基于《Frontiers in Marine Science》期刊研究的学术报告：系泊铰接多体浮式平台在迎浪中的耐波性标准研究

一、 研究作者、机构与发表信息 本研究由德国杜伊斯堡-埃森大学船舶技术与海洋工程研究所的Changqing Jiang*、Ould El Moctar以及中国大连理工大学船舶工程学院的Guiyong Zhang共同完成。研究论文《Seakeeping criteria of a moored and articulated multibody floating platform in head seas》于2023年2月23日在线发表在开放获取期刊《Frontiers in Marine Science》上，隶属于该刊的“海洋解决方案”专题版块。该研究得到了欧盟“地平线2020”研究创新计划以及中德科学基金联合项目的资助。

二、 学术背景与研究目标 本研究属于海洋工程与船舶流体动力学领域，具体聚焦于大型多体浮式结构物的耐波性（Seakeeping）与可操作性分析。随着全球人口向沿海地区聚集、海平面上升以及陆地空间日益紧张，对海上可用空间的需求不断增长。与传统的填海造陆相比，浮式结构物（如超大型浮式结构物，VLFS）具有适用于深水、可搬迁等优势。在此背景下，欧盟的“Space@Sea”项目提出了一种标准化的模块化浮式概念，通过连接多个较小的标准化模块来构建大型平台，旨在降低成本、提高灵活性并减少环境影响。

然而，与传统的单体船或连续式VLFS不同，模块化浮式结构物（MFS）由多个相对较小的浮体模块通过机械连接（如铰接）和系泊系统组合而成。这种多体系统在波浪中的水动力响应（运动、载荷）极为复杂，涉及多体水动力相互作用、非线性系泊动力学以及机械连接的约束效应。目前，针对此类铰接多体浮式平台在波浪中的性能评估，尤其是明确其可操作性的耐波性限制标准（如允许的最大运动、加速度等），尚缺乏成熟的设计规范和标准。现有指南多针对单体船舶或固定式平台，难以直接应用于此类新型多体系统。因此，本研究的主要目标是：针对一个由50个浮体模块通过铰接连接、并由悬链线系泊的多用途浮式平台，系统性地分析其在迎浪条件下的可操作性，确定其耐波性性能的限制标准，并阐明这些标准如何限制平台的功能性。研究旨在为这类新型海上结构的工程设计、安全评估和运营管理提供关键依据。

三、 详细研究流程与方法 本研究采用了一种“两步走”的数值模拟策略，结合频域和时域方法，以高效、合理地考虑多体相互作用、非线性系泊和铰接约束。

1. 研究对象与平台配置： 研究的具体对象是“Space@Sea”项目中设想的一个多功能浮式枢纽平台。该平台由50个标准混凝土浮体模块（5行×10列）组成，模块之间通过允许绕单一轴旋转的铰接关节连接。平台外围还附着了多个波能转换器（WEC）以帮助消波。整个平台通过多根系泊链（悬链线）定位。研究特别关注其中功能为“能源”和“居住”的模块，因为它们的运动限制标准不同（居住模块要求更严格）。标准模块的主要参数为：长45米，宽45米，吃水9米，质量约18281.9吨。系泊系统采用无挡锚链，长度600米。

