多浮箱拼接浮體模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

梁世龍，懷利敏，康正凌

（92228 部隊(duì)，北京100072）

1 前言

多浮箱組成的大型浮體平臺(tái)，是由浮箱間不同類型的多個(gè)連接器拼接而成的。在惡劣的海洋環(huán)境中，多浮箱組合浮體平臺(tái)承受風(fēng)、浪、流等多種載荷的作用，系泊系統(tǒng)及浮體間的連接器遭受極大的環(huán)境載荷，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法得到多浮箱組合浮體平臺(tái)內(nèi)部受力情況具有重要意義，可為多浮箱拼接浮體平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。

多位專家學(xué)者對(duì)大型浮體組合平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的研究：祁恩榮[1]等以橫向浮筒式的淺吃水超大型浮體為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)柔性連接器模型，研究了超大型浮體連接器的剛度特性；呂海寧[2]等進(jìn)行了半潛式超大型浮體的多剛體模型試驗(yàn)，對(duì)各浮體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及浮體間連接器載荷的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究；丁偉[3]等用縮尺比為1：100 的移動(dòng)式海上基地模型，對(duì)超大型浮體進(jìn)行水池試驗(yàn)，研究浮體間連接器的動(dòng)力響應(yīng)；王永恒[4]等通過(guò)數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)的方法，對(duì)由三個(gè)相同模塊由連接器連接組成的超大型浮體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能開(kāi)展了研究，確定了連接器剛度最佳匹配原則；劉超[5]等用剛性模塊柔性連接器模型，研究了連接器動(dòng)力響應(yīng)受淺水效應(yīng)的影響;陸曄[6]等通過(guò)模型試驗(yàn)的方式，研究了超大型浮體平臺(tái)柔性連接器的極限結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其失效模式；祁恩榮[7]等通過(guò)數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)的方法，研究了超大型浮體平臺(tái)鉸接式連接器的疲勞強(qiáng)度;朱璇[8]等設(shè)計(jì)了一種柔性連接器，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了不同剛度連接器的載荷響應(yīng)。

本文以多浮箱拼接浮體平臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)衰減試驗(yàn)、水平剛度試驗(yàn)、風(fēng)浪流聯(lián)合海況試驗(yàn)，獲得平臺(tái)的固有周期和阻尼系數(shù)、系泊系統(tǒng)的剛度、相應(yīng)海況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能及系泊系統(tǒng)的系泊性能，為系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)，獲得連接接頭在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力，以此來(lái)驗(yàn)證連接接頭設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

本次試驗(yàn)由多浮箱拼接浮體物理模型和模擬組合系泊纜兩部分組成：多浮箱拼接浮體平臺(tái)，采用一根組合系泊纜定位，由3x3 個(gè)箱型模塊拼接而成；橫向采用橫向連接器連接，相鄰兩個(gè)箱體之間布置4 個(gè)橫向連接器；縱向采用縱向連接器和剪力接頭的組合方式進(jìn)行連接，如圖1 所示。

圖1 多浮箱系泊平臺(tái)試驗(yàn)示意圖

2 模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 平臺(tái)模型

綜合考慮試驗(yàn)對(duì)象尺寸、環(huán)境條件以及實(shí)驗(yàn)室模擬能力，本次試驗(yàn)采用合理的模型縮尺比進(jìn)行模擬，試驗(yàn)中采用的模擬平臺(tái)的總體和單個(gè)模塊的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，使用3D 打印技術(shù)按照表1 縮減尺寸試制了模型。

2.2 系泊纜模型

系泊系統(tǒng)主要由大抓力錨、錨泊線和錨位浮標(biāo)等組成。選用錨鏈加纖維纜組合纜的形式作為系泊纜，實(shí)型和模型的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 組合纜參數(shù)

2.3 連接器模型

多浮箱模塊間的連接器有三種形式：縱向連接器、橫向連接器和剪力連接器。試驗(yàn)采用的縱向和橫向連接器參數(shù)，如表 3 所示。

表3 縱向和橫向連接器參數(shù)

