传统Spar平台垂荡主共振时非线性耦合响应的研究.pdf

第27 卷 第1 期 应 用 力 学 学 报 Vol.27 No.1 2010 年3 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Mar.2010 文章编号：1000- 4939 （2010 ）01-0020-08 传统Spar 平台垂荡主共振时非线性耦合 响应的研究 赵晶瑞 唐友刚 冯丽梅 张若瑜 （天津大学 300072 天津） 摘要：考虑瞬时波面影响，建立了 Spar 平台垂荡-纵摇运动的参数激励耦合运动方程，应用多尺 度法导出了波浪频率接近垂荡固有频率时响应方程的一阶摄动解并做数值验证。计算结果显示： 当波浪高度达到一定值时，纵摇运动中出现大量的亚谐频率成分；随着波浪高度进一步增大，纵 摇运动将出现明显的幅值跳跃现象。研究结果表明，能量渗透现象是纵摇运动失稳的主要原因， 波浪激励力矩对于纵摇本身的贡献很小。由于垂荡模态存在能量饱和现象，多余的垂荡能量将会 向纵摇模态转移，导致出现大幅值的纵摇运动。 关键词：Spar 平台；参数激励耦合方程；亚谐运动；渗透现象 中图分类号：P751 文献标识码： A 大幅值的耦合纵摇运动[2] ，这逐渐成为动力响应研 1 引 言 究的热点。 Spar 的壳体设计通常由最大纵摇（横摇）角决 传统Spar平台主体是一个大直径、大吃水且具 定，要求在百年一遇的风暴中，最大纵摇（横摇） o(0.175rad)[3] 。当Spar平台处于垂荡主共振 角小于10 有规则外形的圆柱式浮桶结构，由于垂向上波浪载 区域时，平台垂荡幅值可达到波高的8~10 倍[4] 。大 荷较小，且垂荡固有频率远低于波浪卓越频率，因 幅值垂荡运动可导致平台浮心位置发生较大变化 此可以将垂荡运动控制在很小范围内。同时由于采 从而改变纵摇初稳性高GM值，同时引起不稳定纵 用了系泊索固定，其运动响应对水深变化不敏感， 摇运动。文献[5]对有垂荡板的Spar平台模型在规则 更适宜于在深水海域应用，目前已投入使用的Spar 波作用下的垂荡和纵摇运动进行了试验模拟,当波 平台均表现出良好的运动特性[1] 。 浪频率接近垂荡固有频率时，Spar平台极易发生耦 传统Spar平台具有较长的垂荡自然周期，具有 合非线性运动，在此过程中，垂荡模态能量向纵摇 良好的动力稳定性，然而在某些海洋环境下（例如 模态传递；文献[6]在对规则波中经典式Spar平台的 西非），一年中的长周期涌浪工况占据了一定比例， 马休类型不稳定性研究时发现，阻尼装置能增加阻 会使主体产生线性激励的垂荡共振运动，从而产生 尼，减小平台的垂荡运动，改善平台的运动稳定性， 基金项目：国家“863”高技术研究发展计划（2007AA09Z30 ）；国家自然科学基金50879057 ） 来稿日期：2008-11-06 修回日期：2010-01-15 第一作者简介：赵晶瑞，男，1983 年生，天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室，博士生；研究方向——船舶与海洋工程研究。 E-mail: peterzhaojr@126.com 第1 期 赵晶瑞，等：传统Spar