2. 数值方法： 研究采用商业软件ANSYS AQWA进行数值模拟。该软件基于势流理论，采用“弱非线性”时域方法。具体流程如下： * 第一步：频域水动力分析。 使用AQWA的衍射模块，在频域内求解每个浮体模块的线性水动力系数，包括附加质量、辐射阻尼、一阶波浪激励力以及二阶慢漂力传递函数（QTF）。该方法仅需对浮体湿表面进行面元离散，利用格林函数自动满足自由面条件和无穷远辐射条件。 * 第二步：时域耦合动力分析。 使用AQWA的响应模块，在时域内求解多体系统的运动方程。该方法的核心是将频域计算得到的脉冲响应函数通过卷积积分引入时域运动方程（Cummins方程）。为了考虑关键的非线性因素，研究在时域计算中引入了以下处理： * 非线性Froude-Krylov力和静水力： 基于瞬时波面（而非平均湿表面）计算波浪入射力和静水恢复力，这能更准确地捕捉大振幅运动下的非线性效应。 * 多体机械连接： 通过运动学约束方程将铰接关节建模为仅允许绕特定轴相对旋转的约束，不允许相对平移。关节处的约束力和力矩通过计算铰接截面载荷获得。 * 非线性系泊动力学： 采用集中质量法对悬链线系泊缆进行建模，将缆索离散为一系列质量点，考虑其重力、浮力、流体拖曳力、附加质量以及海底接触的非线性弹簧-阻尼效应，并与浮体运动进行全耦合求解。 * 第三步：模型验证。 在应用于复杂平台之前，研究团队使用先前已发表的模型试验数据对数值方法进行了验证。对比了单个浮体模块以及一个两模块铰接系统在规则波中的运动响应幅值算子（RAO）。结果表明，在共振频率区外，数值模拟与试验结果吻合良好；在共振区附近存在一些偏差，这主要归因于势流理论未考虑粘性效应以及试验中可能存在的铰接阻尼。总体而言，该方法被认为是保守且适用于工程评估的。

3. 可操作性评估流程： * 规则波响应计算： 首先，在迎浪条件下，对完整的多体平台进行一系列规则波（不同频率）的时域模拟。从时历结果中提取每个关注模块（如能源模块B26、居住模块B16、B17）在六个自由度上的运动响应幅值算子（RAO），以及模块间的相对运动、铰接力、系泊张力等。 * 短期统计分析与限制标准确定： 然后，将得到的RAO（作为传递函数）与描述实际海况的波浪谱（本研究采用JONSWAP谱）相结合，进行短期统计分析。计算各响应量（如横摇/纵摇角、水平/垂向加速度）在给定海况（不同有效波高Hs和谱峰周期Tp组合）下的响应谱、统计矩、有义幅值（1/3平均值）和均方根值（RMS）。 * 标准对比与可操作海况图绘制： 最后，将计算得到的统计响应值与预设的耐波性限制标准（见表1，如居住模块：最大RMS纵摇2°，最大RMS水平加速度0.15 m/s²（乘客）/0.2 m/s²（工作人员），最大RMS垂向加速度0.3 m/s²（乘客）/0.7 m/s²（工作人员））进行对比。对于每个限制标准，确定其不被超越的临界海况条件（Hs-Tp组合）。通过绘制不同标准下的可操作海况图（Operability Diagram），找出制约整个平台可操作性的最严格标准。

四、 主要研究结果 1. 规则波响应特性： 对平台在规则波中的模拟显示，在迎浪条件下，平台主要产生纵荡、垂荡和纵摇运动，横荡和艏摇运动可忽略不计。位于同一行的模块（如R1行的各模块）在纵荡、垂荡和纵摇上的运动响应非常接近，表明在迎浪时，沿波浪传播方向排列的模块运动具有一致性。然而，横摇运动在不同模块间存在差异，这主要受模块间相互作用以及附着的WEC影响。 2. 相对运动与连接载荷： 相邻模块间的相对运动、速度、加速度以及铰接处的约束力也被详细分析。结果显示，铰接力主要集中在其轴向（例如，对于纵向排列的模块，主要力分量在纵荡方向），且表现出一定的非线性特征。系泊张力同样显示出非线性特性，特别是在平台尾部和侧向的系泊缆上。 3. 关键模块识别： 对比能源模块（B26）和居住模块（B16， B17）的运动RAO发现，在相同海况下，它们的响应幅值几乎相同。由于居住模块的运动和加速度允许限值更为严格，因此整个平台的最终可操作性将由居住模块的限制标准决定。进一步比较发现，模块B16的响应略大于B17，因此B16成为决定平台整体耐波性极限的关键模块。 4. 短期统计与限制标准分析： 对关键模块B16在不同海况（Hs从1.0米到6.0米，Tp从8.0秒到13.0秒）下的响应进行统计分析是研究的核心。 * 纵摇角限制： 计算了B16纵摇角的有义幅值和RMS值随海况的变化。当以RMS纵摇不超过2°为标准时，可以确定一系列可接受的海况（Hs-Tp组合）。同时，利用二阶非线性修正的韦布尔分布，估算了纵摇角超过最大允许值（5°）的概率。 * 加速度限制： 同样计算了水平和垂向加速度的RMS值。结果显示，在大多数海况下，垂向加速度的RMS值显著高于水平加速度。 5. 决定性限制标准： 通过绘制并对比基于纵摇、水平加速度和垂向加速度RMS值的可操作海况图（见图15），研究发现：垂向加速度的RMS值是决定平台可操作性的最严格标准。也就是说，为了满足人员（尤其是未经训练的乘客）的舒适性要求（RMS垂向加速度 ≤ 0.3 m/s²），平台所能承受的海况条件比基于纵摇或水平加速度限制的条件更为苛刻。因此，平台的最终限制性标准由垂向加速度决定。

