余骁;王允;李慧
【摘 要】为比较软刚臂单点系泊系统系泊力计算中的两种不同方法,运用ANSYS-AQWA软件,基于三维势流理论基础,应用源汇分布法,分别采用频域和时域方法,计算某FPSO的运动响应和系泊力,讨论了两种方法的优缺点.频域方法基于准静态,按照CCS规范进行,方法简单,误差较大,适用于初步方案设计阶段;时域动态方法基于多体动力学,充分考虑系泊系统的结构形式及其动力项对FPSO运动性能的影响,对FPSO及系泊系统进行耦合分析,能更好的预报系统的运动响应和系泊力,适宜在详细设计阶段使用.%In order to compare the two different methods of mooring force calculation for the single point mooring system of soft yoke,based on three-dimensional potential flow theory and source-sink distribution method,the motion response and mooring force of one FPSO was calculated in ANSYS-AQWA,by using frequency domain and time domain methods respectively.It was shown that the frequency domain method,which is based on quasi-static method,is suitable for the stage of preliminary design because of simple method but inaccurate.The method of time domain,w hich is based on multi-body dynamic analysis,can fully consider the specific format of mooring system and the influence of dynamic term on motion performance of the FPSO to analyze the FPSO and soft yoke coupling system.It can give a better prediction of the motion response and mooring force of the system. Therefore,it is suitable for the stage of detailed design.
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2018(047)001
【总页数】5页(P129-132,136)
【关键词】单点系泊;软刚臂;频域计算;时域计算
【作 者】余骁;王允;李慧
【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉430064
【正文语种】中 文
【中图分类】U661.7
浮式生产储油船(FPSO)以其投产快、投资低、适应水深范围广、储油能力大以及应用灵活等优势被广泛应用于浅海、深海及边际油田的开采[1]。在船舶系泊方面，目前国外系泊产品大部分采用单点系泊系统。国内共有单点系泊系统20多套，主要与FPSO配套使用。软刚臂式单点系泊系统由于结构简单，工作安全可靠，维修工作量少，环境适应性较强，便于解脱等优点，在渤海海域FPSO系泊系统中得到了广泛应用。渤海油田FPSO软刚臂单点系泊系统共计7套，其中3套是由SBM公司制造，均采用水上软刚臂结构形式[2]。
此前，有不少关于软刚臂单点系泊系统系泊力计算的研究。早期系泊力的计算都是采用CCS规范中介绍的准静态方法，即计算定常力、一阶波浪力、二阶波浪力，线性叠加得到总的系泊力。准静态系泊力计算的局限性较大，后来发展成采用单根弹簧(锚链)模拟软刚臂，保证系统刚度与实际刚度相同，计算FPSO的运动和受力[4]。单根弹簧简化模型不考虑三维结构，同样不够准确。现在一般都是建立软刚臂三维模型模拟实际系泊结构，采用时域耦合方法计算系统的受力和运动情况[5- 6]。目前还没有人比较过准静态方法和时域方
