一种半潜式平台流载荷的估算方法与流程

本公开涉及海洋装配领域，特别涉及一种半潜式平台流载荷的估算方法。

背景技术：

在半潜式平台设计过程中，流载荷是动力定位和锚泊定位分析的重要输入载荷。一般获取流载荷的方法有经验公式方法、母型船类比方法和模型试验方法等。该经验公式方法计算简单、便捷，但是与模型试验相比计算结果偏大，高估平台流载荷。母型船类比方法具有计算效率快、精度高的特点，但前提是必须具备合适的母型船模型试验数据。模型试验方法的计算精度高，但前提是需要建立合适的半潜式平台模型，模型的建立需要大量的时间和费用，经济效率差。

技术实现要素：

为了解决相关技术中存在的半潜式平台流载荷计算存在计算精度与时间、费用存在矛盾的问题，本公开提供了一种既能节约时间和费用，又能提高计算精度的半潜式平台流载荷的估算方法。

本公开提供一种半潜式平台流载荷的估算方法，包括：

确定来流方向及来流数量；

针对每一来流方向，计算所述半潜式平台的浮筒、横撑和立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，其中，有效长度与遮蔽长度、非遮蔽长度相关；

针对每一来流方向，根据计算出的所述浮筒、所述横撑和所述立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，计算出所述浮筒、所述横撑和所述立柱的流载荷系数；

累加所述浮筒、所述横撑和所述立柱在各个来流方向的流载荷系数，得到所述半潜式平台的流载荷系数。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开提供一种半潜式平台流载荷的估算方法，该方法包括：

确定来流方向及来流数量；针对每一来流方向，计算所述半潜式平台的浮筒、横撑和立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，其中，有效长度与遮蔽长度、非遮蔽长度相关；针对每一来流方向，根据计算出的所述浮筒、所述横撑和所述立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，计算出所述浮筒、所述横撑和所述立柱的流载荷系数；累加计算所述浮筒、所述横撑和所述立柱在各个来流方向的流载荷系数，得到所述半潜式平台的流载荷系数。相比于模型试验方法而言，本公开的方法不需要建立母型船模型，计算更加便捷、高效，并且成本低。而与经验计算公式方法相比，本公开的方法计算得到的结果更加准确。因此，本公开采用的流载荷估算方法既能节约时间和费用，又能提高计算精度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本公开的半潜式平台的结构示意图。

图2为本公开半潜式平台流载荷估算方法的流程框图。

图3为在来流i方向上半潜式平台被部分遮蔽的示意图。

图4为在各个来流方向上采用不同计算方法得到流载荷计算结果曲线图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本公开提供一种半潜式平台流载荷的估算方法，结合图1所示，该半潜式平台10包括浮筒11、立柱12和横撑13。立柱12设置在浮筒11上，横撑13连接在两立柱12之间。立柱12的顶部设置有平台(未图示)。在图1中，该半潜式平台10包括两个浮筒、四个立柱和四个横撑13，但并不限于此，该半潜式平台可以是其他的类型，在此以图1中所示的半潜式平台为例，说明本公开对半潜式平台流载荷的估算方法。

具体，结合图2所示，该半潜式平台流载荷的估算方法，包括如下步骤：

步骤s1，确定来流方向及来流数量。

本实施例中，以该半潜式平台10为中心，0-360度每隔10度，确定一个来流及其方向。但并不限于此，来流的数量和方向可根据实际情况进行变化。

步骤s2，针对每一来流方向，计算半潜式平台的浮筒、横撑和立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，其中，有效长度与遮蔽长度、非遮蔽长度相关。

确定各个来流方向后，在各来流方向上，计算半潜式平台各个构件的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度。

在本实施例中，半潜式平台主要包括浮筒11、立柱12和横撑13三个构件，在此，也主要计算这三个构件的流载荷系数。

以下主要说明浮筒11、立柱12和横撑13这三个构件的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度计算方法。

阻力系数主要根据构件的截面特征以及水流对其的作用确定。在进行阻力系数的计算之前，先简化各个构件。在本实施例中，浮筒11简化为带倒角的矩形截面的细长杆件，立柱12简化为带倒角的矩形截面的细长杆件，横撑13简化为截面为圆形的细长杆件。

