本研究由Handi Wei、Longfei Xiao、Xinliang Tian（均来自上海交通大学海洋工程国家重点实验室/先进船舶与深海探测协同创新中心）以及Wei Feng（中国海洋石油总公司（CNOOC）研究院）合作完成。题为“Hybrid model testing using pre-offset and asymmetric truncation design for deepwater semi-submersible with highly compliant mooring system”的研究论文，于2018年在线发表于期刊《Journal of Marine Science and Technology》（J Mar Sci Technol）。这篇论文聚焦于海洋工程领域，特别是深海浮式结构的实验与数值模拟技术。
研究的学术背景源于深海油气开发中面临的现实挑战。随着作业水深增加，为抵御恶劣环境载荷并限制平台偏移，广泛采用顺应式系泊系统。这种系统刚度较低，虽有助于降低系泊缆张力，但也导致平台在恶劣海况下产生大幅偏移，可达100米甚至150米以上。这种大幅偏移对平台的安全性和可靠性有重大影响，因此需要对其动力响应进行精确预测。预测方法主要有数值模拟和物理模型试验。然而，数值模拟在预测非线性现象（如波浪爬升）时存在不足，而传统的全水深物理模型试验则因水池尺度有限难以实现。因此，混合模型测试技术应运而生，它结合了物理模型试验与数值模拟，通过设计等效的截断系泊系统在水池中进行试验，再通过数值重构与外推获得全水深系统的响应。然而，对于具有高顺应性系泊系统的平台，其预测的大幅偏移范围使得常规的对称截断设计面临严峻挑战：截断模型的偏移极限往往不足以覆盖预测偏移，导致在关键的大偏移区间内静、动态等效性丧失，混合模型测试的准确性无法保证。本研究的核心目标，正是针对这一难题，提出并验证一种创新的“预偏移与非对称截断设计”方法，以扩大截断模型的等效偏移范围，并成功应用于在恶劣海况下作业的深海半潜式平台的混合模型测试中。
研究的详细工作流程严谨而系统，主要包含以下五个关键步骤。
第一步是问题定义与全水深系统初步分析。研究对象为一个作业于南海1500米水深的半潜式平台，配备一个包含12根系泊缆的高顺应性张紧式系泊系统。研究首先明确了海况条件：对应于南海百年一遇的生存工况，包括不规则波（Hs=13.0米， Tp=15.4秒）、稳定风（Vw=30.8米/秒）和均匀流（Vc=1.85米/秒）。研究团队使用商业软件SESAM对全水深系统在顺浪和斜浪（45度）工况下进行了长达3小时（实尺度）的耦合时域分析，以预测平台的运动范围。分析结果显示，平台在两种工况下均经历大幅偏移，范围分别约为60-150米和75-150米，验证了该系统在恶劣环境下确实存在大幅偏移问题，并确定了截断设计需要覆盖的目标偏移区间。
第二步是截断设计方法的应用与对比。本研究基于1:60的弗劳德相似律，在9.8米水深的水池中进行试验，因此系泊系统需从1500米截断至588米水深。研究首先采用常规方法尝试进行对称截断设计。设计目标是使截断系统的偏移极限超过预测的最大偏移（150米），并采用一种高效的“四阶筛选法”进行多目标优化，旨在保证截断系统与全水深系统在静、动态特性上的等效性。然而，设计结果表明，即使牺牲部分恢复力矩的等效性，对称截断系统的偏移极限最多也只能达到约130米，且无法同时保证恢复力和恢复力矩的等效性，证明传统对称截断设计无法满足本次混合模型测试的要求。这一失败结果凸显了解决大幅偏移问题的迫切性。
