錨泊系統(tǒng)系泊系統(tǒng)計算方法

1、PrePareCl On 22 NOVember 2020錨泊系統(tǒng)系泊分析錨泊系統(tǒng)的分類按系泊形式分為三種定位系統(tǒng)：單點系Jfi(SinglePointMooring)x輻射式系 泊(SPeadmOOring)和動力定位(DynamiCPOSitiOnS)16211910以下主要介紹單點系泊系統(tǒng)和輻射式系泊系統(tǒng)。3.1.1 單點系泊(SingIePOintMOOring)單點系泊系統(tǒng)與固定碼頭相比，它的最大特點即系泊方式是“點”，也就是 大型油輪或超大型油輪可以系泊于近海海面上的一個深水“點，然后進行裝卸 貨操作。單點系泊的優(yōu)點如下：單點系泊的將碼頭由岸邊移至海上，解決了世界上絕大部分港口航道

2、 較窄、較淺、規(guī)模較小，不能與大型油輪和超大型油輪發(fā)展相匹配的 矛盾；單點系泊具有漂浮式和旋轉(zhuǎn)式的特征，受氣候影響較小；節(jié)約投資：一般情況下，建設同樣等級的固定碼頭，其費用遠高于建 設單點系泊系統(tǒng)。單點系泊系統(tǒng)的分塔式單點系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔式錨泊系統(tǒng)是80年代中期發(fā)展起來的一種新型的單點系泊系統(tǒng)。其特 點是在一定位浮體的內(nèi)部或外部有一轉(zhuǎn)塔，該轉(zhuǎn)塔上系有由多根錨泊線組 成的錨泊系統(tǒng)。轉(zhuǎn)塔上還有多通道的旋轉(zhuǎn)接頭，用于傳輸油類或其它液 體。被定位浮體可繞轉(zhuǎn)塔作水平面內(nèi)的360度回轉(zhuǎn)，從而使浮體在風標效 應作用下處于受力最小的狀態(tài)。相對于其它型式的單點系泊系統(tǒng)，轉(zhuǎn)塔錨 泊適用于更大

3、的水深及環(huán)境條件惡劣的海域。這種系統(tǒng)移動靈活，安裝費 用低，便于維修與保養(yǎng)。轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)分為外部轉(zhuǎn)塔式、內(nèi)部轉(zhuǎn)塔式、轉(zhuǎn)塔/立管系統(tǒng)的變化 (鏈配重平衡系統(tǒng)、浮式轉(zhuǎn)塔立管系統(tǒng)、立管配重平衡系統(tǒng)等)等幾種類 型。 CALM(CatenaryanChOrIegnIOOring)CALM是由重力來提供恢復力的系泊系統(tǒng)有懸鏈錨腿系泊系統(tǒng)。CALM系 統(tǒng)是由重力提供恢復力的系泊系統(tǒng)的典范，在海上油田開發(fā)及輸油終端中有著 廣泛的應用。按放射線布置的懸鏈系統(tǒng)是CAlM單點的主要組成部分。錨鏈或鋼索通常 為6 8根，以6根居多這樣.即使1根錨鏈或鋼索破斷系統(tǒng)仍能維持穩(wěn)定 24 OCAIM有深水型和淺水型之分深

4、水型因鋼索重量較輕，回復力大而廣泛采 用鋼索；淺水型因考慮到布置、操作、使用壽命及吸收沖擊的能力而多采用錨 鏈。 SALM (S i Iigleanchorlegmoori ng) 此系統(tǒng)是利用水面附近或者水面上具有大浮體的垂向具有預張力的立管系 統(tǒng)，深水中的單錨腿系泊(SALM-SingleAnChOrLegMOOring)系統(tǒng)將立管分 為許多組件(一邊使用鉆井設備進行安裝)，并使其完全成為張力部件，除 了在立管上部設置提供張力的浮筒外，還在每一段上設置浮箱以提供支持 力。在懸鏈錨泊線上設置浮筒，可以有效地減少錨泊線的動張力，但位移 較大W3.1.2 輻射式(SPreadmOOring)系泊

5、系統(tǒng)的分類130,163,191輻射式系泊方式保持船舶定位不管環(huán)境條件的變化，因此其環(huán)境載荷的方向更敏感些。輻射式系泊系統(tǒng)模型由船在水平面上的慢變運 動、環(huán)境載荷、水動力存儲和系泊模型組成。其特點是分散式布錨方式，使錨泊線占用空間較大，位移較小，必須考慮 到管線、立管或其它水下設備的維修。其也可以與張力腿平臺聯(lián)合使用，可以 有肋于抵消張力腿平臺TLP水平方向的載荷，減小其水平運動。輻射式系泊定位效果較佳，但其系泊力往往較大。這是因為多點系泊狀態(tài) 的浮體受到錨系的約束較強，無法順著外載荷較自由地移動，因而作用于浮體 的外載荷通常較大。另外，根據(jù)力學原理.如果多點系泊錨系中諸錨鏈之間的 張角較大，

