1、基 于SESAM的半潜式平台水动力响应分析陶 旭 ，李 英*（天津大学 建筑工程学院 ，天津 300072）摘 要 ： 根据三维势流理论 ， 应用 SESAM 软件对国内某海域半潜式平台的水动力性能进行了研究 。 分析了目标平台在频域下的附加质量系数 、阻尼系数 ，以及运动响应幅值 （RAO）等一系列水动力参数 ，并研究了粘性阻尼对半潜式平台 RAO 的影响 。 结果表明 ，粘性阻尼对半潜式平台运动响应幅值有很大的影响 ，研究水动力性能时不能忽略 。关键词 ： 半潜式平台 ；水动力响应 ；SESAM；势流理论中图分类号 ：O352 文献标志码 ：A 文章编号 ：1003-2029（2015）0
2、6-0091-05收稿日期： 2015-03-24基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划）资助项目（ 2014CB046802）作者简介： 陶旭（ 1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为海洋浮式平台设计分析 。E-mail: taoxu_通讯作者： 李英（ 1975-），女，博士，副研究员，主要从事深海结构物设计研究 。E-mail： 近年来，为了获取更丰富的能量资源，深水和超深水海域的油气资源正成为各国竞相开发的热点 。具有抗风浪能力强 、水线面面积小 、甲板面积和可变载荷大等优点的半潜式平台已逐渐在深水油气开发中得到广泛应用1。因此，研究半潜式平台的总体水动力性能具有十
3、分重要的意义 。对半潜式平台水动力性能的研究主要有以下三种方法2-5：基于Morison 公式的计算方法 、基于二维势流理论的计算方法以及基于三维势流理论的计算方法 。目前，普遍采用的数值预报方法是以三维势流理论为主，包括频域计算分析或时域计算分析，并辅以 Morison理论进行粘性修正6。本文结合具体海况以及既有技术资料，选取一座工作水深为 200 m 的我国半潜式平台为研究对象，利用 SESAM 软件对目标平台进行数值计算，得到了目标平台在各个波浪频率下的附加质量系数和阻尼系数，以及各个波浪频率和不同浪向下的运动响应幅值（ RAO）等水动力参数，组成了频域下的水动力参数数据库 。1 目标平
4、台基础参数本文的目标平台由 1 座箱式甲板 、6 根大型立柱 、1 座高大井架和 2 只潜艇式沉垫组成 。工作水深为 200 m。表 1 是其主要参数 。本文针对目标平台操作工况进行水动力特性研究 。其操作工况下目标平台的状态参数如表 2 所示 。2 水动力响应计算基本理论三维势流理论是研究半潜式平台水动力性能表 1 目标平台主要参数平台参数 尺寸 /m总长 91总宽 71主甲板高 30沉垫尺度 90146立柱直径 准9立柱横向间距 50立柱纵向间距 31撑杆直径 1 准2撑杆直径 2 准1.5表 2 操作工况参数吃水 /m 总重量 /kg重心位置 /m 惯性半径 /mx y z x y z2
5、0 25 493 790 0 0 15.367 26.5 30.0 33.9第 34 卷 第 6 期2015 年 12 月海 洋 技 术 学 报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYVol. 34，No.6Dec，2015第 34 卷海 洋 技 术 学 报的主要方法之一，也是本文计算软件 SESAM 进行水动力计算的理论基础 。三维势流理论可用于计算零航速大尺度结构物的一阶波浪载荷 。当入射波浪与大尺度结构物相互作用时，对于具有软连接（由系泊线连接到海底）的浮体来说，波浪场的速度势可以分解为入射势 、辐射势和绕射势三部分，如式（ 1）所示：(1)(x,y,z)=(1)I(x,y
6、,z)+(1)D(x,y,z)+(1)R(x,y,z) （ 1）式中： (1)I表示一阶入射势； (1)D表示一阶绕射势； (1)R表示一阶辐射势 。假设海洋结构物附近流域内的流体为理想流体，即无粘 、无旋 、有势，则波浪场速度势的求解问题可以简化为求解具有相应流体边界条件的Laplace 方程 。对于海洋工程中非规则形状结构物的波浪场计算，需要采用数值方法实现，通常利用边界元法计算大尺度结构物在规则波中的线性波频响应 。具体的计算过程如下7：（ 1）将船体湿表面划分成若干网格，组成若干面元，基于源汇分布法，假设每个面元上分布等强度的面源；（ 2）结合 Laplace 方程及辐射势和绕射势的边
7、界条件求解面源的强度；（ 3）将面源的强度沿湿表面网格积分，分别计算辐射势及绕射势，从而确定流场内的速度势 。3 水动力响应数值计算依据目标平台的主要尺度利用 SESAM 软件的GeniE 模块建立了目标平台的湿表面模型 。网格划分的粗细对分析结果的准确度有着重要影响，设置好网格单元的尺度或数量， GeniE 可以自动对结构进行有限元划分8。考虑到计算时间和计算质量以及用于有限元计算的计算机性能，此目标平台的撑杆结构单元尺度设置为 1.5 m；中间两根立柱下部结构的单元尺度设置为 1 m；下附体与附加浮体之间的连接结构的单元尺度设置为 0.6m；其余结构的单元尺度均设置为 2.5 m。目标平台
