耦合时域模型在双体船浮托安装多浮体系统中的开发与应用研究

为解决多浮体系统在复杂系泊条件下的非线性动力学预测难题，研究人员开发了基于状态空间模型(CPTDM)的耦合时域模型，应用于Spar平台双体船浮托安装场景。该模型通过整合流体动力学、多体碰撞与非线性系泊动力学，实现了与商业软件AQWA高度一致的仿真精度，显著提升了计算效率，为海上大型结构物安装提供了可靠分析工具。

　　

在海洋工程领域，双体船浮托安装技术因其横向稳定性强、安装容量大等优势，已成为Spar平台等大型海上结构物安装的首选方案。然而，这种涉及多浮体（安装驳船、上部结构与浮式基础）相互作用的系统，面临着流体动力学耦合、间隙共振、非线性系泊等多重挑战。传统商业软件如AQWA虽能模拟此类场景，但卷积积分计算效率低下，且对双体船浮托特有的多体碰撞动力学捕捉不足。

为此，以陈传政（ChuanZheng Chen）为核心的研究团队在前期单驳船浮托模型基础上，开发了面向双体船浮托安装的耦合时域模型。该研究通过整合三项核心技术：基于状态空间模型(Constant Parameter Time Domain Model, CPTDM)的流体动力学快速计算、动态系泊模型(MoorDyn)与多体碰撞模型，构建了高效精准的仿真框架。研究以Kikeh Spar平台0%载荷转移阶段为验证案例，通过对比AQWA的仿真结果，证实了模型在运动响应与冲击力预测上的可靠性。

关键技术方法
研究采用三阶段耦合建模：1) 通过CPTDM将辐射力卷积项转化为状态空间方程，提升计算效率；2) 动态系泊模型模拟驳船与Spar平台的非线性连接；3) 引入Leg Mating Units(LMUs)和Deck Supports Units(DSUs)的碰撞算法，捕捉多体交替碰撞动力学。所有数据来源于Kikeh Spar实际安装参数，包括3.9×10⁶
kg的上部结构质量与38.3 m的驳船间隙。

研究结果
Theoretical backgrounds for the coupled time-domain model
提出松散耦合框架，CPTDM通过状态空间模型将辐射力计算耗时降低80%，同时保持与频域结果误差<5%。

Parameters for the Kikeh Spar float-over installation
案例验证显示，38.3 m窄间隙引发的流体共振可通过等效黏性阻尼修正，其系数取0.05时与AQWA波浪力误差<8%。

Comparative analyses of coupled time-domain models and AQWA
在规则波条件下，模型预测的驳船垂荡运动误差<10%，LMU冲击力峰值偏差<15%，且计算耗时仅为AQWA的1/3。

Concluding remarks
该模型首次实现双体船浮托系统的全耦合动力学仿真，其创新性体现在：1) 通过状态空间模型与黏性修正解决窄间隙共振难题；2) 迭代算法精准捕捉多体交替碰撞过程；3) 动态系泊模型支持复杂连接配置。研究为Spar平台等无槽式安装提供了关键分析工具，被发表于《Marine Structures》。

意义与展望
陈传政团队的工作突破了传统商业软件在计算效率与多体耦合模拟上的局限，尤其对需快速评估安装方案的工程场景具有实用价值。未来可扩展至浮式风电换流站等新兴领域，推动多浮体系统设计标准化。研究获得国家自然科学基金（51809205、52171275、U20A20328）支持，彰显其在海洋工程领域的战略意义。