【论文推荐】| 铰接双浮体时域水动力性能分析

论文导读与观点概要

一、研究目的 

铰接双浮体系统作为海洋工程中一种重要的结构形式，凭借其模块化、可拆解运输、布设灵活等优势，被广泛应用于超大型浮动平台、浮式风电基础以及海上油气开采等领域。与整体固结浮体相比，铰接浮体在波浪作用下因连接处释放部分自由度而具有更高的结构柔性，其动态响应更为复杂，运动特性不仅取决于单一模块的局部响应，更与各浮体间的水动力相互作用、连接方式、波浪特性等多因素密切耦合。这种耦合作用对系统的整体稳定性与运动性能具有显著影响，因此准确揭示铰接浮体在波浪中的相互作用机制，是海洋工程结构设计与布局优化的关键科学问题。然而，现有研究多集中于频域分析，针对时域条件下铰接浮体阵列的水动力分析仍较为有限。本文旨在建立一套高效、精准的时域水动力分析模型，系统阐明水深、浮体间距、波浪入射方向等关键参数对铰接双浮体运动响应的作用规律，为多浮体铰接系统在复杂海洋环境中的运动行为分析与工程设计提供理论依据与技术支撑。

二、研究方法

 研究基于线性势流理论，采用常值（Rankine源）边界元法在时域内求解波浪与三维多浮体系统的相互作用问题。首先将流场速度势分解为入射势、辐射势与衍射势，并满足拉普拉斯方程及自由液面、物面、海底等边界条件；以Rankine源及其海底像为格林函数建立边界积分方程，通过等效单元离散与匹配点法求解。在连接约束处理上，充分考虑各浮体间水动力的全耦合影响，应用最小势能原理与拉格朗日乘子法推导得到浮体间的刚体约束矩阵，进而将约束矩阵与各浮体运动方程联立，导出包含附加质量、附加阻尼、恢复力、波浪激励力及约束力的系统整体时域运动方程，实现了频域约束方程向时域运动方程的转换。为消除初始效应，引入缓冲函数对物面边界条件进行缓冲处理，并采用四阶龙格-库塔方法迭代求解流固耦合过程。模型精度通过与Newman及王桂波等已发表的两漂浮方箱在铰接、固结两种连接状态下运动响应的对比予以验证；随后开展系统的参数化数值研究，分析入射波方向、波浪周期、浮体间距及吃水深度对系统运动性能的影响。

三、研究结果 

数值结果表明，各因素对铰接双浮体运动响应的影响呈现明显的频率选择性与空间特征。在水深方面，系统垂荡与纵摇响应均在共振周期（约7 s）附近达到峰值，50 m与100 m水深下的无量纲垂荡峰值约2.8～2.85，而20 m浅水工况峰值约2.2、降幅约20%，说明水深效应主要集中在共振附近，且由浅水增至中等水深时变化明显、继续增深后趋于饱和；波场云图显示深水条件下波能更易集中、结构与波浪耦合更强。在浮体间距方面，间距由10 m增至22 m时，垂荡与纵摇整体峰值总体降低（纵摇峰值由约1.8降至约1.2、降幅约33%），共振周期右移，但5～6 s短周期区间存在曲线交叉与非单调变化，体现出"局部响应增强与远场干涉扩展"的双重效应。在波浪入射方向方面，转角（纵摇）响应峰值随入射角由0°增至60°单调下降（降幅约40%），而垂荡峰值在45°浪向下反而最高（略超3.0），表明系统对浪向存在显著的方向性依赖，且波场绕射、反射的不对称性随入射角增大而加剧。

四、研究结论 

研究基于线性势流理论，采用常值边界元法，建立了用于分析铰接双浮体系统在规则波浪作用下水动力响应的时域模型。通过对模型精度的验证以及多种典型工况的数值模拟，全面探讨了水深、浮体间距及波浪入射方向对系统运动性能的影响，得出以下主要结论： 

1）水深影响显著且具有非线性特征：在短周期波浪条件下，水深变化对系统运动响应的影响较小；但在长周期波浪（接近共振区）中，随着水深增加，浮体的纵荡与垂荡响应显著增强。当水深超过一定临界值后，响应幅值趋于稳定，表明系统逐步接近“无限水深”工况。波场分析表明，深水有助于波能集中，增强结构与波浪的耦合强度。 

2）浮体间距对系统共振响应具有双重作用：在短周期波浪下，间距的增加削弱了浮体间的耦合刚度，反而可能激发原本响应较小周期段的共振行为；而在长周期波浪中，间距对响应幅值影响较小。值得注意的是，过小间距易引发局部强耦合共振，提升响应峰值，而过大间距则可能导致远场干涉增强，传播区域扩大，但局部响应减弱。

3）波浪入射方向对系统存在方向性响应特征：浪向变化对系统的纵荡与纵摇响应具有显著影响，尤其在共振频率附近，系统响应随浪向变化而产生明显波动。相比之下，垂荡响应对浪向变化不敏感，但其峰值出现的周期会随浪向变化略有前移。这表明铰接结构对波浪激励的方向性十分敏感，需在设计中合理考虑浪向布设。 

4）波场分布规律揭示了结构与波浪耦合机制：通过波高云图分析发现，在共振周期下，系统周围波场呈现出对称性强、能量集中等特征；而在非共振周期或非主轴浪向下，波浪传播路径受到结构绕射与反射影响，能量分布趋于非对称。不同水深与间距下，波场干涉、能量聚焦与局部激励呈现明显差异，进一步验证了耦合响应的频率选择性与空间特征。 

5）工程启示与方法价值：文章提出的基于时域线性势流理论的建模方法在保证计算效率的同时，能够较准确地捕捉多浮体系统的动态响应趋势，适用于工程初期参数优化与方案筛选。研究结果对浮式风电基础、模块化浮式平台等结构的布局设计、连接方式选型及稳定性控制提供了理论依据。建议未来结合响应面法、多目标优化工具对结构响应与设计变量之间的耦合关系进行进一步建模与优化，提高系统适应性与抗扰动能力。采用的基于线性势流理论的边界元法在多浮体系统的水动力响应研究中具有建模效率高、耦合机制表达清晰、适用于多参数敏感性分析等优势。相较于黏性CFD方法（如RANS）与物理试验手段，该方法更适合工程设计前期对结构响应趋势的快速评估与布局参数筛选，计算资源需求低，结果收敛性良好。然而，在处理大幅波浪、强非线性自由面演化和黏性耗散等问题时仍存在一定的局限性，后续可结合黏性数值模拟或试验验证进一步提高结果可靠性。

从工程实践角度来看，铰接浮体结构在浮动风电基础、多模块浮式平台、柔性连接通道等领域已有初步应用，文章提出的方法和研究结果可为其在布设参数、波浪入射方向选择及结构响应调控等方面提供技术支持。结合数值分析结果，进一步可围绕浮体间距布设、连接刚度调整、铰接方向控制等关键参数开展结构优化设计研究。未来建议引入响应面法、遗传算法等优化工具，对结构性能与设计变量之间的耦合关系进行建模与多目标优化，以提升结构稳定性和适应性，增强方法的工程实用性与推广价值。 

相关图表

本文引用格式：陈晟, 张曙光, 栗铭鑫, 等. 铰接双浮体时域水动力性能分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 128-140.  (CHEN Sheng, ZHANG Shuguang, LI Mingxin, et al. Time-domain hydrodynamic performance analysis of articulated twin-body floating systems[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 128-140.  (in Chinese)）

作者简介：   

 陈晟（2000—），男，硕士研究生，研究方向为波浪作用下多浮体水动力。E-mail：13365751572@163.com

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