6、也會導致較大的錨鏈張力。因此，定位效果和錨鏈張力是多點系泊 系統(tǒng)兩個令人十分關心的問題換言之浮體運動和系泊力是輻射式系泊研究的 重要方面。3.1.3 動力定位(DynamiCPOSitiOn) 1631動力定位可以作為單獨的定位系統(tǒng)也可以輔肋錨泊系統(tǒng)，動力定位通常使 用聲波通過音速箱來定位，或通過GPS定位。定位系統(tǒng)（錨泊系統(tǒng)或具有推進 功能的裝置）由計算控制。錨泊系統(tǒng)數(shù)值計算方法3.5.1錨泊系統(tǒng)數(shù)值計算方法按力學特性劃分為靜力、準靜力和動力數(shù)值分析方 法。3.5.1.1靜力數(shù)值分析方法Egg靜力數(shù)值分析方法計算簡便，能夠滿足一定的精度要求，在工程中得到廣 泛運用。在運用此分析方法時，常常是

7、已知浮式結構物所受的外力，然后根據(jù) 錨泊力的水平分量與風力和流力的水平分量相平衡的原則，確定浮式結構物的 平衡位置，并求出在此平衡位置時，錨鏈對浮式結構物著鏈點的拉力，此拉力 即為系泊外力，供浮式結構物結構強度校核用。3.5.1.2準靜力數(shù)值分析方法624IH佝69準靜力數(shù)值分析方法的依據(jù)是系泊結構物在波浪中的水平運動主要是低頻 慢蕩運動，錨泊系統(tǒng)的波頻振蕩對這一低頻慢蕩的影響很小，可假設錨泊線只 作低頻振蕩而忽略其作用于結構物上的錨鏈動力。所以計算結構物的縱蕩運動 時可采用準靜力方法確定錨鏈所提供的復原力。在得到了系泊結構物的運動響 應以后，再根據(jù)系泊點的運動，確定錨系載荷。錨系和系泊結構物

8、是分開計算 的，沒有考慮相互的影響。在淺水情況下，這是一種非常有效的方法。但有試 驗結果表明，當水深較大時，只根據(jù)低頻慢蕩運動決定錨泊線載荷，將低估錨3.521 懸鏈線法同【1川241【20253233454950泊線的受力，而波頻量的影響是不可忽略的。波浪縱蕩力可取“三一值，海流 力和風力盡管實際上存在隨機性，工程上一般當作定常力計算，考慮到最危險 的情況，風、浪、流三種力在同一方向上疊加，作為船舶所受到的總的縱向 力，并將此力作為平臺所受到的系泊力?？紤]到最危險工況時的情況，顯然當 風、浪、流三種力處于同一方向時，出現(xiàn)最大的系泊力，此時，系泊力等于三 種力的線性疊加。在求解錨鏈系統(tǒng)的受力和

9、變形時，計算過程均需采用多次迭 代的方法，最終找到錨鏈頂端受力與錨鏈頂端位置的關系。3.5.1.3 動力數(shù)值分析方法R3129I53541661681741771921H41錨泊系統(tǒng)在波浪以及風流等環(huán)境作用下，其動力響應和錨泊線的動張力確 定是一個較復雜的力學問題。對于錨泊線的動張力計算，一般分為時間域和頻 率域兩種方法。時間域的方法有集中質(zhì)量法、標準有限元技術、有限差分法。 在計算結果精度相同的前提下，有限差分法需要較少的時間而有限元法在剖分 單元相同的條件下，更容易收斂和得到合理的計算結果。時域方法通?；谟?限元技術的共識，必須進行高度集中的計算，勢必增加計算成本。頻域法一般 用于求解線

10、性問題，對非線性問題采用線性化的處理方法。3.5.2錨泊系統(tǒng)數(shù)值計算方法按描述錨泊線的特性可分為懸鏈線法ChebySheV多 項式法、拋物線理論、集中質(zhì)量法、有限元法、有限段法、有限差分法和攝動 *坐/Zx -rr o懸鏈線法是一種簡單的解析方法，即傳統(tǒng)展開式錨泊系統(tǒng)，具有悠久的使用歷史，能適應較惡劣的海洋環(huán)境，在當前的錨泊定位技術中仍然占有重要 的地位。其錨泊線被看作是完全撓性的，即鏈索不能傳遞彎矩參見文獻。也有 人指出懸鏈線是指一種具有均質(zhì)、完全柔性而無延伸的鏈或索自由懸掛于兩點 上時所形成的曲線。一般活動式平臺的錨鏈，由于本身有拉伸和受到海流力的 作用.與理論上的懸鏈線并不完全吻合，但使

