（流体力学专业论文）深海中锚泊线动力特性研究.pdf

ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co f d e e p w a t e r m o o t i n g l i n e c a n d i d a t e ：s h a n gz u m i n g s u p e r v is o r ：p r o f d u a nw e n y a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：f l u i dm e c h a n i c s d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a l e x a m i n a ti o n ：m a r c h ，2 01 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 吣6 3 大学 性声明 作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：尚弛铭 日期：i o 肋年月莎日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：南棚鳇导师( 签字) ：泪。l 廿 日期： ；o f o 年弓月罗日；o f o 年多月岁日。 二 倍 哈尔滨- t 程大学硕七学位论文 摘要 锚泊线动态响应分析是深水平台开发的关键技术之一。本文应用集中质 量法研究在受到深水中波浪与流载荷，海底形状，锚泊线布置等因素影响下， 对锚链线进行动态分析。本文开展以下几方面工作： ( 1 ) 推导在考虑流，海底摩擦等作用下，应用悬链线方程对可拉伸的锚 泊线进行静力分析，通过对同一根锚泊线在不同水深情况下进行静力分析， 讨论海底的摩擦力对锚链线的影响。 ( 2 ) 基于集中质量一弹簧模型，对锚链线进行空间离散，对节点进行力 学分析，计及各项流体力，波浪力，附加外力，海底等因素的影响，建立锚 链线运动控制方程。 ( 3 ) 通过单频激振力分析方法，探讨单元数目对锚链线顶端节点张力的 影响。根据实际工程情况，分析海底形状，附加浮体对锚链线的影响。 ( 4 ) 对系泊系统展开过程，进行动态响应的分析。 关键词：锚泊线；集中质量法；动力分析：系泊系统展开 一 e f r i c t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nc a t e n a r ye q u a t i o nm a yb es t r e t c h i n gm o o r i n gl i n e si n s t a t i ca n a l y s i s ，t h r o u g ham o o r i n gl i n eo nt h es a m ec i r c u m s t a n c e si nd i f f e r e n t w a t e rd e p t hs t a t i ca n a l y s i s ，t od i s c u s st h es e a b e dt h ei m p a c to ff r i c t i o no nt h e m o o r i n gl i n e s e c o n d l y ，t h r o u g hl u m p e d m a s sm o d e l ，m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h en o d e s ， t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec u r r e n ts t r e n g t h ，w a v ep o w e r ，a d d i t i o n a le x t e r n a lf o r c e s ， s u b m a r i n ea n do t h e rf a c t o r st oe s t a b l i s ha n c h o rc h a i nl i n ee q u a t i o no fm o t i o n c o n t r 0 1 t h i r d l y ，t h r o u g ht h es i n g l e f r e q u e n