8、的湿表面模型如图 1 所示 。将目标平台的湿表面模型通过生成 T1.FEM 文件导入 SESAM 软件的 HydroD 模块进行水动力计算，得到以下水动力参数 。3.1 附加质量系数和阻尼系数附加质量和阻尼载荷是刚体（船舶或海洋结构物）强迫简谐运动的稳态水动力和力矩 。没有入射波，然而物体的强迫运动兴起了向外扩散的波浪，并在物面上产生振荡的流体压力 。对物面上的流体压力进行积分得到物体上的力和力矩 。定义 x， y， z 方向力的分量为 F1， F2， F3；绕同一个轴向的力矩分量为 F4， F5， F6。根据三维势流理论，从辐射速度势和 Bernoulli 方程可以推导出在简谐运动模态 j下
9、的附连质量和阻尼载荷有式（ 2）形式：Fk=-Akjd2jdt2-Bkjdjdt（ 2）式中： Akj和 Bkj被定义为附加质量系数和阻尼系数 。3.1.1 附加质量系数 附加质量系数为一个 66矩阵，本文分析对目标平台水动力性能起主要作用的主对角线上的 6 个值 。附加质量矩阵的主对角线系数如图 2 所示：图 1 半潜式平台湿表面模型(b) 横摇 、纵摇 、艏摇附加质量系数图 2 附加质量系数(a) 纵荡 、横荡 、垂荡附加质量系数波周期 /s附加质量附加质量/kg纵荡横荡垂荡波周期 /s附加质量附加质量系数/kgm2横摇纵摇艏摇ZYX92从 图 2 可以看到 6 个自由度的附加质量系数在波
10、浪频率处于 510 s 时变化剧烈，而当波浪为低频和高频时附加质量系数变化不大 。3.1.2 阻尼系数 同附加质量系数一样，阻尼系数也为一个 66 矩阵，同样分析对目标平台水动力性能起主要作用的主对角线上的 6 个值 。阻尼矩阵的主对角线系数如图 3 所示 :从图 3 可以看到 6 个自由度上的阻尼系数同样在波浪频率处于 510 s 时变化剧烈，但与附加质量系数不同的是阻尼系数在波浪处于低频和高频时有趋于 0 的特点 。3.2 运动响应幅值（ RAO）对于半潜式平台的水动力分析，我们最关心纵摇 、横摇及垂荡这三个方向的性能9。平台纵摇 、横摇及垂荡自由度的运动响应 RAO 如图 4 所示 。由
11、图 4 的计算结果，可以看到平台垂荡响应的固有周期较大 。通过读取数据得到垂荡响应的固有周期为 24 s。而常规波浪周期范围集中在 614 s，垂荡响应固有周期在常规波浪周期范围之外，可见此平台具有较好的垂荡性能 。且对于垂荡响应 RAO曲线来说，不同入射波浪方向上的 RAO 曲线基本重合，表明入射波方向对垂荡方向上的运动响应影响作用不大 。在入射波浪方向为 90，波浪周期为24 s 时，垂荡响应峰值为 9.617 m/m。对于纵摇和横摇响应来说，其频率覆盖了整个波频区，而在高频区和低频区较少 。对于纵摇方向上的运动响应RAO，当波浪周期处于 28 s, 波浪 75入射时纵摇运动响应较大 。而
12、当波浪周期大于 8 s 后，波浪 0入射时的纵摇响应较大，在波浪周期为 10.5 s 时，出现峰值为 32.934/m。对于横摇方向上的运动响应RAO，波浪入射方向为 90的横摇响应 RAO 较大 。在波浪周期为 10.5 s 时，横摇响应出现峰值为39.208/m。3.3 加入垂向临界阻尼后的垂荡运动响应结果对比分析本文采用势流理论进行计算，忽略了粘性力部分 。所以在结果分析中，可以看到目标平台运动响(b) 横摇 、纵摇 、艏摇阻尼系数图 3 阻尼系数(a) 纵荡 、横荡 、垂荡阻尼系数波周期 /s势流阻尼阻尼系数/kgms-1势流阻尼波周期 /s阻尼系数/kgm2 s-1纵荡横荡垂荡横摇纵
13、摇艏摇（ c）垂荡响应 RAO图 4 纵摇 、横摇 、垂荡方向的运动响应 RAO（ a）纵摇响应 RAO（ b）横摇响应 RAO波周期 /s波周期 /s波周期 /sRAO(纵摇 )纵摇幅值/()/mRAO(横摇 )横摇幅值/()/m垂荡幅值/m/mRAO(垂荡 )陶 旭 ，等 ：基于 SESAM 的半潜式平台水动力响应分析第 6 期93第 34 卷海 洋 技 术 学 报应 RAO 的峰值很大，显然与工程实际情况不符 。面对这种情况，一般会有两种方式来解决该问题10：（ 1）用 Morison 公式计算模拟浮体运动的粘性阻尼；（ 2）通过经验或者试验结果人为输入运动的粘性阻尼 。本文以半潜平台最
14、关心的垂荡响应为例，采用定义临界阻尼百分比的方法，估算垂直自由度方向上的粘性阻尼 。阻尼比通常取 2%7%11。在本文的计算中，定义阻尼比为 7%。图 5(a)为操作工况下未加入垂向临界阻尼时的垂荡响应 RAO 曲线；图 5(b)为操作工况下加入垂向临界阻尼后的垂荡响应 RAO 曲线 。图 5 垂荡方向运动响应 RAO 对比(a) 未加入垂向临界阻尼 (b) 加入垂向临界阻尼波周期 /sRAO(垂荡 )垂荡幅值/m/m波周期 /s垂荡幅值/m/m从上述两图的比较中，可以看到未加临界阻尼的垂荡响应 RAO 曲线的峰值为 9.617 m/m，而加入临界阻尼后的垂荡响应 RAO 曲线峰值仅为上述的1
