马一歌;李艳艳;郭鹏增
【摘 要】大丰海上风电升压站项目导管架滑移装船时,驳船受到风力、 流力及海浪综合作用,且导管架到达甲板预定位置后驳船受风、 浪、 流影响最大,故需对此时驳船系泊情况进行分析.利用ANSYS软件建立驳船多点系泊三维模型,输入风、 浪、 流数据参数,采用面元积分法在AQWA-LINE模块中对船体进行频域分析,得到RAO、 一阶波浪力和二阶波浪力等水动力基本参数,然后在AQWA-DRIFT模块中对驳船靠泊的系泊系统进行时域分析,求解系泊缆张力及驳船漂移量,对系泊缆强度的安全性进行规范校核,确保装船过程中系泊强度. 【期刊名称】《石油工程建设》
【年(卷),期】2019(045)002
【总页数】6页(P40-45)
【关键词】ANSYS;多点系泊;面元积分法;频域分析;时域分析
【作 者】马一歌;李艳艳;郭鹏增
【作者单位】北京市海淀区精华学校, 北京 100096;中国石油集团海洋工程有限公司, 山东青岛 266000;中国石油集团海洋工程有限公司, 山东青岛 266000
【正文语种】中 文
华能江苏大丰海上风电升压站导管架采用4腿导管架型式，上设靠船构件、登船平台、J 型电缆护管等附属构件。导管架为30.18m×22.68 m×17.1m（高）的空间桁架结构，总质量约920 t。本工程拟采用滑移方式将导管架装船，运输驳船选用15 000 t 级甲板货船，船长125 m，型宽25 m，型深7.5 m，干舷高度2.5 m。
驳船码头系泊时虽然通过缆绳与码头连接固定，但其仍可以随着潮汐、货物的装载卸载等做升沉运动，同时由于风、水流、波浪等外在环境因素作用而产生振荡，包括6个自由度的运动（纵移、横移、升沉、横摇、纵摇、回转）[1]。由外海传来的波浪或附近船舶航行兴起的波浪会使船舶产生较大幅度的运动，严重时会影响装卸作业，延长驳船靠岸时间，增加成本，甚至会发生断缆等严重事故。此外船舶运动中对码头的碰撞将影响其结构强度和
码头稳定性。由于本项目选择的船舶船型大，自身锚机能力不足，需要增加卷扬机系统加强驳船系泊强度，故需要进行针对性的系泊设计及船舶系泊状态计算分析，且导管架到达甲板预定位置后驳船受风、浪、流影响最大，故本文针对导管架滑移到位后驳船系泊进行分析，以确保导管架滑移装船作业期间船舶系泊稳定可靠，保证作业安全。
1 环境荷载分析
项目所在海域施工时段情况的环境条件见表1。
表1 施工环境风浪流参数风浪流风速八级（蒲氏风级）有义波高Hs=0.8 m谱峰周期范围Tp=3.2 ～4.9 s流速1.5 节
1.1 风力分析
浦东高桥镇小学根据中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》[2]第二章第二节，风压按下式计算：
式中：P 为风压，kPa；V 为设计风速，m/s。
根据《海上移动平台入级与建造规范》，作用在构件上的风载荷由下式计算：
式中：F 为风荷载，kN；S 为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积，m2；Ch 为高度系数；Cs 为形状系数。
本项目中导管架安置于驳船上时，沿两个水平方向的投影面积如图1 所示，其中X 轴方向为驳船长度方向，Y 轴方向为驳船宽度方向。
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图1 导管架安置于驳船上时的投影面积示意
根据所给参数，可得风荷载体型系数（见表2）。
表2 X及Y方向风载荷体型系数注：风压系数P0 按照设计风速V=1 m/s，通过式（1）计算得到。明细面积S/m2 Cs Ch 风压系数P0风载荷体型系数F0 X方向导管架273.4 1 1.1 0.613 184.354船体375 1 1 0.613 229.875总体648.4 414.229 Y方向导管架205.9 1 1.1 0.613 138.838船体105 1 1 0.613 64.365总体310.9 203.203
由X、Y 方向的风荷载可求得在风向下船体受到的合力。根据API RP 2SK[3]，随机方向下的风载荷可用下式进行求解：
式中：φ 为风载荷方向；Fφ 为在该风载荷方向下的力；Fx 为X 方向下的力；Fy 为Y 方向下的力。
在求得任意方向下的风力后，并沿X 及Y 方向分解，如下式所示：
式中：Fφx、Fφy 为该风载荷在X、Y 方向的分力。
通过上式计算，可得在0°～90°风向时X 及Y 方向的风载荷体型系数（见表3）。
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表3 0°～90°风向时船体及导管架风载荷体型系数角度φ/（°）0 15 30 45 60 75 90 X 方向179.9 173.6 154.2 119.9 71.94 22.8 0 Y 方向0 45.1 143.7 239.4 307.8 346.7 359.2
1.2 海流力计算
根据《海上移动平台入级与建造规范》第二章第四节，当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的海流载荷可按下式计算：
式中：F 为海流荷载，kN；ρw 为海水密度，kg/m3；V 为设计海流流速，m/s；A 为构件在与流速垂直平面上的投影面积，m2；CD 为拖曳力系数，属于经验系数，一般应与波浪
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运动学理论相配合。在波动流中，CD 不仅与雷诺数Re 和构件表面相对粗糙度有关，还与库尔根-卡培数KC 有关，此处根据DNV-RP-C205[4]，CD 取1.9。
2 系泊系统设计
针对驳船靠泊码头，需要避开单点系泊，采用浮式海洋平台中的成熟的多点系泊，减少系泊定位建造成本。采用8 缆布置设计，如图2 所示，其中L-5、L-6、L-7、L-8 与L-1、L-2、L-3、L-4 系泊点和锚点坐标关于X 轴对称，系泊缆参数见表4。
图2 驳船系泊系统
表4 系泊缆参数系泊缆缆绳材质长度/m与船轴线夹角/（°）缆绳截面积/m2弹性模量/Pa泊松比L-1、5尼龙缆147 13 2.83×10-3 8.3×109 0.28 L-2、6钢丝缆141 7 2.29×10-3 2.06×1011 0.3 L-3、7钢丝缆32 85 2.29×10-3 2.06×1011 0.3 L-4、8尼龙缆7.5 74 2.83×10-3 8.3×109 0.28
3 有限元模型客户经理制
在ANSYS 模块中建立驳船靠泊码头模型，采用面元积分法在AQWA-LINE 模块中对船体进行频域分析，得到RAO、一阶波浪力和二阶波浪力等水动力基本参数，最终在AQWA-DRIFT 模块中对驳船靠泊的系泊系统进行时域分析，求解系泊缆动张力及平台漂移量情况，同时对系泊缆强度的安全性进行规范校核。驳船的静水力参数：设计吃水5.0 m，型深7.5 m。
在ANSYS 中进行建模，采用4 节点四边形单元进行有限元模型划分，驳船网格密度1.0 m，码头网格密度3.0 m。混凝土码头为C35 钢筋混凝土结构，弹性模量3.15×1010 Pa，泊松比0.3；船体为DH36 钢结构，弹性模量2.06×1011 Pa，泊松比0.3。模拟时设置码头远离船体的三个侧面位移为0，码头系缆柱与码头相对位置为0。坐标系为右手坐标系。
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