基于半環(huán)柔性連接的vlcb進(jìn)船通道模型試驗(yàn)研究

基于半環(huán)柔性連接的vlcb進(jìn)船通道模型試驗(yàn)研究

0浮體的運(yùn)動(dòng)方程南海深水區(qū)油氣資源豐富，遠(yuǎn)離大陸，環(huán)境惡劣。為了解決探測(cè)和開(kāi)采過(guò)程中的后勤救援、人員安全保障和人員配置安全以及靠近海洋水域的困難，建立了新型高速浮動(dòng)式海上基地（vlfob）的想法。為了實(shí)現(xiàn)工程船避風(fēng)靠泊的功能,新型VLFOB采用了多個(gè)模塊組成的環(huán)形港灣結(jié)構(gòu)型式,每個(gè)模塊上安裝了消波性能良好的消浪室結(jié)構(gòu),還設(shè)置了通道供工程船出入。在進(jìn)船作業(yè)時(shí),通道完全打開(kāi),兩個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)通過(guò)多根只能承受拉力的纜繩柔性連接,形成一個(gè)雙浮體系統(tǒng)。在一定條件下,兩半環(huán)間相互作用水動(dòng)力系數(shù)與自身水動(dòng)力系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上,甚至?xí)l(fā)生共振現(xiàn)象。余建星等應(yīng)用三維勢(shì)流理論直接求解浮體間相互作用,得到移動(dòng)式海岸卸載系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng);S.K.Chakrabarti[將三維勢(shì)流理論和圓柱體間多重散射的求解方法相結(jié)合,大大提升了計(jì)算效率。這些研究均局限在頻域范圍內(nèi),并且都采用了線性彈簧模型來(lái)模擬連接器。陳徐均等用一種簡(jiǎn)化的時(shí)域方法,預(yù)報(bào)了用纜繩柔性連接的“口”字形六浮體系統(tǒng)在不規(guī)則波浪中的運(yùn)動(dòng)和錨泊力,但并未給出纜繩的連接力。新型VLFOB采用了開(kāi)孔消浪室結(jié)構(gòu),與波浪的相互作用更加復(fù)雜;進(jìn)船作業(yè)時(shí),兩半環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使纜繩遭受較大的脈沖載荷,給數(shù)值模擬帶來(lái)了諸多困難。在模型試驗(yàn)對(duì)新型VLFOB的進(jìn)船作業(yè)水動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)了通道寬度變化與連接力的基本規(guī)律,并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了進(jìn)船通道的開(kāi)閉對(duì)VLFOB動(dòng)力特性的影響。1系泊纜的設(shè)備安排新型VLFOB是由8個(gè)相同弧形單體模塊相互連接而形成的環(huán)形港灣式結(jié)構(gòu),單體模塊由上箱體、下箱體、立柱和消浪室組成(如圖1所示)。它的外圍直徑達(dá)到400m,型深185m,設(shè)計(jì)吃水150m,排水量129萬(wàn)噸,通過(guò)48根鏈-纜-鏈三段組合型式的張緊式系泊纜定位于2000m水深的海底,主要附屬設(shè)施有生活樓、吊機(jī)、直升機(jī)升降平臺(tái)、靠船件、錨機(jī)和系泊纜等,可實(shí)現(xiàn)直升機(jī)升降、工程船?？亢捅茱L(fēng)、物資存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)、人員安置等功能。該VLFOB設(shè)置了可開(kāi)閉的進(jìn)船通道,通道處的單體模塊間采用可分離式連接裝置連接,上、下箱體間分別設(shè)置了兩排(每排5個(gè)),共計(jì)20個(gè)可分離式連接裝置,立柱中部設(shè)置了單排4個(gè)可分離式連接裝置,其它模塊間采用剛性固定式連接裝置連接。可分離式連接裝置是由套筒、主軸、主軸卡子和纜繩組成。全環(huán)作業(yè)時(shí),主軸與套筒間通過(guò)主軸卡子鎖緊,處于剛性固定連接狀態(tài),VLFOB是各單體模塊間剛性連接的環(huán)形結(jié)構(gòu);進(jìn)船作業(yè)時(shí),主軸卡子松開(kāi),主軸與套筒分離,中間通過(guò)纜繩連接,VLFOB分離成前、后兩個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu),之間形成50m寬的進(jìn)船通道(如圖2所示)。2非織造材料的vlfab全環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)中采取縮尺比:λ=80。先準(zhǔn)確模擬各單體模塊的重量屬性,再組裝成VLFOB的半環(huán)模型和全環(huán)模型,單體模塊、VLFOB半環(huán)和VLFOB全環(huán)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。在試驗(yàn)中,風(fēng)浪流組合海況包括設(shè)計(jì)進(jìn)船海況和南海一年一遇海況(參數(shù)見(jiàn)表2)。不規(guī)則波采用JON-SWAP譜,表中Hs為有義波高,Tp為譜峰周期,γ為譜峰因子,Vw為海上10m處風(fēng)速,Vc為表層流速。試驗(yàn)水深為10m。