11、用上仍常用懸鏈線來描述錨索鏈 的特性，而忽略環(huán)境動力（浪和流）、纜索的彈性伸長以及本身的動力效應（振動） 的影響。因懸鏈線應用非常廣泛，這里就不再累述了。3.522ChebyShev多項式法屮川281為了滿足工程中的實際應用，利用了多項式擬合方法，根據(jù)分段外推-校正法得出錨鏈受力與頂端位置的多項式表達關系，應用該多項式表達式可 根據(jù)浮體的空間位置直接內(nèi)插求解確定錨鏈的張力。應用二維和三維ChebySheV多項式建立了錨鏈頂端水平和垂向拉力與錨 鏈頂端水平、垂向位置.及水流速度的函數(shù)關系ChebySheV多項式是在區(qū)間卜 1, 11上逼近任一函數(shù)的一種重要工具，被稱為最大最小逼近函數(shù)，與其他函

12、數(shù)相比它可以保證在插值區(qū)間內(nèi)最大誤差為最小。對于一維 數(shù)可計算其近似值為：式中為ChebySheV多項式的展開系數(shù)（/二1, 2, N）O N為多項式的次數(shù)。其中次ChebySheV多項式用表示，其定義為：為ChebySheV多項式系數(shù)。當自變量區(qū)間不在卜11范圍內(nèi)時，可采用線性變換將其轉(zhuǎn)化到卜11區(qū)間內(nèi)，最后利用ChebySheV多項式的正交性計算出ChebySheV展開系數(shù)： 其中為ChebySheV插值基點，.。依據(jù)ChebySheV多項式擬合和分段外推-校正的數(shù)值計算方法，對靜水和水 流中錨鏈，建立了錨鏈張力與錨鏈頂端位置的多項式函數(shù)表達關系，該多項式 表達關系可方便、快速地用于波浪、

13、水流與錨鏈-浮體系統(tǒng)相互作用的實時模 擬中。3.523拋物線理論十七世紀，伽俐略首先研究了兩端固定、且不可伸長的索或鏈的的曲線形狀， 稱之為“懸鏈曲線”?！皯益溓€”的解是幾何學家JameSBemalIi等人于1691年開始 建立的。因為方程是超越方程，由于計算上的困難而不能直接用于工程計算， 只能根據(jù)實際工程的要求，采用不同的近似計算方法。拋物線理論就是其中的 一種近似計算理論。所謂的拋物線理論，實質(zhì)上是取懸鏈曲線泰勒級數(shù)展開式的第一項，然后 經(jīng)過修正得到的?？傊皰佄锞€理論在物理意義上包含了兩條對立的假設， 即視鏈的自重沿X軸均勻分布，同時又視鏈的自重沿曲線均勻分布。由于上述 兩條假設是

14、對立的，故“拋物線”理論的適用范圍是有限的。3.524集中質(zhì)量法問集中質(zhì)量法是連續(xù)的纜索以一組由無質(zhì)量的彈簧連接起來的離散的集中質(zhì)量替代。集中質(zhì)量所在點被稱作節(jié)點(node)o通常，除兩端點外，節(jié)點上 的集中質(zhì)量取為相鄰兩段纜索元質(zhì)量之和的一半。纜索的質(zhì)量和力，包括流體 阻力、浮力和附加質(zhì)量，集中于單元節(jié)點處。施加于節(jié)點的流體阻力為假定節(jié) 點前后單元臨近該節(jié)點所有單元的長度上相對于流體的速度為常值且等于該節(jié) 點的速度，計算所得的流體阻力。3.525 有限元法827(3243155有限元法是基于彈性力學的方法，它類似于有限差分法，只是它的迭 代關系是由能量原理或加權殘值法(如加遼金法、最小二乘法

15、等)確定的。有限 元法比有限差分法需要更多的計算量，但有限元法允許更大的幾何柔性，對邊 界條件的處理更方便直接。3.5.2.6 有限段法1311,3011,331有限段法是將連續(xù)的纜索離散為一系列餃接纜段，應用多體理論進行動力學進行分析，傳統(tǒng)的有限段法直接應用多剛體理論，計算量大，對彈性問 題處理精度欠缺，文獻3根據(jù)有限段方法的缺點，提出了由彈性纜段組成的改 進的有限段法：將纜索的離散模型視為多柔體系統(tǒng)，引入有限元法中對彈性體 位移的描述方式，結合Kane方程，提出了面向纜索系統(tǒng)的改進有限段模型。 結合平面、空間纜索的特點，選擇合適的廣義坐標和廣義速率，建立了二維、 三維纜索的動力學方程。改進的有限段法方程具有更簡潔的形式，更高的運算 效率和精度，尤其適用于彈性纜索的分析。3.527有限差分法24有限差分法，纜索偏微分方程的解白時域內(nèi)數(shù)值迭代求解一系列代數(shù)方程 來近似，代數(shù)方程聯(lián)系兩個或更多時間步的近似解。迭代方法包括向前、向后 與中間差分法。文獻134分別采用了有限差分法和有限元法計算了相同的系泊 系統(tǒng)。計算結果表明，在計算結果精度相同的前提下，有限差分法需要較少的 時間而有限元法在剖分單元相同的條件下，更容易收斂和得到合理的計算結 果。3.5.2.8 攝動法422293