半潜式平台气隙预测技术评估及非线性影响因素研究

本文系统评述了半潜式平台气隙（air gap）预测中模型试验、频域分析与时域模拟的优劣，重点解析了低频共振和非线性机制（如QTFs、Morison阻尼）对极端气隙的影响，提出了融合波浪不对称因子与改进极值统计的精准预测框架，为海洋工程安全设计提供关键理论支撑。

　　

Extreme value prediction techniques

瞬时气隙定义为静态气隙a₀(x,y)减去指定位置(x,y)的上涌量χ(x,y,t)：

a(x,y,t) = a₀(x,y) ? χ(x,y,t)

上涌量定义为相对波面高度：

χ(x,y,t) = η(x,y,t) ? z(x,y,t)

其中z(x,y,t)为垂直运动，η(x,y,t)为波面高度。各量均包含线性和非线性贡献，上涌量可分解为波频（χ^WF）、差频（χ^LF）和均值（χ^mean）分量。

Test model

EXWAVE为双对称半潜式平台，含两个浮箱、四根立柱和两根支撑梁。主要参数见表1。试验在MARINTEK海洋水池以1:50缩尺进行，采用软系泊系统限制水平偏移。

Hydrodynamic analysis model

二阶势流计算需精细网格以保证收敛性。网格整体尺寸为1.5米，水线附近垂直间距细化至0.1米，四分之一模型共2875个面板（图8）。波浪频率范围0.15–1.92 rad/s，间隔0.03 rad/s，共60个波成分。Morison模型用于量化细长结构件的流体动力阻尼。

Time-domain simulation model

频域分析受限于线性假设，时域模拟可显式处理风、流、系泊载荷、非线性复原力与瞬时位移，更严格评估上涌极值。平台时域运动方程为：

(m + A_∞)X?(t) + ∫₀^tR(t?τ)X?(τ)dτ + KX(t) + F_D(t) + F_B(t) = F_w⁽¹⁾(t) + ...

Wave asymmetry factors

通过数值模拟与试验数据关联确定波浪不对称因子。因该因子主要关联波频成分，探头记录经高通滤波抑制低频贡献。将试验滤波后上涌的90百分位极值与频域分析结果匹配，通过迭代条件χ₉₀(α) = ... 推导因子α。

Conclusions

本研究全面评估了半潜式平台气隙预测技术，明确了各方法在不同波浪条件下的有效性。关键影响因素包括波浪不对称因子、粘性阻尼、支撑梁出水和统计方法。推导的QTFs表明Newman近似显著低估差频波浪载荷，导致...