c ye x c i t a t i o nf o r c ea n a l y s i sm e t h o d ，i ti s s t u d i e dt h ee f f e c tb e t w e e nn u m b e ro fe l e m e n t sa n dt e n s i o no ft h et o pn o d e b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e e tt oa n a l y z et h es e a b e ds h a p e f o u r t h l y ，t h eu n f l o d i n gp r o c e s so fm o o r i n gs y s t e m sa n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e a n a l y s i s k e yw o r d s ：m o o t i n gl i n e s ；c a t e n a r yt h e o r y ；l u m p e d - m a s sm e t h o d ；d y n a m i c a n a l y s i s ；u n f l o d i n gp r o c e s so fm o o r i n gs y s t e m s 曩第1 章绪论：1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外研究概述4 1 2 1 系泊线静态分析“5 1 2 2 系泊线动态分析_ 7 1 3 论文主要工作8 第2 章锚泊线的静力特性分析1 0 2 1 概j 苤l0 2 2 悬链线方程l o 2 3 锚链线静力分析13 2 3 1 摩擦力，附加外力，流的阻力1 3 2 3 2 阻力系数1 4 2 3 3 + 锚链线静力分析数值求解方法。1 6 2 4 本章小结1 9 第3 章基于三维集中质量法动力特性分析2 0 3 1 概述2 0 3 2 三维集中质量法理论推导2 0 3 2 1 集中质量法计算模型2 0 3 2 2 坐标系2 1 3 2 3 锚泊线单元的附加质量2 2 3 2 4 流的阻力2 3 3 2 5 锚泊线单元的拉力2 3 3 2 6 锚泊线单元的质量惯性力2 5 ：， 3 2 7 锚泊线单元的运动方程2 5 2 7 2 9 2 9 3 2 3 5 3 7 - 3 8 3 8 3 8 4 3 波流作用的影响4 l 4 4 底形状对顶端张力的影响4 2 4 5 浮筒浮力大小对顶端张力的影响4 5 4 6 系泊线展开与拖缆下放过程的动态模拟4 8 4 6 1 增加单元数目方法4 9 4 6 2 变单元长度方法5 2 4 7 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 1 致 射6 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 伴随着工业革命的到来，科技高速的发展，天然气和石油不但在人类的 能源中处于主导地位，而且在国民经济的其他方面也有着不可替代的作用， 所以石油和天然气在一个国家发展战略上有着重要的地位。伴随着人类陆地 上油气上大规模的开采现在世界各国都已经把其油气开采目光都不约而同的 转向了广袤的海洋。我国海域辽阔，2 0 0 米水深以内的大陆架有1 3 0 万多平 方公里比世界上最著名的北海油田大一倍。多年的勘探已经证明，我国沿海 大陆架地质条件很优越，含油气潜力大。南黄海及苏北黄海盆地也含有巨大 的油气远景。东海盆地石油资源为5 0 1 0 0 亿吨，天然气资源为2 0 0 0 2 0 0 0 0 亿立方米。渤海石油量达3 7 6 8 亿吨。南海是我国最大海域，约占中国总海 域面积的四分之三，是欧洲北海石油田海域面积的七倍。根据国外专家分析， 该区域是我国油气开发最有前景的海域。这里聚集的天然气资源量达1 3 亿万 平方米占据我国天然气资源的三分之一，在世界上也属罕见。海底油气资源 勘探开发已成为沿海国家重要的经济活动内容。目前我国已制定了能源调整 方案，决定重点开发海上石油天然气资源。 随着海洋资源开发逐渐向深海领域挺进，传统的自升式固定平台已不再 适用，国内外的石油开发商纷纷采用半潜式钻井平台和浮式生产储油系统 ( f p s o ) 等深海石油资源开发工具。