对于浮筒11，其阻力系数包括垂直于浮筒11长度方向的横截面阻力系数cd1_1和沿浮筒长度方向的长度阻力系数cd1_2。浮筒的横截面阻力系数cd1_1根据横截面宽度与横截面高度的比值以及横截面倒角半径与横截面高度的比值确定；该浮筒的长度阻力系数cd1_2取浮筒横截面阻力系数的2％。例如，浮筒简化为长为106.45米、横截面宽15.6米、横截面高9.1米、圆角半径为1.3米的细长杆件。在本实施例中，采用挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205对阻力系数的计算方法进行计算。该浮筒的横截面宽度和高度的比值为15.6米/9.1米＝1.714，参照规范dnvgl-rp-c205中的附录e-1，如下表1所示，比值1.714介于表1中的l/d值为1.0和2.0之间。该浮筒的横截面倒角半径与横截面高度的比值为1.3米/9.1米＝0.143，介于表1中l/d值为1.0时r/d值为0.021和0.167之间，以及介于表1中l/d值为2.0时r/d值为0.042和0.167之间。针对l/d值为1.0和l/d值为2.0这两种情况，分别对r/d值为0.021、0.167和r/d值为0.042、0.167进行线性插值计算。当l/d值为1.0时，计算得到的横截面阻力系数cd1_1为1.3329，当l/d值为2.0时，计算得到阻力系数为0.838，再以l/d值为1.0和2.0再次进行线性插值计算获得浮筒的横截面阻力系数cd1_1为0.977。沿浮筒长度方向的长度阻力系数cd1_2取截面阻力系数cd1_1的2％。

表1横截面为带倒角矩形的阻力系数参照表

对于立柱12，其阻力系数包括横截面横向阻力系数cd2_1和横截面纵向阻力系数cd2_2。立柱的横截面横向阻力系数cd2_1根据横截面横向长度与横截面宽度的比值以及横截面倒角半径与横截面宽度的比值确定。例如，立柱简化为横截面横向长度为13.65米、横截面宽度为13.65米、倒圆角半径为1.3米的细长杆件，立柱长度为8.65米。如表1所示，立柱的横截面横向长度和宽度的比值为13.65米/13.65米＝1.0，横截面倒角半径与横截面宽度的比值为1.3米/13.65米＝0.095，该比值0.095介于表1中l/d值为1.0时r/d值为0.021和0.167之间。通过线性插值计算，即通过公式cd2_1-2.0/(1.2-2.0)＝(0.095-0.021)/(0.167-0.021)，可以得到立柱横截面横向阻力系数cd2_1为1.593。同理，立柱12的横截面纵向阻力系数cd2_2根据立柱的横截面纵向长度与横截面宽度的比值以及截面倒角半径与横截面横向长度的比值确定。

对于横撑13，其阻力系数包括垂直于横撑13长度方向的横截面阻力系数cd3_1和沿横撑13长度方向的长度阻力系数cd3_2。横撑的横截面阻力系数cd3_1与横撑13的宽度和长度的比值相关。例如，横撑简化为横截面为直径2.4米的圆形的细长杆件。横撑13的截面宽度和长度的比值为2.4米/2.4米＝1.0。在本实施例中，采用挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205关于椭圆形截面的阻力系数的计算方法进行计算。参照规范dnvgl-rp-c205附录e-1中关于椭圆形截面的阻力系数表格，如表2所示，横撑的横截面阻力系数cd3_1＝1.0。沿横撑长度方向的长度阻力系数cd3_2取截面阻力系数cd3_1的2％。

