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自升式平台和半潜式平台的稳性计算
-J.A. Van Santen
第1章 引言
半潜式和自升式平台的一个特殊的特征是箱型形状。这个特征使它在计算静水力特点时不引人注意，不像船的这种合计一个各个横截断平稳变化的细长体形状的计算方式。但是，一种箱型形状被认为是由大平面组成的的方法更加合适。本篇论文就集中在这样的一个方法上。当在分析移动式近海岸结构物的静水力特性时，另外一个必须考虑的特征就是在选择横轴方向上的自由。对船舶来说，绕纵向轴是自动假定的，对近海结构物，监管机构要求任意轴向都要考虑到。基于这个结论，临界轴是被定义了。在第6节，我们将会看到，当严格遵守所写的要求后，临界轴的选择目前是十分任意的。基于这个计算方法，相当大的不同可能会产生，当考虑到要求的严格性，这些不同不可能是合理的。在这里所展示的程序的目的是为了计算静水力性能。这不仅意味着排水量和GM值，还可以计算一系列的倾斜角的回复力臂，主体容积和水线面积等。这不仅仅可以计算完整结构，还可以计算破损结构。这个程序的名字——DAMAged Stability反映了这个特征。这个程序被发展为在设计者环境中的一个工具。这个设置只会产生静水力数据，而不会给出任何建议或其他什么。但是，通过互动地使用这个程序，使用者可以对被考虑的形状和计算过程进行控制。大量的注意将会集中在使用程序的效率和避免使用者犯错误。这个程序通过考虑在静水中的静水力特性，以静态方法处理了对倾覆的安全性。今天，海洋工程界意识到这种分析方法的局限性，并且很多的努力被用到实现对实际倾覆机制的深入了解。尽管这些努力将会进行，但关于是否能够在不远的将来静力分析被一个一致的和准确的动力分析所取代，这是一个问题。
第2章 方法
被使用在评估移动式近海结构物的静水力资料的方法直接与它箱型形状表面有关。在DAMAST中，平台形状，存储几何数据和评估静水力是密切相关的。总的结构被认为是大量的舱室组成。每个舱室都对结构的静水力作出贡献。舱室被分割成一个个面板来描述它的外表面。通过对作用在每一面板上的静力和静力矩求和，每一个舱室的静水力资料就确定了（见图2.1）。对大多数情况来说，舱室水平就是用户自定义单元几何形状的水平。通常快速模式被用来定义舱室，但是存在每一个面板进给的情况。对这个程序，面板和它的拐角点组成最低水平的几何定义。由于数字计算处理器的实现，使得这个方法可行。在另一个方面，这些计算机与这个计算方法高度相关。
图2.1 对由板面组成的舱室的结构细分
2.1静水力和力矩的确定
最近几年在很多出版物上都看到一个直接的压力评估方法被展现出来。这里运用的方法是一个对多角平板的直接分析评估.这里对单个面板没有任何尺寸的限制。在确定平衡位置的迭代过程中，不仅每个面板对力和力矩的贡献被计算，而且它们对水线面面积，惯性等的贡献也被计算。这些数据的计算是通过对平板周边的进行积分得到的（见J.A. Van Santen（1985）及文中的图2.2）。一个位于这个平面的水平轴，是参考轴V。考虑从P2到P3的路轨迹，确定这条线上的受力分布是可能的。出于这个目的，下面的坐标系被使用（见图2.3）：
-X=沿着这个面最陡的坡度，起始于点P1
- Y=平行于V，开始于点P2；y垂直于x
-Z=低于水面的深度。
(2.1)
水深作为x的函数，如下图式：
(2.2)
是一个常数。是在垂直轴上的投影。这导致：
(2.3)
在这一阶段，用不同的S替代x和y是很便利的
(2.4)
(2.5)
图2.2
图2.3 一个面板中一小块的排除
X是y的线性函数，如下：
(2.6)
所以：
(2.7)
通过不断绕着外形边界线积分，来至每个桩腿的力的贡献总和对每个板面产生额外的静力。用同样的方式，静水力矩和水线面特征也能够得到。这种方法也适应于像图3所展示的那样，缺少某一部分的复杂外形。值得注意的是对于垂直板或接近垂直板，要定义最陡的坡陡方向。以这种方式获得数据是：
作用在x,y,z方向上的力，轴系定义如图2.4.
