0 引　言

我国远海油气资源蕴藏丰富，而远海作业的后勤补给能力直接影响钻井作业，后勤补给失效甚至会导致作业停滞^[1]。而远海海域距离大陆较远，而采用远海后勤支持浮式码头是更为有效的综合作业保障能力方法。通过采用补给船往返浮式码头和平台之间，可有效提高补给效率、降低补给风险。研究补给船靠泊对浮式码头水动力性能的影响，能够指导靠泊作业实际操作，并对浮式码头可作业海况的确定提供参考和指导。

补给船靠泊浮式码头的动力学分析是典型的多浮体耦合水动力分析问题，其主要方法包括理论分析、数值模拟和模型试验。早期学者以多浮体三维势流理论直接对简单几何外形多浮体结构进行分析，随着数值计算方法和计算机技术的发展，出现了大量以三维势流理论为基础的多浮体水动力数值研究。王月等^[2]基于三维势流理论，对张力腿生产平台和支持平台组成的耦合系统进行动力响应分析，结果表明发现平台运动和系泊动力响应对浪向角比较敏感，将张力腿平台作为迎浪平台，将有效减少两平台的相对运动。郭飞等^[3]讨论分析了波浪作用下双船并靠系统的模型在不同波浪工况下浮体的波浪力计算结果，通过对比全QTF 和 Newman 近似方法的二阶慢漂力计算结果，证实了 Newman 近似方法同样适用于多浮体系统。黄从亮等^[4]采用三维势流理论对近距离靠泊条件下的钻井支持平台和生产平台的相对运动进行研究，并采用水池试验进行了验证。由于势流理论忽略了水体黏性，在分析浮体间的狭窄水域内会出现水体共振，为了抑制这种失真的水体过度升高现象，目前常采用加盖阻尼法对势流理论进行修正，或直接采用计算流体动力学（CFD）直接水体黏性的影响。Xu 等^[5]将该方法应用于小间距驳船旁靠系统，证实了加盖阻尼法可以有效抑制过大的波面升高。除此之外，Shivaji 等^[6]通过CFD直接考虑水体黏性的影响，在数值波浪水池内计算了两船旁靠系统的绝对和相对运动，详细说明了由于非线性入射波引起的非线性问题的重要性。除数值计算之外，模型试验也作为多浮体响应研究可靠方法之一。Hong 等^[7]通过试验研究了浮式生产储油平台和液化天然气运输船耦合系统在旁靠和串靠2种不同布置形式下的船体运动响应和相互作用力。徐乔威等^[8]研究了风浪流联合作用下浮式液化天然气旁靠系统的运动和受力响应，发现斜浪下系统响应更明显。

本文基于三维势流理论，采用水动力分析软件AQWA对不同数量的补给船靠泊下的浮式码头进行水动力分析和频域运动响应分析，比较分析了不同泊位、不同数量的补给船靠泊下，对浮式码头水动力和运动响应的影响。并在此基础上，基于运动响应短期预报，分析和评估得到最不利靠泊工况，为浮式码头设计和运营提供参考。

1 浮式码头及补给船主要参数

本浮式码头采用半潜式驳船改造而成，在满足浮式码头储存、载重的同时，也方便补给船靠泊，并具有自航性能。码头设置有3个泊位，最多允许3艘补给船同时靠泊作业，浮式码头及典型的补给船参数如表1所示。坐标系的原点坐标原点取为尾垂线、中纵剖线与水线面相交处，补给船与码头之间设置的互舷高3 m。

2 数值模型 2.1 水动力计算模型

为分析不同补给船数量条件下的运动分析，基于势流理论的Ansys-AQWA对浮式码头和不同数量的补给船进行建模，码头的边界元模型如图1所示。采用的波浪周期为4～40 s，间隔0.456 s，共80个波浪周期、采用的波浪入射角为0°～360°，间隔15°的23个入射角度对3个计算模型进行分析。从而得到浮式码头的水动力参数，包括附加质量系数、辐射阻尼系数、一阶波浪力、平均漂移力以及浮体的运动响应RAO。

2.2 网格无关性验证

为了保证数值计算的可靠性，首先针对单一浮式码头采用不同网格数目模型进行水动力分析，对比分析计算结果，以验证计算结果与网格数目的无关性。本文分别采用了3种网格密度的浮式码头水动力分析模型进行分析对比，网格划分设置的网格大小分别是1.5 m、1.0 m和0.8 m，对应网格数目分别是3569、12702和19602。图2为在首斜浪工况下，浮式码头垂荡波浪力和运动响应RAO计算结果的对比。结果表明，不同数目网格的计算模型仅在高频区域少量频率点结构有所差异，整个频率域内计算结果保持一致。本文最终分析采用网格数目为19602的模型进行分析。

