lysisbyDiffractionandMorisonTheory,指基于绕射和Morison理论的波浪分析,用于计算任意形状固定式或浮动式结构的波浪-结构相互作用,例如半潜式平台、张力腿平台、重力基结构等

4.2.3 数值模拟技术的新进展

[16~17]

。

由于ANSYS提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的PIPE59单元,可用于计算位于水中的圆管形构件的浮力、流力和波浪力的静载荷与动载荷[17]。海流和波浪载荷的施加由程序自动施加,只需在材料特性中的波流参数表中填入相应的参数值即可。ANSYS是进行水中构件为圆管形平台(例如,导管架平台

[19]

[18]

和钻井作业状态下的自升式

。

4.2 工程有限元软件的应用

平台环境载荷主要是波浪载荷,对海洋平台的波浪载荷计算可采用工程有限元软件,例如,DNV/SESAM中的WADAM模块,ANSYS/Multiphys-ics程序进行计算。

4.2.1 ANSYS有限元软件

平台)波浪力计算分析软件的一个新的选择。

模拟技术是处理随机海浪与建筑物相互作用的重要手段。目前,无论是物理模拟还是数值模拟,都是以海浪满足平稳随机过程条件得到的波谱为依据,不能代表天然海况,可采用小波能谱来实现。目前已有学者使用小波变换技术对随机海浪进行分析,用于波浪与建筑物相互作用方面的研究。现代科学技术的发展以学科交叉和新技术迅速在相关领域移植和发展为特征,可以预见,小波分析将在海

梁园华等人[15]采用ANSYS有限元程序对BINGO9000型半潜式钻井平台进行整体有限元强

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岸、海洋工程中广泛应用,推动该领域的新发展[20]。

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5 建议

1) 从理论分析和实验研究可以看出,深水波区完全可以由线性波和斯托克斯波理论进行计算;极浅水波区主要由椭圆余弦波和孤立波理论来计算;而浅水波区是一个复杂区域,几乎要采用所有波浪理论进行计算,只能用于/定性0的判断,还需进一步研究。

2) 对任意形状结构物的波浪力,只能采用三维源分布法、有线元法等效值计算方法求得近似的数值解答,还无法得出精确解,今后应在模型试验的基础上进一步加以研究、修改,完善相应的计算方法和相应的数学模型或发展新的方法。

3) 在数值模拟方面,目前主要采用计算机编程或应用工程软件,但不论采用线性波理论还是非线性波理论都是建立在某些假设的基础上,还无法真实模拟现场实际情况。而且工程软件中模型的建立也要经过适当的简化,今后应进一步加以完善或开发新的计算软件,使其更能真实反映实际海况。

4) 今后应重点研究时域分析方法、超大型海洋结构物的流固耦合机理以及深水中物理模拟与数值模拟相结合的计算分析方法。

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(吴月先)