縱向連接器在試驗(yàn)過(guò)程中簡(jiǎn)化為兩端鉸接的桿件；連接器桿件采用尼龍1010 材質(zhì)制成其軸向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

橫向連接器連接后，兩個(gè)模塊間的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都非常有限，所以可看成為剛性連接；橫向連接器材質(zhì)采用尼龍1010。

剪力連接器由于受力情況與其外形密切相關(guān)，因此在試驗(yàn)中采用3D 打印技術(shù)縮比后直接打印，其材質(zhì)也是尼龍1010。

3 水池模型試驗(yàn)

多浮箱拼接浮體平臺(tái)實(shí)際工作水深為12 m，水池試驗(yàn)水深為0.6 m；風(fēng)速采用定常風(fēng)平均風(fēng)速模擬（見(jiàn)表4），模擬時(shí)間10 min；由于流速較高，海流模擬采用整體造流和復(fù)合局部造流的方式。水池模擬平臺(tái)試驗(yàn)圖，如圖2 所示。

圖2 水池模擬平臺(tái)試驗(yàn)圖

不規(guī)則波浪譜采用JONSWAP 譜，γ=3.3；波浪模擬中，搖板信號(hào)需要同步采樣，采樣頻率25 Hz；極限系泊條件采樣時(shí)間＞36 min（對(duì)應(yīng)實(shí)際3 h），采樣點(diǎn)數(shù)不少于54 000 點(diǎn)；從下達(dá)造波指令開(kāi)始到采樣記錄開(kāi)始，需間隔1.5 min，以使正式試驗(yàn)采樣時(shí)模型能夠處于基本穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。具體如表4 所示。

表4 環(huán)境條件

3.1 靜水試驗(yàn)

靜水試驗(yàn)共11 個(gè)工況，包括：?jiǎn)文K運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn)、兩模塊運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn)、三模塊運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn)、平臺(tái)整體橫搖衰減、系泊系統(tǒng)水平剛度試驗(yàn)。

3.2 波浪試驗(yàn)

不規(guī)則波浪試驗(yàn)共9 個(gè)工況，包括：風(fēng)浪流同向、風(fēng)浪同向、浪流同向。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

模型傳感器按試驗(yàn)要求布置后，開(kāi)始進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)均由在線 A-D 轉(zhuǎn)換器和微機(jī)同步采樣。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 靜水衰減

靜水衰減試驗(yàn)共11 個(gè)工況，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 靜水衰減試驗(yàn)結(jié)果

5.2 系泊系統(tǒng)水平剛度

試驗(yàn)時(shí)將模型在船尾重心高度處系上細(xì)鋼絲繩，細(xì)鋼絲繩呈水平狀態(tài)，通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)來(lái)測(cè)試整個(gè)系泊系統(tǒng)在特定角度水平位移下的回復(fù)力。系泊纜水平剛度回復(fù)曲線，如圖3 所示。

圖3 系泊纜水平剛度回復(fù)曲線

5.3 水動(dòng)力性能

（1）系泊纜載荷

各工況下系泊纜載荷，如圖4 所示。由圖4 可知：風(fēng)浪同向下，系泊纜載荷相對(duì)于浪流同向更小；系泊纜載荷單幅最大值和雙幅有義值，在C4 工況最不顯著，此時(shí)風(fēng)浪同向、流與風(fēng)浪呈90°夾角；單幅最大值的和雙幅有義值極大值，出現(xiàn)在C5 工況，此時(shí)浪流同向、風(fēng)與浪流呈30°夾角；對(duì)比C1、C1-2 工況，風(fēng)浪流同向下增加浮箱縱向間隙會(huì)使得系泊纜上載荷有所增加；對(duì)比C5、C2-2 工況，浪流同向、風(fēng)與浪流呈30°夾角時(shí)增加浮箱縱向間隙后，系泊纜載荷單幅最大值和雙幅有義值都有所增加。

