随着油气开采向深海发展,半潜式平台逐渐成为深海浮式装备的主力军,其主要组成部分为甲板箱、双浮箱、立柱以及撑杆。当半潜平台在深水区域工作时利用锚泊系统进行定位,在工作状态下由于海洋环境的不确定性,台风、急流、巨浪等都会对平台安全造成威胁。半潜平台在自存工况下遭遇巨浪袭击时易产生负气隙现象,导致平台撑杆、立柱、甲板箱底部等位置受到波浪砰击,对结构造成损坏,同时还会威胁作业人员的安全,因此在平台设计阶段就要考虑恶劣海况下负气隙响应和波浪砰击带来的影响。本文针对半潜式平台局部位置发生的负气隙现象,对国内外半潜式平台的气隙响应、平台与锚泊系统的耦合运动等研究现状进行整理与总结。考虑风、浪、流同时作用的影响,运用时域全耦合分析方法,对自存工况下的半潜式平台进行水动力分析,并分析甲板箱底部关注点的气隙值,研究波浪砰击载荷对撑杆结构强度的影响。结合计算流体力学(CFD)方法对平台的气隙和波浪砰击分布特性进行深入研究,对波浪周期、波高、流速和浪向角对平台立柱和甲板波浪砰击压强影响的敏感性进行研究。在数值水池中生成畸形波,对畸形波影响下半潜平台波浪砰击问题进行研究。最后通过模型试验来验证数值计算的准确性和数值模拟方法的可行性。主要研究内容包括:(1)针对一典型双浮体四立柱半潜式平台,设计了一套八点对称张紧式系泊方案。运用有限元分析方法建立有限元模型,结合中国南海环境条件特点设计出一组典型的自存工况,利用模型试验结果对数值模型进行修正,对平台在自存工况下的运动响应、气隙分布特性、系泊缆张力进行分析,并得出气隙分布规律,为进一步研究平台局部负气隙现象和波浪砰击问题奠定基础。同时运用修正后的模型对波浪载荷作用下的撑杆屈服强度进行校核,得出波浪砰击载荷对撑杆的结构强度影响较大,因此在半潜式海洋平台设计中,撑杆等细长结构的波浪砰击载荷应被考虑在内。(2)为了更精确地研究恶劣海况下平台局部负气隙现象和波浪砰击载荷,运用重叠网格技术和流体体积函数(VOF)法对半潜平台在规则波下的运动进行数值模拟,在平台与锚泊系统全耦合作用的前提下通过改变浪向角、流速、周期、波高等参数对平台波浪砰击的敏感性进行研究。计算平台立柱和甲板箱所受波浪砰击压强,分析其分布规律和载荷特性并与上文所得气隙分布进行对比分析。由研究结果可知,波浪砰击与周期、波高、流速、波浪入射角关系密切,砰击压强主要分布在立柱下方和顶部以及甲板底部与立柱交界处的迎浪面一侧,此结果为半潜平台设计中需要加强的结构区域提供了参考。(3)根据畸形波波峰陡、非线性特征强烈以及突发性强的特点,对畸形波作用下平台局部负气隙现象和砰击压力分布特性进行研究。运用STARCCM+软件,通过波浪叠加法在指定位置处生成非线性特征突出的畸形波,分析半潜平台在畸形波影响下的砰击压强峰值,并分析其分布特点。结果表明甲板箱底部区域背浪面一侧产生了负气隙现象,发生了较强的波浪砰击现象,同时立柱底部与浮箱相接处也承受了较大的波浪砰击载荷。此结果为半潜平台的设计提供了理论依据。(4)为了验证数值分析方法准确和可行,在水池中进行了模型试验。根据弗劳德和斯特劳哈尔相似准则,设计缩尺比为1:100的平台模型和锚泊系统。进行自由衰减实验测得平台的纵摇和横摇衰减周期,通过改变波高、周期、波浪入射角等参数进行系泊状态下平台的波浪砰击载荷试验,利用压力传感器测得波浪砰击压强并与数值模拟结果对比分析。通过模型试验验证了CFD计算方法的准确性和合理性。