法的优缺点及误差情况。
软刚臂单点系泊系统系泊性能的计算极为关键，直接影响到系泊支架、系泊刚臂以及导管架等结构件的设计，是单点系泊系统设计的基础。传统计算方法是基于准静态的频域计算，具有一定的局限性。在此情况下很有必要研究准静态方法与动态时域方法的差别、精度及适用情况等。
1 理论概述
1.1 系泊船运动
单点系泊FPSO在迎浪不规则波中的运动主要包括一阶波频运动和二阶低频纵荡运动。对于一阶波浪力，其谱密度函数可直接根据波浪谱密度函数S(ω)和波频运动传递函数|Hx(ω)|计算得到[3]
Sx(ω)=|Hx(ω)|2S(ω)
(1)
对于二阶波浪力，其谱密度函数计算公式为
SF(μ)=8S(ω+μ)S(ω)T2(ω+μ,ω)dω
(2)
式中：SF(μ)为波漂力谱；μ为差频；S(ω)为波浪谱密度函数；T(ω+μ,ω)为波漂力幅的二次传递函数(QTF)。
平均波漂力可由波浪谱密度函数S(ω)和平均波漂力二次传递函数T(ω,ω)计算得到：
(3)
系泊船低频纵荡运动的最大值可按下式计算。
(4)
(5)
式中：σxl为低频纵荡运动标准差；C11为系统平均刚度；b为总线性化阻尼；SF(μc)为波
漂力谱；Xmax,lf为低频纵荡最大偏移；N为振荡次数。
1.2 多体耦合时域运动方程
综合考虑风、浪、流以及单点系泊系统回复力的联合作用，FPSO的时域运动方程为[5- 6]
(6)
式中：M为FPSO的质量矩阵；A(∞)为最大计算频率对应的附连水质量矩阵；r(t)为辐射阻尼的脉冲响应函数矩阵，附连水质量、辐射阻尼系数均采用三维势流理论应用源汇分布方法计算得到；D为FPSO慢漂阻尼矩阵；K为FPSO静水回复力刚度矩阵；F(1,2)(t)为一阶、二阶波浪载荷；Fw(t)、Fc(t)分别为风流载荷；FSPM(t)为单点系泊系统提供的回复力。
在不规则波浪下，作用于结构物上的瞬时波浪力可以写为
F(1,2)(t)=F(1)(t)+F(2)(t)
(7)
F(1)(t)=h(t-τ)η(τ)dτ
(8)
[(ωj-ωk)t-εj-εk]}
(9)
式中：F(1)(t)为作用在FPSO上的一阶波浪力；η(τ)为海浪的随机波面升高的时域历程；h(t)为脉冲响应函数，由一阶波浪力传递函数通过傅里叶变换得到，即
fω(ω)=h(t)e-iwtdt
(10)
(11)
若已知整个频率范围内的fω(ω)，即可按上式求得h(t)，然后按波浪时历η(τ)，根据式(10)求得一阶波浪力。
F(2)(t)为二阶波浪力，Aj、Ak为双波幅值，ωj、ωk为双波的不同频率，εj、εk为随机
相位角，和分别为频域内FPSO在不同浪向不同频率下的二阶差频波浪载荷传递函数的实部和虚部[7- 8]。
FPSO与系泊刚臂通过位于船艏的系泊支架和系泊腿进行连接，系泊腿与系泊刚臂通过两个万向节和一个旋转接头进行连接。系泊腿作为中间结构，由于受风面积小，风载荷可以忽略，其时域运动方程为
(12)
式中：mp为系泊腿质量矩阵；Kp为考虑结构之间相互影响的12×12的耦合刚度矩阵。
1.3 风、流载荷计算
风流载荷可以根据OCIMF(Oil Company International Marine Forum)规范给出的VLCC所受风、流载荷经验公式及其模型试验所得系数进行计算[9- 10]。
风载荷计算公式为
(13)
式中：CXW、CYW、CXYW分别表示纵向风力系数、横向风力系数以及首摇风力矩系数；ρW为空气密度；VW为海平面10 m处风速；AT为艏向受风面积；AL为侧向受风面积；LBP为垂线间长。
流载荷计算公式为：
(14)
式中：CXC、CYC、CXYC分别表示纵向流力系数、横向流力系数以及艏摇流力矩系数；ρC为海水密度；VC为吃水范围内的平均流速；T为平均吃水；LBP为垂线间长。
由于三维势流理论不考虑粘性作用，只能得到附体的势流阻尼，低频运动阻尼对于单点系泊FPSO低频纵荡运动而言，至关重要[11]。本文根据BV船级社的经验公式计算低频运动阻尼[12]。
Bφφ=0.083×L2Byy
(15)
式中：Bxx为低频纵荡阻尼；Byy为低频横荡阻尼；Bφφ为低频艏摇阻尼；L为船长；B为船宽。
2 环境条件与耦合模型建立
2.1 FPSO主尺度及海洋环境条件参数
计算模型主要参数如表1所示。
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