半潜式平台的发展与应用已经有几十年的 历史了，它是一种大部分浮体没于水面以下的小水线面的移动式海洋平台。 甲板在水面以上一定高度不受波浪侵袭，下浮体深沉于水面以下可以减少波 浪干扰力，连接于其间的是小水线面的立柱。这些结构特点，使整个平台在 波浪中的运动响应较小，因而它具有出色的深海钻井工作性能。半潜式平台 是近两年发展最迅速的活动式平台，可在深海作业，能适应较恶劣海况条件， 有良好的活动性。半潜式移动平台的特点是下体浸没在水中，故其横摇与纵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摇的幅值都很小，有较大影响的是水平面内的运动和垂荡运动。因为半潜式 平台在波浪上的运动响应较小，在海洋工程中，不仅可用于钻井，其他如生 产平台、铺管船、供应船和海上起重船等都可采用，这也是它优于f p s o 的 主要方面。f p s o 是8 0 年代中期兴起的一种新型海上石油开采工具，是通过 首部的系泊装置长期泊于生产区域。首部系泊装置一般有转塔式和悬臂式两 种，系泊装置下的系泊系统由多根系泊线组成。在其设计中系泊系统的设计 占有着举足轻重的地位。 不管是移动式平台还是f p s o 储油轮，都要长期系泊于特定的海域中作 业，而不像一般船舶那样，在遇到恶劣风浪时可以避航。因此，在结构设计 海洋移动式平台的发展与我国和世界的油气开发形势密切相关。目前，我国 己制定了能源调整方案，决定重点开发海上石油天然气资源。那作为重要的 作业与运输的海洋平台、f p s o 的研究是势在必行的，其中作为定位系统的 系泊系统的设计也是有着举足轻重的地位。 在当今的定位系统中主要有系泊定位系统和动力定位系统。由于系泊系 统具有投资少、使用、维修方便等特点，因而系泊系统是目前主要采用的定 位系统，其广泛应用于半潜式钻井平台、钻井船以及半潜式采油平台。因此 研究系泊系统是有必要的。与其他工程问题一样，一种方法的选取及其有效 性取决于其所采用的假定与真实情况的符合程度。系泊系统所受的载荷主要 由自重、流力、以及弹性精度的前提下，可忽略部分荷载，得到不同的计算 模型，为实际工程提供计算设计的依据。 目前掌握系泊系统技术的公司主要集中在欧洲国家，如摩纳哥的s b m 、 荷兰的b l u e w a t e r 、美国的s o f e c 、挪威的a p l 、p r o s a f e 及英国的s i g m as u b s e a l i m i t e d 。目前国际上常用的系泊分析软件包括a q w a 、b m tm o o r i n g & s p m 、s e a m o o r2 0 0 0 、t e r m s i m 、m o o r i n gd e s i g na n dd y n a m i c s 、a r i a n e 一3 d y n a m i c 、o p t i m o o r 等。 a q w a 可以计算不规则波作用下的线性或二阶运动的频域分析；强风暴 状态下的浮体的非线性时域分析；二阶m o r i s o n 公式计算。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b m t m o o t i n g & s p m 是一个拟静态系泊分析程序，也可以用来分析系泊 线突然失效的船只动态响应。可以计算分析各种传统式或复杂的系泊系统， 立管，各种连接形式的浮筒。也可以进行动态定位系统推进器的拟静态分析。 s p m 可以计算系泊系统的动态运动，进行非线性时域分析，甚至动态定位系 统的分析。 s e a m o o r 2 0 0 0 主要用于计算分析分布式系泊系统的软件，能够快速准 确计算各种系泊及定位性能，包括深水系泊系统的低频运动预报和线性动态 响应计算。主要功能包括：预报运行船只的运动和系泊线的张力以及环境条 件；建议系泊线的布置方案，使船只达到理想的位置和方向，根据已有的系 泊线张力评测船只的实际位置； t e r m s i m 是一个时域分析软件，可以模拟计算浅水海域中风、浪、流作 用下系泊油轮的运动及系泊载荷，如单点系泊系统( s p m ) ，多浮筒系泊系 统( m b m ) 。 m o o r i n gd e s i g na n dd y n a m i c s 可以用来设计和评估单点系泊系统、系泊 数据和拖曳船只。对水上和水下部分的系泊线都可以进行设计。在三维来流 影响下，计算每根系泊线相对于锚的空间位移。 