图2.4 坐标系
绕x,y,z轴的力矩，原点在重力中心。
水线面面积
绕x,y轴的水线面静力距
绕x,y轴的水线面惯性矩及惯性耦合项
在重心之上的浮心。
原则上，仅仅去计算的话，前6项是足够的。后7项习惯被用在针对合适位置的单元的牛顿型迭代。
2.2迭代程序
静水力分析通常包括迭代计算。例如在查看某处排水量等于重量时的吃水时，对吃水修正的迭代计算就会上演。当纵倾或横倾的力矩不得不归零时，一个更复杂的迭代程序是需要的。在这里展示的程序，一种牛顿迭代方法被用来得到合适位置的单元。例如考虑这种情况横倾是，但是艉吃水和横倾轴的方向将被决定。横倾轴的方向通过一个绕最初的穿过重心垂直z轴的转动来定义（见图2.4）。注意，转轴是固定在单元上，并跟随单元一起的。当在确定排水量等于单元重量的位置和横断面纵轴的力矩为零的位置（特别是对横倾轴），下面的方程被用到：
(2.8)
(2.9)
这两个方程包含不同的(吃水增加量)和(在横轴方向上的改变)。在右手边的是排水量和纵倾力矩的偏差。注意，对力矩来说，绕y轴的力矩被计算。其系数如下：
: 吃水增加量 (2.10)
(1.11)
(2.12)
在中，相关术语解释为：
：水线面惯性矩
：由于有绕水平轴的一个旋转，绕x方向转动的上部分浮力的贡献
：由于有个绕竖直轴的一个旋转，一边转动的浮力发贡献
解决这些方程导致一些改变要被应用来实现吃水和扭矩的平衡。这个迭代进程被编写到最后，这个时候结束：
1、排水量和重量的差别不超过0.01%（大约1m3）.
2、纵倾力臂不超过0.001m.
经验证明当接近最后位置时，系统是高度线性的。因此，通常最后一步导致的不同比上面提及到标准小很多。
当使用这个迭代方法，有一点必须注意的是，导出的方程只对小变形是正确的。这使限制最后一步的所采用尺寸成为必须。经验上来说，这些限制被设置在2.5m和15°。以上所举对自有扭转的实例能够轻松一般化到通过横倾力矩和纵倾力矩为零的条件寻求这个位置。而不是两个未知量，三个未知量出现。尽管使用这个推导方程需要另外的计算，它被认为比试位法更有效。
第3章 内部机构
3.1几何存储空间
正如介绍里提到的一样，这个物体本身和它几何储存空间高度相关。这个被展示在图3.1。每个分隔间通过板面来定义去描述它的外在表面（见图2.1）。对每个分隔间，它的第一个和最后一个板面被储存下来（在程序CMPPAN中，以10和19号为例）。对于每个板，常规向量被存储成PANDAT列。而且，对每个板面，描述其周界的连续点通过第一个和最后一个指针被储存。这个指针指代IPNST0列.这列反过来，又指向每点x,y,x都存入的POINT列。当分隔间输入进去后，这些列通过增加新的数据被填充。出于这个目的，被存入PINPUT列的网格点数据被复制到POINT列。
图3.1 存储舱室的排序
3.2程序部分的描述
这个程序被分为5个主要部分，即：
1、输入；
2、结构的明确数据的分析；
3、每个分间的性能的分析；
4、实用程序；
5、绘图。
输入部分可以被分为两小块即“几何定义”和“控制命令”。几何定义模块通过使用者定义来使形状变成合适的填充的上面提到过的数列。在第4章，可能的选择将会被讨论。命令模块以一种交互对话的方式，通过使用者输入来处理控制命令。例如，在任何时候，使用者可以确定新的重量。这部分程序包含许多对输入一致性的检查。
第二部分处理结构静水力数据的计算。力臂的修正，某个范围吃水内的静水力数据，容量数据等都是一些例子。第三部分是一个纯粹的计算部分，它可以计算被给出姿态角的分隔间的静水力数据。出于这个目的，一组相互关联的子程序被编写出来，如图6所示。对于每一个板面，子程序用于：