第三步是提出并实施创新的“预偏移与非对称截断设计”。针对预测偏移范围远离零位（静水平衡位置）的特点，研究团队提出：不必强求在零位至最小预测偏移的区间内保证等效性，而是可以给系统施加一个“预偏移”，使其初始平衡位置就位于预测偏移区间的起点附近（顺浪取60米，斜浪取70米）。在此预偏移状态下，迎浪侧的系泊缆松弛（张力减小），背浪侧的系泊缆张紧（张力增大），从而导致截断系统的布局天然地变成了非对称。设计目标调整为仅保证在预偏移至最大预测偏移（如60-150米）这一“工作区间”内的等效性。同样采用“四阶筛选法”，研究团队为顺浪和斜浪工况分别设计了两套非对称截断系泊系统。优化后的非对称系统，其锚点位置满足水池假底空间限制，且系泊缆的布置、属性和顶张力在目标区间内与全水深系统高度吻合。数值验证表明，非对称截断系统的偏移极限可扩大至180米以上，比对称系统提高了50%，且静态张力误差控制在5%以内。动态耦合时域分析也显示，非对称系统在模拟大偏移运动时，与全水深系统的吻合度远高于对称系统，例如最大纵荡响应的差异从对称系统的11.4%降至3%以内。
第四步是进行混合模型试验。物理模型试验在上海交通大学的深水海洋工程水池进行。严格按照相似律制造了半潜式平台模型和非对称截断系泊系统模型。试验程序包括：1) 静态偏移试验：在预偏移方向上将平台拖拽至一系列指定位置，测量系统恢复力、恢复力矩及各系泊缆顶张力，用于验证设计的静态等效性。2) 自由衰减试验：测量平台在纵荡、横荡、垂荡、横摇和纵摇方向的固有周期和阻尼系数。3) 白噪声波试验：获取平台运动的响应幅值算子（RAOs）。4) 不规则波试验：模拟百年一遇生存海况，测量平台六自由度运动和各系泊缆张力时程。在试验前，对风、流载荷以及目标波浪谱进行了细致的校准，确保环境载荷模拟的准确性。试验持续了相当于实尺度3小时的时间。
第五步是执行数值重构与外推。在获得试验数据后，研究团队进行了关键的数值处理。首先进行数值重构：使用与试验完全相同的非对称截断系泊系统模型，在SESAM软件中进行时域模拟。通过调整平台阻尼系数等水动力参数，使数值模拟结果（运动与张力）与模型试验结果相匹配。这一步骤旨在“校准”数值模型，确保其能准确复现截断系统的物理响应。然后进行数值外推：在已校准的数值模型中，将非对称截断系泊系统替换回原始的全水深系泊系统，在相同的环境条件下再次进行时域模拟。由此得到的结果，即被视为对装备全水深系泊系统的半潜式平台在恶劣海况下响应的预测。
研究的主要结果丰富且具启发性，在不同步骤中均有体现。在截断设计阶段，结果清晰地证明了预偏移与非对称设计的优越性。对称截断设计的失败与非对称设计的成功形成了鲜明对比，其核心数据支持包括：对称系统的偏移极限仅为130米（<150米），且恢复力/力矩无法同时满足误差要求（部分超过10%）；而非对称系统的偏移极限超过180米，在60-150米（或70-150米）的工作区间内，恢复力误差小于5%，代表性系泊缆的静态张力误差也小于5%。这些静态等效性结果直接为后续模型试验的有效性奠定了基础，逻辑上确保了试验中测量的平台受力环境与真实全水深系统在大偏移区间内是近似的。
在模型试验与验证阶段，结果证实了模型制作的精确性和非对称系统的表现。静态偏移试验结果与数值设计结果高度吻合，验证了物理模型准确地实现了设计意图，且偏移极限确实达到了180米。自由衰减试验测得的各方向固有周期与数值预测值差异小于1.8%，进一步确认了模型系统动力学特性的准确性。白噪声波试验获得的运动RAOs与基于线性势流理论的数值结果在中等频率范围内吻合良好，但在低、高频率区间存在差异，这提示了非线性效应可能的影响。这些验证结果为后续不规则波试验数据的可靠性提供了支撑。