a r i a n e 3 d y n a m i c 是一个系泊系统分析软件包，被n m d 认证，s h e l l 标准认可。能够进行系泊船只的三维非线性频域与时域动态分析与预报，以 及拟静力系泊分析，是一个理想的系泊系统设计与分析软件。比如f p s o 系 统的定位计算，包括单点系泊、c a l m 、d i c a s 以及分布式系泊方式，系泊 线可以是张紧式、半张紧式和悬链线式。 o p t i m o o r 是一个以o c i m f 程序为基础的系泊系统分析软件包。适于 各种形式的系泊系统。有普通和动态两个版本，动态版本可以用于系泊链突 然发生事故，狂风出现，来流的突然变化，有过往船只的影响，有推进系统 的动态定位船只，等等。还适于各种单点系泊和转塔系泊系统，也能够模拟 系泊系统在风、浪、流和船只拖动下的自由运动。 g m o o r 3 2 是一个可以计算悬链线系泊系统运动的软件，可以解决由于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或外力引起的系泊线响应，以检验系泊系统是否满足要求。主要应 析系泊船只的定位，自存和运行的条件，通过结果分析系泊线是否 可能发生事故，为系统提供指引以减小系泊线的张力。 h a r p 是一个完整的近海工程水动力和结构分析软件。适于各种形式的 浮式海洋平台，如f p s o s ，t l p s ，s p a s ，s e m i s u b m e r s i b l e s 。能够有效的对 船体、系泊系统及立管之间进行耦合计算分析，并可以进行时域和频域分析。 d y n f l o a t 是一个时域耦合分析软件，用来分析f p s o 内转塔式和分布 式系泊系统在风、浪、流作用下的动态响应。可以预报系统在各种运行条件 和强风暴状态下的系泊荷载和油轮运动。 1 2 国内外研究概述 近年来，随着海洋工程事业的蓬勃发展，国内外对系泊系统的问题也是 更加的关注。由于复杂的海洋环境，平台需要长期的在海洋作业，并且随着 平台作业水深的不断增加，系泊线的长度也在不断加长，诸多因素导致了系 泊系统的复杂性。针对国内外系泊系统问题的研究，将目前研究的方向归为 以下几类：系泊线材料，系泊系统设计，系泊系统数值模拟，系泊系统与平 台耦合研究，系泊系统实验研究，锚的设计，以及系泊系统展开回收问题等 等为目前系泊系统设计的热点问题。 。 在系泊线材料问题的研究中钢缆和锚链为传统上作为系泊线的材料，随 着浮式海洋平台水深不断的增加，如果在深水中，继续采用钢缆和锚链作为 材料，必定会加大平台吃水，减小平台储油能力，所以，对于轻质的复合材 料，聚酯缆，成为如今系泊线材料问题研究的热剧6 11 5 4 ，复合材料不仅材料 与钢质锚链或锚缆不同，更重要的是其构成全然不同。从运动学角度，构成缆绳 的各单元可以视为一圆形的螺旋线。同时，由于聚酯缆的形变不再是线性变 化，其杨氏模量也成为热点为题，在文献瞪4 1 给出了杨氏模量与其密度比的经 验公式。 系泊系统设计方案研究。在海洋工程上系泊系统的设计形式分为单点系 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 泊，与分布式系泊。由于考海洋环境，与作业工况等因素，在平台设计方面 马鉴恩( 1 9 9 6 ) 3 1 ，陈广莲( 2 0 0 4 ) 1 4 采用悬链线法直接进行系泊系统的设计。 王丹( 2 0 0 7 ) 3 u 结合工程船，讨论了工程船在有位移时的系泊系统最优控制策 略，并且对锚链线收放过程中，绳子收放的长度进行计算。 对于，系泊系统的数值模拟，在各种国内外研究文献中，分类很多，在 本文中主要根据其模拟的浮体运动状态进行分类，将其分为：静态分析，准 静态分析，动态分析，准动态分析。从计算模型上分为：悬链线模型，单摆 模型，集中质量模型，细长杆模型。 静态分析是主要考虑系泊平台在海上不受环境载荷影响的条件下，研究 系泊系统，布置情况，系泊线的预张力。准静力分析是将风浪流的载荷，看 做一个定常力，这个定常力需要靠系泊系统的恢复力将其抵消，计算得到平 台的静止状态。在静力分析中目前主要应用弹簧法，悬链线法，中和浮力缆 索法，函数法，单摆法，等方法进行分析。 1 2 1 系泊线静态分析 悬链线方程是对锚链线进行静态分析的主要方法，国内外在这方面有很 多的文献以及资料。 p a n g a l i l a ( 1 9 6 9 ) 【1 】采用悬链线法研究了半潜浮体的运动响应和受力分 析，通过实验对比，结果表明：系泊系统在水深较小时对浮体的影响大于水 深较大时的影响；增加系泊缆索的数量可以显著降低缆索最大张力。 