丁爱兵， 汪学锋， 徐胜文
（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）
随着全球经济的发展和陆地资源的日益紧张，人类越来越注重开发和利用海洋空间和资源，超大型浮体正是人们开发利用海洋的一项重要装备［1］。超大型浮体由若干个浮体模块化连接构成，整体平台尺度往往以km计，其通常布置在沿海岛屿附近或远海海岛泻湖内，带有永久或半永久性，具有综合性、多用途的功能。
上世纪末以来，国内外针对超大型浮体相继开展了一系列相关技术研究［2］，提出了几种概念设计方案，也形成了针对复杂海洋环境中浮体水动力响应分析的部分理论方法［3］，但在水池模型试验研究方面尚存在相当的不足［4］。系泊系统作为保证超大型浮体安全定位的一项关键技术，其设计［5］、数值分析［6-7］和水池试验［8］研究也与常规的海洋平台有很大的差别。针对超大型浮体开展水池模型试验研究不仅需要考虑比常规海洋平台更复杂的多模块连接［9］、复杂的系泊系统模拟［10］，同时还需要考虑由于浮体大尺寸所带来的复杂的海洋环境［11］和海底地形［12］的模拟等难点问题。
本文以由8个半潜式平台模块组成的超大型浮体为研究对象开展水池模型试验研究，通过对超大型浮体及其系泊系统、浮体遭遇的风浪海洋环境、浮体布置位置海底地形条件的模拟，重点分析超大型浮体在非均匀波浪环境下不同模块的运动响应和系泊受力情况［13］，验证复杂环境条件对超大型浮体安全性和可靠性影响。同时为后续超大型浮体系泊性能评估和优化以及相关数值计算方法的验证提供试验数据支撑。
本次试验研究对象超大型浮体由8个半潜式单体平台模块串联构成，每个单模块由上部甲板、中间立柱与5个下部浮箱组成。超大型浮体的部署地点考虑为由环礁包围的水深为50 m左右的泻湖内，由于靠近岛礁且超大型浮体尺寸较大，其系泊性能的研究必须考虑海底地形以及非均匀波浪条件的影响。
1.1 相似原理
海洋平台在波浪中模型和实体两个系统需要满足3个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似［14］。在模型试验中通常忽略或放弃黏性的影响，保持弗劳德数和斯特罗哈数相等，即
式中：v、L、T分别为特征速度、特征线尺度和周期，下标m和s分别表示模型和实体。综合考虑超大型浮体及其系泊系统尺寸和水池的试验能力，本次试验模型缩尺比选为1∶100。
1.2 试验布置及坐标系
图1所示为整个试验的水池布置方案，包括水池造波系统、岛礁模型、超大型浮体模型、地形模拟装置等组成。其中地形模拟装置用于模拟平台所处的边水深海底地形条件；
岛礁模型用于模拟产生平台遭遇的非均匀波浪条件，W1～W13为布置在水池中不同位置的浪高仪，用于测量平台不同模块的遭遇波浪条件。
试验中采用大地坐标系XEOYE和浮体坐标系XFOYF两个坐标系，风浪方向在大地坐标系中沿Y轴负向。超大型浮体从左到右依次为1～8号模块，浮体坐标系原点定义在4、5号模块中心连线的中点。8模块超大型浮体的每个单体模块可视为一个刚体，每个单体模块在任意时刻的复杂运动可以分解为6个自由度运动，即3个线运动（纵荡、横荡、垂荡）与3个角运动（横摇、纵摇、艏摇）。试验中采用由模型初始静平衡位置决定的旋转大地坐标系来描述超大型浮体的6自由度运动，即：艏向为纵荡正方向，左舷为横荡正方向，向上为垂荡正方向，右舷向下为横摇正方向，艏部向下为纵摇正方向，艏部向左舷为艏摇正方向。
为了精确模拟超大型浮体所处的环境条件，试验除了需要加工制作8个单模块平台模型、连接器模型、系泊系统模型外，还需要模拟海底地形条件以及风浪流环境条件。
2.1 单模块平台模型
超大型浮体单体模块由上部甲板平台、立柱与下部浮箱组成，图2所示为其俯视图和侧视图。单模块平台模型详细参数如表1所示，试验中严格按照选定的缩尺比加工模型，调节重量重心位置、惯性半径。单体模块模型总长、总宽的几何尺寸误差不超过其数值的千分之一，模型的重量、重心位置的误差不超过目标值的3%，惯性半径误差不超过目标值的5%。
表1 单模块平台主要参数
2.2 连接器模型
相邻单模块模型之间在上部甲板平台间通过左右对称的2个连接器相连，连接器释放了两模块间的相对纵摇，限制了其他5个自由度模块间的相对运动。连接器安装如图3所示，中心距平台中纵剖面0.29 m，连接器模型长度为60 mm，宽度40 mm，高度40 mm，连接器中心距平台上下甲板为30 mm。
2.3 地形模拟
超大型浮体布置处水深为50 m，但由于靠近岛礁，浮体系泊系统的布放点水深变化较大，系泊系统参数设计以及性能分析均需要考虑地形条件的影响。在本次模型试验中，将对海底地形地貌进行简化处理，如图4所示，将海底地形简化为不同斜率的二维斜坡处理。
试验中，对海底地形的模拟将在原水池假底的基础上，安装地形模拟装置模拟不同斜率的斜坡地形条件，如图5所示。
2.4 岛礁模型