在水平系泊下,對(duì)VLFOB單個(gè)半環(huán)進(jìn)行了白噪聲試驗(yàn);在水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)下,對(duì)VLFOB進(jìn)船作業(yè)工況進(jìn)行了白噪聲試驗(yàn)和風(fēng)浪流組合海況試驗(yàn);用作對(duì)比,在水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)下,對(duì)VLFOB全環(huán)進(jìn)行了風(fēng)浪流組合海況試驗(yàn),波浪試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。VLFOB原系泊系統(tǒng)由每組6根、共8組系泊纜組成,通過(guò)基于靜力相似的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì),將其中7組系泊纜簡(jiǎn)化為每組2根,另外一組系泊纜仍然采用6根。該水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)由20根系泊纜組成,其水平、垂向回復(fù)力與全水深系泊系統(tǒng)一致(如圖3所示)。VLFOB全環(huán)試驗(yàn)的浪向定義如圖4所示。進(jìn)船作業(yè)工況,VLFOB分離成前、后兩個(gè)半環(huán),浪向定義(如圖5所示)。圖4～圖5中,OXY為大地坐標(biāo)系,各浮體的參考坐標(biāo)系不同,但靜止時(shí)的方向與大地坐標(biāo)系平行。3結(jié)果和分析3.1靜水衰減特性分析在自由漂浮狀態(tài)下,進(jìn)行VLFOB半環(huán)的靜水衰減試驗(yàn),分析得到其垂蕩、橫搖、縱搖的固有周期和阻尼系數(shù);在水深截?cái)嘞挡?、進(jìn)船作業(yè)工況下,對(duì)VLFOB的半環(huán)進(jìn)行靜水衰減試驗(yàn),分析得到其六自由度運(yùn)動(dòng)的固有周期和無(wú)因次阻尼系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表5。在水深截?cái)嘞挡础⑦M(jìn)船作業(yè)工況下,VLTOB半環(huán)的縱蕩、橫蕩、首搖固有周期都非常大,垂蕩、橫搖、縱搖固有周期相對(duì)較小,但都避開(kāi)了常見(jiàn)的波浪周期。與自由漂浮狀態(tài)相比,進(jìn)船作業(yè)時(shí),VLFOB半環(huán)受到水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)和通過(guò)纜繩與之相連的半環(huán)的影響,縱搖回復(fù)力矩增大、固有周期明顯減小;垂蕩、橫搖固有周期變化不大;垂蕩、橫搖和縱搖的阻尼系數(shù)明顯增大。3.2浮蕩和橫搖rao通過(guò)白噪聲試驗(yàn),分析得到水平系泊下VLFOB半環(huán)的運(yùn)動(dòng)RAO,以及進(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)的運(yùn)動(dòng)RAO,180°浪向下縱蕩、垂蕩和縱搖RAO對(duì)比(如圖8所示),90°浪向下橫蕩、垂蕩和橫搖RAO對(duì)比(如圖9所示)。由此可知:(1)180°浪向下,進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)的垂蕩和縱搖RAO基本一致,縱蕩RAO在0.15rad/s～0.45rad/s頻率段相差較大;90°浪向下,進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)的橫蕩、垂蕩和橫搖RAO都基本吻合。進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)運(yùn)動(dòng)RAO數(shù)值均不大;(2)180°浪向下,進(jìn)船作業(yè)時(shí)前半環(huán)的縱蕩RAO與水平系泊下相近,后半環(huán)的縱蕩在0.15rad/s～0.45rad/s頻率段與水平系泊時(shí)相差較大;除此之外,進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)各運(yùn)動(dòng)模態(tài)的RAO在0.2rad/s～0.4rad/s頻率段都比水平系泊時(shí)大。3.3進(jìn)船作業(yè)時(shí)系泊纜的運(yùn)動(dòng)特性南海一年一遇海況下,對(duì)于180°、157.5°兩個(gè)浪向,進(jìn)船作業(yè)和全環(huán)作業(yè)時(shí)各浮體的六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表6,兩個(gè)連接面處的固定連接載荷見(jiàn)表7,其中:Fx、Fy、Fz為水平剪切力、垂向剪切力和軸向連接力;Mx、My、Mz是以連接面中點(diǎn)為參考點(diǎn)的各向彎矩。通過(guò)對(duì)比運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊力和固定連接載荷,可知:(1)進(jìn)船作業(yè)時(shí),VLFOB前、后半環(huán)的六自由度運(yùn)動(dòng)幅值相當(dāng)。前、后半環(huán)的縱蕩、橫蕩幅值在180°浪向時(shí)比VLFOB全環(huán)略小,在157.5°浪向時(shí)與VLFOB全環(huán)相當(dāng);其垂蕩、橫搖、縱搖和首搖幅值在兩個(gè)浪向下基本上都比VLFOB全環(huán)大。(2)在180°、157.5°浪向下,進(jìn)船作業(yè)時(shí),水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的最大系泊力分別為671.2t、693.7t,都小于全環(huán)作業(yè)時(shí)的最大系泊力722.8t、736.7t。這是因?yàn)?一方面進(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)的運(yùn)動(dòng)與VLFOB全環(huán)相差不大,另一方面進(jìn)船作業(yè)時(shí)通道打開(kāi)使得系泊纜的預(yù)張力減小。