马汝建，高学仕( 1 9 9 4 ) 口】通过悬链线法的分析表明悬链线锚链的恢复系 数具有较强的非线性特性。因此，在大位移条件下，应当考虑其非线性特性。 马鉴恩( 1 9 9 6 ) p 】，陈广莲( 2 0 0 4 ) 4 1 采用悬链线法直接进行系泊系统的设计。 s m i t h 等( 1 9 8 5 ) 5 】余龙和谭家华( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 6 1 【7 】基于悬链线公式研究了多成分 系泊系统的静力特性，对多点系泊系统提出了一种快速参数分析的方法。 陈徐均等( 2 0 0 2 ) 隅 采用悬链线法和线性回归公式对系泊系统总刚度进行 了线性化并评估了各种系泊方式的优劣，结果表明对称系泊系统的定位效果 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最佳。在频域内分析了张紧式缆索的特性，认为系泊缆索上的张力可以分为 两部分解析的静力部分和随机的动力部分。重新推导了张紧式系泊缆索的静 力方程和动力方程。在推导的过程中，假定张紧式系泊缆索为全柔性构件， 即不能承受剪力和弯曲刚度。由于预张力的存在，缆索上的张力始终为拉力 忽略作用于缆索上的波浪力。 s k o p ( 1 9 6 9 ) 9 1 采用了虚拟作用法分析了张紧式系泊缆索的静力平衡状态。 该方法忽略缆索上的弯曲刚度，通过一组参数模拟作用于缆索上外部激励。 郝春玲和滕斌( 2 0 0 3 ) b o 对不均匀可拉伸单锚链系统的静力分析进行研 究，并且推导了在考虑定常流对于锚链线的影响。 中和浮力缆索是指缆索的比重与水的比重基本相同并忽略弹性形变的一 类缆索在浮力缆索法中，假定重力和流体切向拖曳力可以忽略。缆索静力程 式沿缆索长度方向积分可得中和浮力缆索控制方程。由于中和浮力缆索很少 在海洋工程中应用，因而这方面的文献比较少，仅仅在b e r t e a u x ( 1 9 7 6 ) 其书中 将其作为一种计算方法提到。 悬链线法和中和浮力缆索法均忽略了部分作用于缆索上的外力，以得到 缆索在特定条件下的近似解。为了精确计算缆索的静力特性，必须考虑所有 作用于其上的外力。然而对于这样一个没有解析解得方程来说必须采用数值 方法计算。所以我们将这样的方法归结为函数法。a d a m s ( 1 9 6 8 ) i h ，通过定 义一些广义无因次函数来表征分布式系泊系统的静力特征参数。在该方法中， 其将函数分为两类第一类函数是系泊系统分布形式是否成对分布、缆索数量、 缆索类型等的函数第二类函数为水深、弹性模量等参数的函数。通过制定相 应的计算图表来计算考虑所有外力的缆索的静平衡。c o l i i p p ( 1 9 6 8 ) f 1 2 】采用集 中质量法计算了系泊缆索的静力平衡状态。c h a r l e s ( 1 9 7 7 ) 1 3 】应用线性有限元 法计算了缆索的非线性静力方程，o r g i l l ( 1 9 8 5 ) 1 1 4 计算结果与试验值吻合较 好。等将缆索分解为许多的小段，对每一段缆索，采用悬链线法计算，通过 基于水平张力的迭代技术，得到缆索整体的静力特征参数。 除了静态的分析，由于锚泊线的动态响应对平台运动影响很大，所以， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 还要对其进行动态分析，来分析锚泊线的动态响应，和疲劳，撞击等问题。 在对系泊系统的动态分析中包括动态分析，准动态分析。准动态分析理论中 【5 5 5 6 1 【5 7 】 5 8 】，b v 的系泊系统计算软件a r i a n e 3 d y n a m i c ，应用悬链线方程， 计算出平台不同位置，锚泊线的拉力。郝春玲，滕斌【5 川应用c h e b y s h e v 多项 式，系泊系统恢复力与平台位移的关系。应用准动态分析，可以快速的计算 出，平台最大位移，以及承受最大张力的系泊线。该方法在浅水系泊中十分 有效，并且得到广泛的应用，但是，在深水系泊中，由于系泊系统的动态效 应，以及自身的振荡等影响，该模型不在适用。 1 2 2 系泊线动态分析 目前由于海洋工程向深水的发展，系泊线也随水深的加深而加长，动刚 度的影响，必须对系泊线进行动态的模拟。对于系泊线动态的研究方向，主 要集中在，理论模型，系泊线与浮体间的耦合，系泊线动态响应特性，试验 研究。