试验中在来浪方向放置一岛礁模型，干扰波浪的传播方向和波高，以模拟实际环境中的沿超大型浮体长度方向上的波浪非均匀性。如图6所示，将岛礁简化为5层阶梯式模型，岛礁模型沿长轴方向长度约为15 m，沿短轴方向宽度约为7 m，高度约为0.7 m，岛礁模型每层的形状为不规则椭圆型。试验时，岛礁模型距离8模块超大型浮体约为12.5 m，短轴与波浪传播方向平行。
2.5 系泊模型
本次试验中，8模块超大型浮体使用的是张力腿悬链线复合系泊系统［15］，如图7所示。在单体模块的5个下浮箱两侧中心位置各设置1个导缆孔，每个导缆孔上连接一根锚链。每个单体模块上连接10根锚链，其中悬链线式锚链6根，张力腿式锚链4根。
试验中所有张力腿式锚链的水中质量、刚度等属性参数均相同，悬链线锚链按照水中重量、刚度属性不同分为两类，I类是1和8号模块上的1、3、5、6、8、10、71、74、75、76、78、80这12根锚链，II类包括2～7号模块上对应的36根悬链线锚链，各种锚链主要参数的实际值和模型值见表2。由于试验布置超大型浮体的x轴与大地坐标系xF轴有10°夹角（见图1），因此80根锚链的长度根据锚点位置和水深的不同也略有差别。
表2 锚链属性
3.1 初始波浪校核
本次试验不考虑风和流的影响，主要针对非均匀波浪条件下的系泊性能展开研究。试验中不规则波浪的模拟采用Jonswap谱，gamma值取2.0［16］，首先对没有岛礁模型和地形模拟装置下的初始波浪进行校核，主要模拟的初始波浪条件如表3所示。
表3 初始波浪条件下不规则波参数
3.2 非均匀波浪模拟
试验中的非均匀波浪由初始不规则波通过岛礁模型绕射生成。通过在超大型浮体每个模块前布置浪高仪阵列（图1中W4～W11）可以测得每个模块的遭遇波浪，图8分别给出了初始波浪为表3中1～4情况下超大型浮体各模块遭遇波浪的有义波高对比情况。由图中可以看出，两端模块1和8因为不在岛礁遮蔽范围内，所以波浪几乎没有能量损失，其有义波高比较接近初始值，中间几个模块特别是4号模块由于正对岛礁，遭遇波浪的有义波高明显低于两侧，波浪能量损失较为严重。
4.1 试验内容
试验中首先需要对超大型浮体8个模块分别进行质量、重心位置及惯量调节，之后在水中组装成完整的超大型浮体。试验内容主要包括浮体水平刚度测试和波浪作用下系泊性能试验。由图8的波浪非均匀情况可以看出，在试验的4种波浪条件下，1号和4号模块的遭遇波浪相差较大，因此波浪试验中除了测量各锚链的系泊受力情况外，重点测量模块1、4的6自由度运动。图9显示了8模块超大型浮体风浪试验的布置情况。
4.2 试验结果分析
本试验主要研究非均匀波浪环境条件下浮体系泊性能，对超大型浮体水平刚度和不规则波下的运动响应和系泊力等数据进行了处理分析。
4.2.1 水平刚度测试
对8模块超大型浮体系泊系统进行水平刚度试验，测量得到的系统水平刚度曲线，并与设计的系泊系统用数值计算结果进行对比。如图10所示为系统在来浪方向上的水平刚度，红点代表的试验测量值与蓝线代表的理论计算结果较为接近，表明系泊系统的模拟符合设计要求。
4.2.2 系泊受力分析
表4给出了不同波浪条件下锚链最大受力情况，通过对比分析发现：
表4 最大系泊受力情况
（1）总体而言，锚链所受的拉力随着波浪的增大而增大，且在相同工况下张力腿锚链的受力大于悬链线锚链的受力。
（2）在波高为8 m时，锚链受力出现最大值。其中：张力腿锚链的最大值出现在模块8第79号锚链上，系泊力129 082 kN，为设计破断强度的89.5%；
悬链线锚链的最大值出现在模块1的第6号锚链上，系泊力25 536 kN，为设计破断强度的19.1%。
（3）几种不同的波浪条件下，系泊系统受力最大的锚链均出现在模块1和模块8两侧模块上，一方面由于非均匀波浪影响，两侧模块遭遇波浪相对较大；
另一方面中间模块受到连接器作用力，系泊受力相对较小［17］。
4.2.3 运动响应分析
表5给出了不同波浪条件下8模块超大型浮体模块1和模块4测得的6自由度运动统计数据（｜A｜max、｜A｜mean、｜A｜std分别代表6自由度运动各自的最大值、均值和标准差）。
表5 不同波浪条件下模块1和4测得6自由度运动统计值
由表5可见：
（1）随着风浪的增大，模块1和模块4 6自由度运动的均值和幅值总体上是增大的，标准差也明显增大，这说明这两个模块的运动幅度随风浪增加而增加。
（2）由于受到非均匀波浪的影响，模块1和模块4的横荡、垂荡、横摇、纵摇运动的均值和极值有明显的差别，特别是风浪较大的情况下，模块1的运动幅值明显大于模块4的运动幅值。
（3）平台的纵荡、艏摇运动相对较小，这主要与连接器的设计形式有关。
本文主要开展了8模块超大型浮体在非均匀波浪作用下的系泊系统模型试验研究，通过对试验数据的分析处理，一方面发现不同模块系泊系统的受力情况和运动响受非均匀波浪的影响较大；
同时还对系泊系统的安全性进行了分析，所设计的系泊系统在有义波高5 m以下的波浪作用下安全性较高，但波高8 m的情况下安全系数相对较低，需要进一步进行锚链优化。