1、板面真实润湿部分的分析
2、两个连续点间的线段对静水力数据贡献的分析
如图3.2所示，对于大结构，这些计算程序消耗了大部分的计算时间。这些实用部分执行小的专门的任务，比如解第2章提到的方程，错误信息，存储新的重量和它的位置等。绘图部分提供一个可视化对形状的检查。这也可以在笔式绘图机或屏幕上显现出来。而且，与水线相交的倾斜结构的散点图也能够绘出。图3.3所给的就是这样一个散点图的例子。特别是考虑开口和救生艇的最佳位置时，这样一个散点图很有用。
图3.2 用于静水压估算的子程序
图3.3
3.3核心尺寸和计算时间
当前版本的程序包括大约6000条FORTRAN命令，声明等，这需要200kb来存储。这些存储量的70%是用来展示在图5的那些通过列的来表达的大部件的数据存储（最大有150-200个分隔间）。计算时间和分隔间数目高度相关。在一个典型的稳性计算中，下列近似值应用于上：
Univac 1100/82 : 0.003 sec./compartment
HP 3000/4000 : 0.025
Apollo Domain : 0.02
在通用的36位Univac上，在命令模式下运行时，这些值给出了一个令人满意的结果。对于Apollo（36位机器），产生结果是相当慢的，特别是对超过100个分隔间的大结构。当对Univac版本进一步提高计算速度没有取到成效时，Apollo版本可能会有效。
第4章 用户界面
这个程序被开发成为在交互环境中使用的软件。对于至少5-10个分间的简单物体，在程序运行之前，只需要很少量的准备工作。使用者通过简单的列命令控制程序。这最好通过命令的方式图（如图4.1）解展示，这些命令需要去定义网格点，例如：
GRIDpoint 7 3.0 -1.7 (5.0) SB-FRONT
图4.1 控制程序图解
通常，每一个输入线以一个命令开始，告诉程序这个类型的运行是需要的。在以上例子中，网格点7通过它的x,y,z坐标来定义。对输入设定的可读性，文本可以添加在输入列的最后。在一些案例中，当下一条的命令等于早先的一条，它会被删除掉。一个特殊的子程序将输入条翻译成：
1、命令；
2、数据条目的数量；
3、所给实数的数据条目；
4、所给整数的数据条目；
5、文本部分。
经验告诉我们，这种输入方式是对使用者有好的，也对程序友好。一致性检验和有效性范围是很容易实现的。有时文本部分被用来当作一个子命令。例如，“GRID ?”输出所有到目前为止输入的网格点。
下面列出来使用者可能会使用到的主要命令，见表4-1。
对分隔间数据的输入能够通过三种方式完成，即：
1、COMPartment；
2、BRACing；
3、FACET。
当用一个垂直轴定义圆柱形分隔间时，COMPartment会被用到。同时底部和顶部的z值会被给，就像网格点的x,y坐标被用来计算底部和顶部面的周长一样。顶部面被定义成水平的。底部面可以被弄成倾斜的（见图4.2）。BRACing命令被用在细长分隔间上。通过起始点和结束点来定义轴。使用者输入横截面面积和可选择地输入被用在分隔间生成的拐角数字（见图4.3）。COMP和BRAC命令是一种快速定义分隔间板面的方式，但是，这两个命令对应用在某些确定类型的分隔间有一些限制。对于定义复杂形状，要么COMP，要么BRAC是不合适的，FACEt命令是可以达到要求的。用这个命令，使用者可以分别地输入每一个面。
表4-1 主要命令和一次典型运行程序中使用的次数数目的回顾
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