五、 研究结论与价值 本研究成功地对一个复杂的、系泊铰接多体浮式平台在迎浪中的耐波性性能进行了系统分析，并确立了其可操作性的限制标准。主要结论是：对于此类设有居住区的多用途浮式平台，人员舒适性，特别是由垂向加速度衡量的舒适性，是制约其在波浪中可操作性的最关键因素。尽管平台的旋转运动（纵摇）对其耐波性能有显著影响，但最终的极限海况由垂向加速度标准界定。

本研究的科学价值在于，它提供了一套完整的方法论，用于评估具有复杂机械连接和非线性系泊的多体浮式系统的可操作性。所采用的“两步走”弱非线性时域方法，平衡了计算效率与关键非线性效应（瞬时湿表面、系泊、铰接）的考虑，为类似复杂系统的工程分析提供了实用框架。其应用价值则直接体现在为“Space@Sea”这类新型模块化浮式岛屿的设计和运营提供了具体的工程指导：设计师可以依据本研究确定的可操作海况图，来优化平台配置、调整系泊设计或制定安全运营窗口；运营者则可以根据预报的海况（Hs， Tp），快速判断平台当前状态是否适合居住或进行特定作业，从而保障安全和舒适性。

六、 研究亮点 1. 研究对象新颖且复杂： 首次系统性地研究了由多达50个浮体通过铰接和系泊组成的超大规模多体浮式平台的耐波性标准问题，填补了该领域的研究空白。 2. 方法具有综合性与工程实用性： 研究采用了耦合频域-时域的“弱非线性”势流方法，并创新性地将非线性Froude-Krylov力、铰接运动学约束以及动态悬链线系泊全耦合求解，在保证一定精度的同时，实现了对如此复杂系统的高效分析。 3. 明确了核心设计制约因素： 通过详尽的参数化研究和短期统计分析，明确指出并量化了垂向加速度是此类带居住功能的多体浮式平台可操作性的主导限制标准，这一结论对工程设计具有直接的指导意义。 4. 提供了普适性分析流程： 论文在结论部分总结了一个清晰的、分步骤的模块化浮式概念耐波性标准确定流程（从几何准备、配置优化、最坏工况识别、线性/非线性计算到与标准对比和优化迭代），可供其他类似项目参考。

七、 其他有价值内容 研究还简要讨论了方法的局限性，例如势流方法在共振频率附近可能因忽略粘性而存在误差，以及数值模型中未将所有模块间隙都用铰接连接（避免形成闭环）的简化处理，但认为这对结果影响不显著。此外，研究强调了未来工作可以考虑完全非线性方法（如计算流体动力学CFD）或考虑水弹性效应，以获取更高精度的载荷预报，特别是在极端波浪条件下。这些讨论为后续研究指明了方向。