在不规则波试验及数值分析阶段，研究得出了几组关键的结果和深刻见解。首先是关于平台运动响应的统计与谱分析。总体而言，对于低频主导的纵荡/横荡运动，数值重构（基于截断系统）和数值外推（预测全水深系统）的结果均与模型试验结果有良好的一致性，统计值（最大值、平均值、标准差）差异一般小于5-10%。这证明了所提出的截断设计方法及混合模型测试流程在预测平台大尺度水平偏移方面的有效性。然而，在垂荡、横摇和纵摇这些垂向运动方面，出现了显著的差异。特别是在模型试验结果的功率谱密度（PSD）图中，在垂荡固有频率、横摇/纵摇固有频率附近出现了显著的能谱峰值，而这些峰值在基于线性势流理论及Newman近似的数值模拟结果中要么很弱，要么完全缺失。例如，纵摇运动的最小值相对误差达到35.6%，斜浪工况下横摇运动的最小值误差达41.4%。作者对此进行了深入分析，将原因归结为两点：一是恶劣海况下的大波陡、波浪破碎、波浪抨击等强非线性效应，使得线性理论无法准确估计阻尼和波浪激励力；二是半潜式平台靠近水线的撑杆在剧烈运动时频繁出入水面，产生的非线性耦合效应和浮力变化显著影响了垂向运动响应，尤其是激发了在横摇/纵摇固有频率附近的共振响应。
其次是关于系泊载荷的结果。对于松驰（卸载）的系泊缆，其动态张力的平均值和极值在数值重构、外推和试验之间吻合较好，差异一般小于5%，表明截断系统成功模拟了全水深系统中松驰缆的动静态特性。然而，对于张紧（加载）的系泊缆，尽管静态张力平均值等效性良好，但其动态张力的标准差和极值存在较大差异（例如，顺浪工况下加载缆标准差的差异达69.1%）。PSD分析显示，截断的加载缆与全水深的加载缆在波浪频率响应上差异显著。作者指出，这是因为在大偏移下，截断的加载缆可能从悬链线状态转变为张紧状态，而其动态特性与始终保持悬链线状态的全水深加载缆不同。尽管如此，由于标准差相对于平均值较小（<10%），这种差异被认为是可以接受的。
本研究的结论明确而有价值。研究成功提出并验证了“预偏移与非对称截断设计”这一创新技术，有效解决了因深海高顺应性系泊系统引发的大幅偏移给混合模型测试带来的难题。该技术通过设定预偏移、聚焦于关键的工作偏移区间进行非对称优化设计，显著扩大了截断模型的等效偏移范围（提升50%以上），并保证了在恶劣海况下平台水平运动及系泊系统静、动态响应的总体预测精度。研究揭示了线性势流理论在预测恶劣环境下半潜式平台垂向运动（特别是涉及撑杆非线性效应时）的局限性，强调了在数值外推中考虑强非线性和复杂耦合效应的重要性。同时，研究也指出了截断设计在模拟加载系泊缆动态特性方面的固有挑战。该研究具有重要的科学价值和工程应用价值，为在现有实验设施条件下，安全、经济地评估具有大幅偏移特性的超深水浮式平台性能，提供了一套行之有效的完整方法框架。
本研究的亮点突出。首先，其核心创新点在于提出了“预偏移”与“非对称截断”相结合的设计理念，这是对传统对称截断设计范式的突破，为解决特定的大偏移问题提供了新颖且有效的解决方案。其次，研究采用了从数值预测、创新设计、物理模型试验到数值重构与外推的完整、闭环的工作流程，体现了严谨的科学研究方法。最后，研究不仅验证了新方法的有效性，还通过细致的对比分析，深刻揭示了线性数值工具在恶劣海况下的不足及其物理根源（如撑杆的非线性影响、系泊状态转变），这些发现对后续的研究和工程实践具有重要的指导意义。研究中所应用的“四阶筛选法”也展示了处理高维度、多目标截断设计优化问题的有效性。