表2横截面为椭圆形的阻力系数参照表

以下计算半潜式平台10的各个构件的有效长度，有效长度与各构件的遮蔽长度、非遮蔽长度相关。

具体的，结合图3所示，画阴影线的区域为被来流i遮蔽的区域，未画阴影线的区域为未遮蔽区。

浮筒11的遮蔽长度为l11，l11＝la*κ1，其中，la可通过测量工具直接测量得到出的测量遮蔽长度，κ1为遮蔽系数。遮蔽系数κ1的计算可根据挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205中关于风载荷遮蔽系数的计算方法进行。也就说，浮筒11的遮蔽系数根据浮筒11之间的间距与高度的比值α1以及浮筒11的空气动力固性比β1确定。具体的，参照规范dnvgl-rp-c205中关于遮蔽系数κ与间距比α、空气动力固性比β的关系表，如下表3。例如，两浮筒11之间的间距为53.3米，浮筒11的高度为9.1米，则间距与高度的比值α1＝53.3/9.1＝5.857，该比值α1介于表3中的α值的5.0和6.0之间。空气动力固性比β1＝фa，其中，ф为固性比，a为常数。浮筒11为平面构件，因此，a为1.2。ф参照规范dnvgl-rp-c205中关于固性比的规定，ф取值为1.0，因此，β1＝фa＝1*1.2＝1.2，该值超过表3中β值的0.8，因此，β1取表3中最后一列。遮蔽系数κ1根据表3进行线性插值计算，即通过公式(κ1-0.6)/(0.66-0.6)＝(5.857-5.0)/(6.0-5.0)计算，得到κ1＝0.651。

表3遮蔽系数与间距比α、空气动力固性比β的关系表

浮筒11的非遮蔽长度l21可由测量工具直接测量未被遮蔽的浮筒长度得到。浮筒的有效长度l1＝(l11+l21)*γ1，其中，γ1为浮筒的有限长度折减系数，γ1可根据据浮筒11的构件截面等效直径和构件长度，进行有限长度系数折减计算得到的。具体的，有限长度折减系数可采用挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205表6-2中关于细长杆件有限长度折减系数计算方法进行估算，其中，直径采用等效截面积的方法获取，长度取实际长度的2倍，在本实施例中，浮筒的有限长度折减系数为0.867。此外，γ1还可用其它模型进行模拟。

按照计算浮筒11的方式计算立柱12的遮蔽长度、非遮蔽长度以及有效长度。立柱的遮蔽长度l12＝lb*κ2，其中，lb为用测量工具直接测量得到的测量遮蔽长度，κ2为遮蔽系数。立柱的遮蔽系数κ2根据相邻两立柱之间的间距与高度的比值α2以及立柱的空气动力固性比β2确定。立柱非遮蔽长度为l22，该非遮蔽长度l22可由测量工具直接测量未被遮蔽的立柱长度得到。立柱的有效长度l2＝(l12+l22)*γ2，其中，γ2为所述立柱的有限长度折减系数。γ2根据立柱12的构件截面尺寸和构件长度，进行有限长度系数折减计算得到的。具体的，有限长度折减系数γ2可采用挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205表6-2中关于细长杆件有限长度折减系数计算方法进行估算。在本实施例中，立柱的有限长度折减系数为0.800。此外，γ2还可用其它模型进行模拟。

按照计算浮筒的方式计算横撑13的遮蔽长度、非遮蔽长度以及有效长度。横撑13的遮蔽长度l13＝lc*κ3，其中，lc为用测量工具测量得到的测量遮蔽长度，κ3为遮蔽系数。横撑13的遮蔽系数根据相邻两述横撑13之间的间距与其高度的比值α3以及横撑13的空气动力固性比β3确定。横撑13的非遮蔽长度l23可由测量工具直接测量未被遮蔽的横撑长度得到。横撑13的有效长度l3＝(l13+l23)*γ3，其中，γ3为横撑的有限长度折减系数。γ3根据横撑13的构件截面等效直径和构件长度，进行有限长度系数折减计算得到的。具体的，有限长度折减系数γ3可采用挪威船级社关于环境条件和环境负荷规范dnvgl-rp-c205表6-2中关于细长杆件有限长度折减系数计算方法进行估算，其中，直径采用等效截面积的方法获取，长度取实际长度的2倍，在本实施例中，横撑的有限长度折减系数为1.0。此外，γ3还可用其它模型进行模拟。

