錨泊系統(tǒng)系泊系統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)系泊系統(tǒng)和輻射式系泊系統(tǒng)。3.1.1 單點(diǎn)系泊(SingIePOintMOOring)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)與固定碼頭相比，它的最大特點(diǎn)即系泊方式是“點(diǎn)”，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(diǎn)，然后進(jìn)行裝卸 貨操作。單點(diǎn)系泊的優(yōu)點(diǎn)如下：單點(diǎn)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(diǎn)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(shè)同樣等級的固定碼頭，其費(fèi)用遠(yuǎn)高于建 設(shè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的分塔式單點(diǎn)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(diǎn)系泊系統(tǒng)。其特 點(diǎn)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(fēng)標(biāo)效 應(yīng)作用下處于受力最小的狀態(tài)。相對于其它型式的單點(diǎn)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(fèi) 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(fù)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(fù)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(yīng)用。按放射線布置的懸鏈系統(tǒng)是CAlM單點(diǎn)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(fù)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(yù)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(shè)備進(jìn)行安裝)，并使其完全成為張力部件，除 了在立管上部設(shè)置提供張力的浮筒外，還在每一段上設(shè)置浮箱以提供支持 力。在懸鏈錨泊線上設(shè)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(yùn) 動、環(huán)境載荷、水動力存儲和系泊模型組成。其特點(diǎn)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(shè)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(yùn)動。輻射式系泊定位效果較佳，但其系泊力往往較大。這是因?yàn)槎帱c(diǎn)系泊狀態(tài) 的浮體受到錨系的約束較強(qiáng)，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(xué)原理.如果多點(diǎn)系泊錨系中諸錨鏈之間的 張角較大，

6、也會導(dǎo)致較大的錨鏈張力。因此，定位效果和錨鏈張力是多點(diǎn)系泊 系統(tǒng)兩個令人十分關(guān)心的問題換言之浮體運(yùn)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(dú)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(jìn) 功能的裝置）由計(jì)算控制。錨泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法3.5.1錨泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法按力學(xué)特性劃分為靜力、準(zhǔn)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(jì)算簡便，能夠滿足一定的精度要求，在工程中得到廣 泛運(yùn)用。在運(yùn)用此分析方法時，常常是

7、已知浮式結(jié)構(gòu)物所受的外力，然后根據(jù) 錨泊力的水平分量與風(fēng)力和流力的水平分量相平衡的原則，確定浮式結(jié)構(gòu)物的 平衡位置，并求出在此平衡位置時，錨鏈對浮式結(jié)構(gòu)物著鏈點(diǎn)的拉力，此拉力 即為系泊外力，供浮式結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核用。3.5.1.2準(zhǔn)靜力數(shù)值分析方法624IH佝69準(zhǔn)靜力數(shù)值分析方法的依據(jù)是系泊結(jié)構(gòu)物在波浪中的水平運(yùn)動主要是低頻 慢蕩運(yùn)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(shè)錨泊線只 作低頻振蕩而忽略其作用于結(jié)構(gòu)物上的錨鏈動力。所以計(jì)算結(jié)構(gòu)物的縱蕩運(yùn)動 時可采用準(zhǔn)靜力方法確定錨鏈所提供的復(fù)原力。在得到了系泊結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動響 應(yīng)以后，再根據(jù)系泊點(diǎn)的運(yùn)動，確定錨系載荷。錨系和系泊結(jié)構(gòu)物

8、是分開計(jì)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水深較大時，只根據(jù)低頻慢蕩運(yùn)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(fēng)力盡管實(shí)際上存在隨機(jī)性，工程上一般當(dāng)作定常力計(jì)算，考慮到最危險 的情況，風(fēng)、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(dāng) 風(fēng)、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(jì)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(guān)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(fēng)流等環(huán)境作用下，其動力響應(yīng)和錨泊線的動張力確 定是一個較復(fù)雜的力學(xué)問題。對于錨泊線的動張力計(jì)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(biāo)準(zhǔn)有限元技術(shù)、有限差分法。 在計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果。時域方法通?；谟?限元技術(shù)的共識，必須進(jìn)行高度集中的計(jì)算，勢必增加計(jì)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(jì)算方法按描述錨泊線的特性可分為懸鏈線法ChebySheV多 項(xiàng)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(yīng)較惡劣的海洋環(huán)境，在當(dāng)前的錨泊定位技術(shù)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(xiàn)。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(diǎn) 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(yīng)（振動） 的影響。因懸鏈線應(yīng)用非常廣泛，這里就不再累述了。3.522ChebyShev多項(xiàng)式法屮川281為了滿足工程中的實(shí)際應(yīng)用，利用了多項(xiàng)式擬合方法，根據(jù)分段外推-校正法得出錨鏈?zhǔn)芰εc頂端位置的多項(xiàng)式表達(dá)關(guān)系，應(yīng)用該多項(xiàng)式表達(dá)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(yīng)用二維和三維ChebySheV多項(xiàng)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(guān)系ChebySheV多項(xiàng)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(jì)算其近似值為：式中為ChebySheV多項(xiàng)式的展開系數(shù)（/二1, 2, N）O N為多項(xiàng)式的次數(shù)。其中次ChebySheV多項(xiàng)式用表示，其定義為：為ChebySheV多項(xiàng)式系數(shù)。當(dāng)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(xiàng)式的正交性計(jì)算出ChebySheV展開系數(shù)： 其中為ChebySheV插值基點(diǎn)，.。依據(jù)ChebySheV多項(xiàng)式擬合和分段外推-校正的數(shù)值計(jì)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(xiàng)式函數(shù)表達(dá)關(guān)系，該多項(xiàng)式 表達(dá)關(guān)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(shí)時模 擬中。3.523拋物線理論十七世紀(jì)，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”。“懸鏈曲線”的解是幾何學(xué)家JameSBemalIi等人于1691年開始 建立的。因?yàn)榉匠淌浅椒匠蹋捎谟?jì)算上的困難而不能直接用于工程計(jì)算， 只能根據(jù)實(shí)際工程的要求，采用不同的近似計(jì)算方法。拋物線理論就是其中的 一種近似計(jì)算理論。所謂的拋物線理論，實(shí)質(zhì)上是取懸鏈曲線泰勒級數(shù)展開式的第一項(xiàng)，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(shè)， 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(shè)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(diǎn)被稱作節(jié)點(diǎn)(node)o通常，除兩端點(diǎn)外，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處。施加于節(jié)點(diǎn)的流體阻力為假定節(jié) 點(diǎn)前后單元臨近該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的速度，計(jì)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(xué)的方法，它類似于有限差分法，只是它的迭 代關(guān)系是由能量原理或加權(quán)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(jì)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(yīng)用多體理論進(jìn)行動力學(xué)進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的有限段法直接應(yīng)用多剛體理論，計(jì)算量大，對彈性問 題處理精度欠缺，文獻(xiàn)3根據(jù)有限段方法的缺點(diǎn)，提出了由彈性纜段組成的改 進(jìn)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(jié)合Kane方程，提出了面向纜索系統(tǒng)的改進(jìn)有限段模型。 結(jié)合平面、空間纜索的特點(diǎn)，選擇合適的廣義坐標(biāo)和廣義速率，建立了二維、 三維纜索的動力學(xué)方程。改進(jìn)的有限段法方程具有更簡潔的形式，更高的運(yùn)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(xiàn)134分別采用了有限差分法和有限元法計(jì)算了相同的系泊 系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果表明，在計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié) 果。3.5.2.8 攝動法422293