15、/9 倍，即 1.532 m/m，可见粘性力在平台固有周期附近对响应幅值起到的重要作用，若忽略粘性影响结果会产生很大偏差 。4 结 论本文结合具体海况以及既有技术资料，根据三维势流理论的计算方法利用 SESAM 软件，对半潜式平台的水动力响应进行了研究，计算得到了我国某海域半潜式平台频域下的一系列水动力参数 。值得注意的是，粘性力对半潜式平台垂荡方向上的运动响应 RAO 值影响很大 。为了使所得数据与真实情况更加符合，本文加入垂向临界阻尼来更好地模拟实际情况，并与未加入垂向临界阻尼的结果进行了对比分析，说明了粘性影响的重要性，进一步表明了研究半潜式平台水动力性能时辅以粘性修正的必要性 。参考文
16、献：1 陈鹏 , 马骏 , 黄进浩 , 等 . 基于 AQWA的半潜式平台水动力分析及系泊性能计算分析 J. 船海工程 , 2013, 42(3): 44-47.2 Hooft J P. A Mathematical Method of Determining Hydrodynamic Induced Forces on a Semisubmersible J.Transaction-Society ofNaval Architects and Marine Engineers， 1971, 79:28-70.3 陈新权 .深海半潜式平台初步设计中的若干关键问题研究 D.上海：上海交通大学，
17、2007.4 董燕秋 ,杨春晖 .波流联合作用场中流的等效作用研究 J. 海洋学报 ,1994， 21（ 4） :106-113.5 Newmann J N.周树国 ,译 . 船舶流体动力学 M.北京 :人民交通出版社 ,1986.6 杨立军 , 肖龙飞 , 杨建民 . 半潜式平台水动力性能研究 J. 中国海洋平台 , 2009, 24(1): 1-9.7 渠基顺 , 管义锋 , 卢燕祥 . 基于 SESAM的导管架平台结构动力响应分析 J. 江苏船舶 , 2013,30(1): 1-5.8 聂武 ,刘玉秋 . 海洋工程结构动力分析 M.哈尔滨 :哈尔滨工程大学出版社 ,2002:14-132
18、.9 施峰 . 半潜式海洋平台水动力性能初步研究 D. 镇江 :江苏科技大学 , 2010.10 王俊荣 , 谢彬 . 半潜式平台水动力性能及运动响应研究综述 J. 中国造船 , 2009, 50(A11): 255-261.11 白艳彬 , 刘俊 , 薛鸿祥 , 等 . 深水半潜式钻井平台总体强度分析 J. 中国海洋平台 , 2010, 25(2): 22-27.RAO(垂荡 )94Analysis on the Hydrodynamic Performance of the Semi-SubmersiblePlatform Based on SESAMTAO Xu, LI YingScho
19、ol of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract：Based on the three-dimensional potential fluid theory, the SESAM software from DNV is used toanalyze the hydrodynamic behavior of a domestic semi -submersible platform. Through analysis, a series ofhydrodynamic parameters of
20、the target platform under the frequency domain are obtained, including additionalmass and damping coefficients as well as response amplitude operator (RAO). In addition, the influence of viscousdamping on the RAO of the semi-submersible platform is investigated, which shows that the viscous force hassignificant effect on the hydrodynamic behavior of semi-submersibles and should not be ignored in the studywork.Key words：semi-submersible platform; hydrodynamic behavior; SESAM; potential theory陶 旭 ，等 ：基于 SESAM 的半潜式平台水动力响应分析第 6 期95