系泊缆索的动力方程是形式复杂的时变的强非线性方程，无解析解， 必须采用数值方法计算。目前常用的理论模型有集中质量法、和细长杆理论 模型。求解方法有，有限差分法、多尺度展开法、有限元法和摄动法等。对 于细长杆模型最早由g a r r e t t l 9 】，w e b s t e r ( 1 9 7 5 ) f ”】，h u s e ( 1 9 9 1 ) 1 2 0 a p s h a s h i k a l a t 2 2 】由于细长杆的理论具有弹性和任意的几何形状，被广泛应用在 系泊，立管系统的时域计算中。系泊线为挠性部件，在结构上，只考虑拉伸 方向的变形。 集中质量模型在系泊系统的时域计算中被广泛的应用。k o t e r a y m a ( 1 9 7 8 ) 1 1 7 提出一种计算系泊系统在规则波作用下动力响应得近似方法：把缆索当成 一个集中质量，类似单摆，并考虑附加质量和拖曳力。k o t e r a y m a 与n a k a m u r a ( 1 9 9 2 ) l l s 把该方法从频域推广带时域，并用该方法计算系泊系统的时域动 力响应，发现锚泊系统即使在松弛状态，系泊系统的动力效应也对系泊浮式 结构物的慢漂运动产生很大影响。李远林，吴家鸣( 1 9 9 0 ) 2 3 1 对多锚缆锚泊 浮筒的非线性效应进行了计算分析并将计算单点锚泊系统的k o t e r a y m a 的集 7 的计算效率高，适应非线性、不稳定状态、不均匀缆和振荡流等分析】。在 当今的海洋工程研究中，由于海洋工程环境的复杂，在对系泊系统的研究中， 很多环境因素影响都被研究人员重视。集中质量法在针对不同的海洋工程问 题，可以很容易的对运动方程进行控制，不用考虑单元之间在切线方向连续 等等问题，所以面对复杂的海洋环境，集中质量法很适用。 c h a i 6 1 1 分别建立了三维集中质量模型根据海底不同土壤构成，考虑系缆 某点回弹速度和碰撞前速度的关系，分别将海底模拟成弹性、塑性或弹塑性基 础，并考虑了系缆和海底之间的摩擦。王丹( 2 0 0 7 ) 口”结合工程船，讨论了工程 船在有位移时的系泊系统最优控制策略。刘超( 2 0 0 7 ) 3 2 1 给出了低频情况下最 大动张力的估计步骤和公式，计算得到低频情况下锚链上端张力随频率的变 化曲线。易丛( 2 0 0 7 ) 3 7 1 考虑了海底地形的变化，对于系泊线动态响应的影响， 给出了平坦海底与凹凸不平海底对系泊线张力的影响。唐友刚，张若瑜( 2 0 0 7 ) 进一步研究了海底作用力对于系泊系统运动特性的改变。纪亨腾( 2 0 0 8 ) p 卅根 据带控制变量的非线性自回归滑动平均模型理论，建立了锚泊线的系统模型， 用该模型对前一部分张力的时历曲线作为出入条件，进而预报未来时刻的锚 链线张力，给锚链线的时域分析问题提供了新的思路唐友刚，张素侠( 2 0 0 8 ) 1 4 0 对于平台系泊系统的松弛张紧引起的系泊缆冲击载荷，确定系统由无量纲的 位移比，频率比和阻尼比决定的松弛一张紧区域，并研究了锚泊线最大张力与 平台质量，外激力，锚链线长度的关系。 在本文中除了应用集中质量法对，浪和流，海底，浮体，等因素对系泊 线的影响进行讨论，针对系泊系统收放过程中的运动进行时域模拟。 1 3 论文主要工作 ( 1 ) 推导在考虑流，海底摩擦等因素下，应用悬链线方程对可拉伸的锚泊 线进行静力分析方法，通过对同单根锚泊线在不同水深情况下进行静力分析， 力学分析。在流体力，波浪力，附加外力，海底等因素的影响下，建立锚链 线运动控制方程。通过在平衡位置进行动态分析与静态分析结果比较，验证 自编程序的准确性。应用h a r p 软件计算后的浮体运动，作为边界条件，对 系泊线进行时域模拟，将h a r p 软件系泊线计算结果与自编程序进行结果比 较。 ( 3 ) 采用对锚泊线上端施加单频激振力分析的方法，分析不同单元数目对 锚链线顶端节点张力的影响。根据实际工程情况，计算分析，浪和流，海底 形状，附加浮体对锚链线动态效应的影响。 ( 4 ) 针对工程中系泊系统展开过程，与拖缆下放过程。对于这两个过程， 通过对集中质量法单元进行不同的处理，来模拟这两个过程。 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章锚泊线的静力特性分析 锚泊线的静力分析是在稳态条件下计算链索的载荷和系统的平衡状态， 预估链索的几何形状及应力分布。