(3)對(duì)于連接面1的固定連接載荷,總體上,進(jìn)船作業(yè)時(shí)比全環(huán)作業(yè)時(shí)明顯增大。對(duì)于連接面2,除180°浪向下Fz、Mx和157.5°浪向下Mx、Mz是在進(jìn)船作業(yè)時(shí)較小外,其他各項(xiàng)固定連接載荷都是在進(jìn)船作業(yè)時(shí)明顯較大。實(shí)際上,由于進(jìn)船作業(yè)時(shí)通道處采用只能承受拉力的纜繩連接,前、后半環(huán)兩端沒(méi)有支撐,使得半環(huán)中部固定連接載荷大大增加。南海一年一遇海況下,進(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不大,系泊力甚至小于全環(huán)作業(yè)時(shí)。而設(shè)計(jì)進(jìn)船海況等級(jí)更低,進(jìn)船作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力將會(huì)更小。但進(jìn)船通道打開(kāi)后,前、后半環(huán)中部單體模塊間連接載荷明顯增大,需要引起設(shè)計(jì)的重視。3.4通道的力學(xué)性能進(jìn)船作業(yè)時(shí),前、后半環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得通道寬度時(shí)常發(fā)生變化,對(duì)船舶通行影響很大,同時(shí)也會(huì)使通道間連接纜繩遭受很大的脈沖載荷。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通道1處上箱體、立柱中部和下箱體間的連接纜拉力分別具有同步性,于是將上、中、下各兩根連接纜的拉力分別相加得到進(jìn)船通道間上、中、下部連接力。在南海一年一遇海況和設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下,通道頂端寬度變化量和最大連接力見(jiàn)表8?？芍?(1)設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下,前、后兩環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)小,通道寬度變化和連接力都遠(yuǎn)小于一年一遇海況,通道頂端最多變窄4.415m,僅為通道總寬度的8.8%。該海況適合工程船舶進(jìn)出。(2)同一海況等級(jí)下,90°浪向時(shí),通道迎浪,通道頂端寬度變化最小;157.5°浪向時(shí)次之;180°浪向時(shí),通道開(kāi)口方向與浪向垂直,通道寬度變化最大,最不利于船舶進(jìn)出,這與上述通道寬度變化規(guī)律是一致的。這說(shuō)明,通道迎浪時(shí)可適應(yīng)更惡劣的海況。(3)在180°、157.5°浪向下,下箱體間的連接力最大,立柱中部次之,上箱體間最小,這說(shuō)明前、后半環(huán)間以搖力為主;在90°浪向下,通道迎浪,立柱中部的連接力最大,下箱體間次之,上箱體間最小,這說(shuō)明前、后半環(huán)間以相互分開(kāi)的力為主。(4)原設(shè)計(jì)方案中,上、下箱體間采用10根連接纜連接,總破斷強(qiáng)度為25000t;立柱中部采用4根,總破斷強(qiáng)度為10000t。設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下,上、中、下部最大連接力分別為4474t、6156t、8558t,分別占總強(qiáng)度的17.9%、61.6%、34.2%。據(jù)此,在立柱中部之間需要增加連接纜,而上箱體間連接纜可以適當(dāng)減少。4通道纜系連接力試驗(yàn)(1)從固有周期和阻尼系數(shù)、運(yùn)動(dòng)RAO以及與VLFOB全環(huán)作業(yè)的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn):進(jìn)船作業(yè)時(shí),VLFOB前、后半環(huán)具有較好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊性能。由于設(shè)計(jì)進(jìn)船海況能級(jí)較低,兩個(gè)半環(huán)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力不大,需重點(diǎn)關(guān)注通道寬度變化、通道間纜繩連接力以及單體模塊間固定連接載荷等。(2)同一海況等級(jí)下,90°橫浪時(shí),通道頂端寬度變化最小;157.5°首斜浪時(shí)次之;180°首迎浪時(shí)最大,最不利于船舶進(jìn)出。大體上,通道頂端寬度變化較小時(shí),通道間連接力也較小。海況等級(jí)較低時(shí),通道寬度變化和通道間連接力也較小。設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下,通道寬度變化小,通道間連接力也較小,適合船舶進(jìn)出。(3)在180°首迎浪和157.5°首斜浪條件下,通道處下箱體間的連接力最大;在90°橫浪時(shí),立柱中部的連接力最大。在設(shè)計(jì)中,應(yīng)增加立柱中部之間連接纜,可適當(dāng)減少上箱體間連接纜。(4)VLFOB通道打開(kāi)后,前、后半環(huán)中部固定連接載荷明顯增加,在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。圖4中坐標(biāo)系第四象限內(nèi)的模塊間3個(gè)連接面,上、下箱體之間各安裝2個(gè)三分力儀,共計(jì)12個(gè)三分力儀作為模塊間