圖4 系泊纜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

（2）縱向連接器受力

縱向連接器上的拉力和剪力，如圖5 和圖6 所示。

由圖5 可知：增加浮箱間的縱向間隙，可以有效減小縱向連接器上的拉力；對(duì)比C1 和C1-2 工況，縱向連接器7 和8 號(hào)上的單幅最大值，分別從6 855.0 kN和7 331.3 kN 下降到1 762.1 kN 和1 143.0 kN；對(duì)比C5和C2-2 工況，縱向連接器7 和8 號(hào)上的單幅最大值，分別從6 780.9 kN 和6 951.9 kN 下降到2 595.7 kN 和1 436.7 kN。

圖5 縱向連接器上拉力和剪力單幅最大值曲線圖

由圖6 可知：增加浮箱間的縱向間隙，縱向連接器上的剪力極值也會(huì)減小，在風(fēng)浪流同向的環(huán)境條件下尤其明顯。

圖6 縱向連接器上拉力和剪力雙幅有義值曲線圖

（3）橫向連接器受力

模塊5 和6 之間的橫向連接器上的拉力和剪力，如圖7 和圖8 所示.

由圖7 和圖8 可知：5 號(hào)和6 號(hào)模塊間的橫向連接器上的拉力呈現(xiàn)兩端大、中間小的特征；橫向拉力最大值出現(xiàn)在C7 號(hào)工況，此時(shí)浪流同向、風(fēng)與浪流90°夾角；橫向連接器上的剪力值，也是兩端大、中間??；橫向連接器上的剪力最大值出現(xiàn)在C4 工況，此時(shí)風(fēng)浪同向、流與風(fēng)浪呈90°夾角。

圖7 橫向連接器上拉力和剪力單幅最大值曲線圖

圖8 橫向連接器上拉力和剪力雙幅有義值曲線圖

（4）橫向連接器扭矩

經(jīng)分析橫向連接器彎矩和扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：橫向連接器上的彎矩，也是兩端大、中間小；橫向連接器上的彎矩最大值，出現(xiàn)在C4 工況，此時(shí)風(fēng)浪同向、流與風(fēng)浪呈90°夾角；橫向連接器上的扭矩，也是在兩端大、中間小；橫向連接器上的扭矩最大值，出現(xiàn)在C1 工況，此時(shí)風(fēng)浪浪同向。

（5）平臺(tái)運(yùn)動(dòng)

試驗(yàn)中模塊1、2、3 橫向拼接成浮箱1，模塊4、5、6 拼接成浮箱2，模塊7、8、9 拼接成浮箱3，每個(gè)浮箱由橫向連接件固定連接可看成一個(gè)剛體；試驗(yàn)中測(cè)量了三個(gè)浮箱各自的運(yùn)動(dòng)；浮箱間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主要發(fā)生在垂蕩和縱搖這兩個(gè)自由度上，因此本模擬平臺(tái)試驗(yàn)分析了這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

第一次試驗(yàn)，中間浮箱的垂蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)于平臺(tái)首部和尾部浮箱的垂蕩運(yùn)動(dòng)不顯著；大部分環(huán)境條件下，平臺(tái)首部浮箱的縱搖運(yùn)動(dòng)最劇烈，其次為中間浮箱，最小為尾部浮箱，這和垂蕩運(yùn)動(dòng)有所區(qū)別。

第二次試驗(yàn)，增加浮箱間縱向間隙后，相鄰浮箱間的垂蕩運(yùn)動(dòng)差值增加；增加浮箱間間隙后相鄰間的縱搖運(yùn)動(dòng)差值也加大。

6 總結(jié)

通過(guò)上述試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）如果風(fēng)浪流環(huán)境條件中的其中兩者為90°夾角，橫向連接器上的拉力、剪力和彎矩往往相對(duì)于其他環(huán)境方向會(huì)更大；

（2）增加浮箱間的縱向間隙后，浮箱將不會(huì)產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，增加浮箱間的縱向間隙避免浮箱互相擠壓，可以有效降低縱向連接器上載荷；

（3）大部分環(huán)境條件下，平臺(tái)首部浮箱的縱搖運(yùn)動(dòng)最劇烈，其次為中間浮箱，運(yùn)動(dòng)最小的為尾部浮箱；

（4）中間浮箱的垂蕩運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于平臺(tái)首部和尾部浮箱的垂蕩運(yùn)動(dòng)不顯著。