由于静力分析方便、快捷的特点，在设计 初期多采用该方法。本章将对静力计算的二维悬链线方程进行推导说明，并 将传统的悬链线方程进行修改使之能考虑锚泊线在拉伸方向发生形变的影 响，和海底摩擦力的影响。 2 2 悬链线方程 t + d t 图2 1 无弹性缆索元静力图 图2 1 所示为悬链线上任意一缆索元的静力图，其中w 是缆索的单位长 l o 哈尔滨工程大学硕七学何论文 度质量，d l 为缆索元长度。 d = ( 1 + 占) 印 ( 2 一1 ) = t | a e 0 2 2 、) d p 为单元不发生拉伸变形时的单元长度，t 为缆索元下端张力，e 为材 料的弹性模量，a 为材料的横截面积。占为单元伸长量。 d t 为张力在d 1 上的增量，曰为t 方向( 缆索元下端切线方向) 与水平 线的夹角，d o 为d l 上的增量。沿水平与垂直方向建立平衡方程，可以得到： ( t + d t ) c o s ( o + d o ) - t c o s 0 = o ( 2 - 3 ) ， ( t + d t ) s i n ( 0 + d 0 ) 一t s i n 0 - w d p = o ( 2 - 4 ) 将上面两个式子展开，并且考虑到d 臼为极小量时候，e o s d o 1 和 s i n d o d o ，且忽略含二阶微量d td o 的项，于是可简化得到： t s i n o d 0 d t c o s o = 0 t c o s o d t + d t s i n 0 - w d p = o f l j ( 2 - 3 ) 和( 2 4 ) 可以得到 t d 0 = w e o s o d p d t = w s i n o d p 又 出= ( 1 + 0 c o s 咖 咖= ( 1 + 0 s i n 勿 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 根据( 2 8 ) 和( 2 1 0 ) 在悬垂线段a b 上进行积分，并注意到 t o = 瓦c o s o a = 毛c o s 8 b ( 2 1 1 ) 式子中乃，包与乃，皖为悬垂线a b 两端的张力及倾角at o 为乃与乃的 水平分量；a b 为长为，a 端与b 端的垂直距离为y ，水平距离为x 。 由由公式( 2 。8 ) 和( 2 1 0 ) 得到： d 丁：兰咖( 2 1 2 ) 1 + 占 积分后可以得到： 写= 乏+ 叼，( 1 + 习 ( 2 1 3 ) 由于t = 磊c o s 0 ，得到： 1 1 a y = ( 1 + 占) ( 矗w ) ( s i n 0 c o s ! o ) d o ( 2 1 4 ) 因( 磊 在积分范围内为常量，根据积分后得到： t 队八 y 、 寸 to 久 1 w i y x 7 t 。 1j y v订 x 图2 2 悬链线静力图 y = ( 1 + 占) ( 瓦t o ) ( 1 c o s o b - 1 c o s o 。) = ( 1 + 占) ( 死c o ) ( 4 t a n 2 皖+ 1 - x t a n 2 包+ 1 ) ( 2 1 5 ) 于是得到： d y = ( 1 + 占) ( 蜀c o ) s i n h _ 1 ( t a n o e ) 一s i n h 。1 ( t a n g 。) ( 2 - 1 6 ) d x = ( 1 + e ) ( r o ) ( 1 c o s o ) d o ( 2 - 1 7 ) 积分后得到： z = ( 1 + 占) ( 兀r o ) 1 n ( t a n o b + t a i l 2 皖+ 1 ) - l n ( t a no 。+ t a n 2 见+ 1 ) = ( 1 十s ) ( 毛c o ) s i n h 卅( t a n 眈) 一s i n h _ ( t a n 眈) 】 ( 2 1 8 ) 因为： d = ( 1 + 占) ( 瓦( o ) ( 1 c o s 2 ) d o ( 2 1 9 ) 积分后得到： ，= ( 1 + 占) ( 死c o ) ( t a n 吃一t a n 见) ( 2 - 2 0 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 锚链线静力分析 2 3 1 摩擦力，附加外力，流的阻力 在上一个小节中推导了锚链线的悬链线方程，但是在锚链线的实际静力 计算中，往往考虑海底摩擦力，浮体或者重块对锚链线的附加外力，与流的 阻力。