浮筒11、立柱12和横撑13的垂直于水流的高度h均可通过测量工具测量得到。

由此，通过上述步骤可计算得到在第i个来流方向上的浮筒11、立柱12和横撑13的阻力系数、有效长度和垂直水流的高度。

以同样的方式，计算其他35个来流方向上的浮筒11、立柱12和横撑13的阻力系数、有效长度和垂直水流的高度。

步骤s3，针对每一来流方向，根据计算出的浮筒、横撑和立柱的阻力系数、有效长度和垂直于水流的高度，计算出浮筒、横撑和所述立柱在该来流方向上的流载荷系数。

各来流对半潜式平台的作用力分解为第一方向上的作用力和第二方向上的作用力，对应的，针对每一来流，计算半潜式平台在第一方向上的流载荷系数和在第二方向上的流载荷系数。其中，第一方向与第二方向相垂直。如图2所示，该第一方向可为x轴方向，该x轴方向为沿半潜式平台的长度方向，该第二方向可为y轴方向，该y轴方向为沿半潜式平台的宽度方向。

在第i个来流方向上，浮筒11沿第一方向的流载荷系数为ηi1_1＝1/2*ρ*li1*hi1*cdi1_1,沿第二方向上的流载荷系数为ηi1_2＝1/2*ρ*li1*hi1*cdi1_2，其中，ρ为水流密度，li1为浮筒11第i个来流方向上的有效长度，hi1为浮筒11第i个来流方向上垂直于水流的高度，cdi1_1为浮筒第i个来流方向上的横截面阻力系数，cdi1_2为浮筒第i个来流方向上的长度阻力系数。浮筒11的有效长度li1、垂直于水流的高度hi1、横截面阻力系数cdi1_1和长度阻力系数cdi1_2均可通过步骤s2的计算方式得到。

在第i个来流方向上，立柱12沿第一方向的流载荷系数为ηi2_1＝1/2*ρ*li2*hi2*cdi2_1,沿第二方向上的流载荷系数为ηi2_2＝1/2*ρ*li2*hi2*cdi2_2,其中，ρ为水流密度，li2为立柱12在第i个来流方向上的有效长度，hi2为立柱12在第i个来流方向上垂直于水流的高度，cdi2_1为立柱第i个来流方向上的横截面横向阻力系数，cdi2_2为立柱第i个来流方向上的横截面纵向阻力系数。类似的，立柱12的有效长度li2、垂直于水流的高度hi2、横截面横向阻力系数cdi2_1和横截面纵向阻力系数cdi2_2均可通过步骤s2计算方式得到。

在第i个来流方向上，由于横撑13与浮筒11、立柱12的几何布设位置不同，横撑13沿第一方向的的流载荷系数为ηi3_1＝1/2*ρ*li3*hi3*cdi3_2,沿第二方向上的流载荷系数为ηi3_2＝1/2*ρ*li3*hi3*cdi3_1,其中，ρ为水流密度，li3为横撑13在第i个来流方向上的有效长度，hi3为横撑在第i个来流方向上垂直于水流的高度，cdi3_1为横撑在第i个来流方向上的横截面阻力系数，cdi3_2为横撑在第i个来流方向上的长度阻力系数。类似的，横撑13的有效长度li3、垂直于水流的高度hi3、横截面阻力系数cdi3_1和长度阻力系数cdi3_2均可通过步骤s2的计算方式得到。

步骤s4，累加浮筒、横撑和立柱在各个来流方向的流载荷系数，得到半潜式平台的流载荷系数。

例如，若来流的数量为n个，i表示第i个来流，则该半潜式平台在第一方向上的流载荷系数在第二方向上的流载荷系数在本实施例中，n＝36，i从1至36。叠加计算36个来流方向上各个构件的流载荷系数，即可得到半潜式平台的流载荷系数。

根据上述方法计算得到的各个来流方向上的流载荷系数非常逼近通过模型试验获得的流载荷系数。如图4所示，cx曲线显示的是本公开计算方法得到的在不同来流方向上半潜式平台在x轴方向上的载荷系数，cy曲线显示的是本公开计算方法得到的在不同来流方向上半潜式平台在y轴方向上的载荷系数；cx-api曲线和cy-api曲线是采用经验计算公式得到的x方向和y方向流载荷系数；cx-exp曲线和cy-exp曲线是通过模型试验获得的x轴方向和y轴方向的流载荷系数。从图4中可以看出通过本公开的计算得到的x轴方向和y轴方向的流载荷系数几乎与通过模型试验方法得到的数据相重合。因此，相比于模型试验方法而言，本公开的方法不需要建立平台模型，计算更加便捷、高效，并且成本低。而与经验计算公式方法相比，本公开的方法计算得到的结果更加准确。

以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。