3 计算结果 3.1 单一补给船靠泊下的浮式码头运动响应

实际补给船靠泊浮式码头作业时，码头和补给船的3个波频运动响应垂荡、横摇以及纵摇运动幅度对靠泊作业起着制约因素。在不同浪向角下，浮式码头和补给船的垂荡、横摇以及纵摇运动响应RAO曲线如图3所示。

首先对比3个运动方向上的浮式码头和补给船的运动响应，结果表明补给船和浮式码头间的水动力相互作用对浮式码头运动影响较小、对补给船的影响较大。对比−135°和135°、−90°和90°、−45°和45°等3组工况，无论是垂荡、横摇还是纵摇，在这3组纵轴对称入射角工况下，浮式码头运动响应RAO曲线差别较小，而补给船运动响应差别较大。补给船迎浪角度（负入射角）工况下的运动响应，明显大于顺浪角度（正入射角），说明实际工况下，浮式码头对补给船具有良好的遮挡效果。此外，浮式码头的运动响应近似保持着类似单一码头工况的特征，在频域上基本体现为单一峰值曲线，而补给船运动响应在高频出现振荡，表现为多峰值的情况，这也是水动力相互作用对补给船运动影响的表现。此外，整个频域响应结果而言，在3个波频运动响应上，浮式码头的运动响应要小于补给船的运动响应。

在实际靠泊作业中，一般系缆将补给船和浮式码头连接在一起，在浮式码头锚泊系统的约束条件下，补给船和浮式码头的纵荡、横荡和首摇运动基本一致，且该运动为低频运动，对货物运输、人员转移影响不大，而波频运动幅度则会直接影响作业的安全性。对于靠泊的补给船而言，补给船相对浮式码头的垂荡运动幅度，直接影响补给作业的进行。基于浮式码头和补给船的水动力分析和运动响应分析结果，选取补给船和浮式码头相邻点为计算参考点，如图4 (a)所示。输出在不同浪向条件下，2个计算参考点的相对垂荡运动RAO如图4(b)所示。结果表明运动幅度最大的波浪入射角为−90°，即补给船在迎浪位的横浪工况下，计算参考点的垂荡运动响应最大。而在实际工程中应尽量避免该工况，即优先将补给船靠泊在下浪位，让浮式码头对补给船进行遮蔽。同时根据实际海洋环境统计结果，合理选择浮式码头锚泊点位置和方向，尽量避免和减少横浪工况的出现。

3.2 不同补给船靠泊下的浮式码头运动响应分析

分别对不同数量补给船靠泊工况下，浮式码头运动响应RAO进行分析。图5为3种靠泊工况下，在−135°首斜浪波浪入射条件下，浮式码头垂荡、横荡以及纵摇运动响应RAO。计算结果表明，不同数量补给船靠泊下，浮式码头的垂荡和纵摇运动响应差别不明显，而横摇运动有较明显差异。相比1艘补给船靠泊工况，在2艘、3艘补给船靠泊下，浮式码头的横摇运动高频部分得到了增加、低频部分得到了减弱，在频域上展示出为多峰共振的特性。该结果表明，随着补给船的数量增加，补给船与浮式码头的水动力相互作用对浮式码头的运动响应、特别是横摇运动的影响显著提升，而在增强的高频区域波浪频率为0.75～0.9 rad/s，对应的波浪周期为6.97 ～8.37 s，为实际波浪卓越周期范围内。因此相比单船靠泊工况，多船靠泊工况下的浮式码头运动响应更大。因此，在实际工程中，应考虑双船或三船靠泊工况以确定浮式码头可作业工况。

4 结　语

本文基于三维势流理论，采用水动力分析软件AQWA对不同数量的补给船靠泊下的浮式码头进行水动力分析和频域运动响应分析，比较分析了不同泊位、不同数量的补给船靠泊下，对浮式码头水动力和运动响应的影响，得到以下结论：

1）补给船与浮式码头的相对垂荡运动直接制约靠泊作业安全性，当补给船处于迎浪位，且为横浪工况时，相对垂荡运动达到最大。

2）补给船靠泊作业时，应优先选择下浪位靠泊并避免横浪工况，以减小补给船的运动响应，同时也能有效降低补给船相对浮式码头的垂荡运动，从而提高作业的安全性。

3）随着补给船数量增加，浮体间的水动力相互作用对浮式码头的运动响应影响增加，特别是横摇运动。相比单船靠泊工况，多船靠泊工况下的浮式码头横摇运动响应更大。因此，在实际工程中，应考虑双船或三船靠泊工况以确定浮式码头可作业工况。