对于外力本文中，看做为集中力作用在锚链线的两端上。 1 ) 锚链线下端 一般将锚链线分为水中的部分，对于水中部分下端拉力等于上一个单元 的上端拉力。对于躺在海底的部分其下端的拉力有： t o = k w l p + 乙 ( 2 2 1 ) 乃为锚链线与海底接触点的水平拉力，乙为锚提供的水平拉力，k 为躺 底锚链线的摩擦力系数，w 为躺底的锚链线湿重，z 。为躺底锚链线的长度。 当z k w l p 时l = 0 ，z 大小由躺底的锚链线受到的摩擦力提供，锚不提供 水平拉力。 2 ) 锚链线上端 对于锚链线下端点拉力乃： ， 瓦c o s 吃= ze o s o o - r , c o s 0 6 一乃s i i l 见+ 瓦c o s 吼 ( 2 2 2 ) 瓦s i n0 b = t os m o o - r , s i n 眈+ 乃c o s o b 一瓦s i n 乱+ w l ( 2 2 3 ) 瓦为作用在锚链线上的外力，吼为该外力对于水平轴的夹角。乃，z 为 流体阻力沿法向与切向的阻力，并将这两个力作用看做是作用在锚链线顶端 其大小的表达式如下： 乃= 1 2 p c z m d v 2s i n 2 目( 1 + s ) 勿 ( 2 - 2 4 ) z = 1 1 2 p c d ，7 r d v 2c o s 2 伊( 1 + 占) 勿 ( 2 - 2 5 ) 其中p 为海水密度，c d ，c d r 分别为法向与切向阻力系数，d 为锚链线 截面直径，v 为海水流速。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数 法n - 与t j j 向阻力系数我们通常表示为c o r = y c d ，阻力系数随雷诺 数而变化，与柱体截面形状和表面粗糙度有关。圆柱的雷诺数定义为： r e = u d ( 2 2 6 ) v 其中：v 为流体的运动粘性系数，u 为垂直于圆柱的来流速度。一般在 r e 2 x 1 0 5 的亚临界区，阻力系数约为1 2 ，且相当稳定。 对于光滑圆柱的阻力系数有以下经验公式： c d = 1 1 + 4 r e 2 ( 2 2 7 ) 该公式可以用于估算3 0 r e 1 0 5 雷诺数范围内的光滑阻力系数。切向 阻力系数与法向阻力系数之比y 相当小，一般认为： 0 0 1 y 0 0 3 在挠性部件的实际应用中，特别是在海洋工程中，我们往往对这些部件 上的波浪载荷感兴趣。尽管波浪场中水质点的振荡运动与二因次简谐振荡流 有相当的差别，但由于相对于前者，二因次简谐振荡流比较简单和直观，目 前一般的处理方法是直接将二因次简谐振荡流中获得的阻力系数和惯性力系 数的推广用于波浪中的柱体受力计算。 在简谐振荡流中，流的速度与加速度均随时间而变化，在一个运动周期 中，流向亦将发生逆变。这样，柱体上的流体作用力亦应是时间的周期函数。 同时，由于简谐振荡流的流向周期性地逆转，前半周期柱后的尾流在后半周 期被冲刷来回，如此往复，柱体上的流态随时间变化，若仍以莫里森公式计 算表示柱体受力的话，则阻力系数以及惯性力系数巳将表现为与时间的 函数。k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 引进f o u r i e r 平均方法，将阻力系数与惯性力系 数表达为与时间无关的函数，以便工程上的应用。事实上，绝大部分阻力系 数与惯性力系数的试验或实测数据都是以某种平均方法处理的。 设简谐振荡流的流速可表示为： u = 一u m c o s 0 ( 2 2 8 ) 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中：虬为常数，表征流速幅值：0 = 2 z t t 表示相位角，t 为振荡周 期；t 为时间。k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 认为柱体上的流体作用力将是0 的奇的 简谐的函数，即f ( o ) = - f ( 0 + z ) 。从刚才的论述引申出这一假设是很自然 的。按这一关系。流体作用力可以展开成如下的f o u r i e r 级数形式，即： 2 f ( p d u ：) = 2 4s i n 臼+ 4s i n 3 p + 4s i n 5 0 + + 墨c o s 0 + b 3c o s 3 0 + b 5e o s 5 0 + l ( 2 2 9 ) 其中：以，或( 玎= 1 ，3 ，5 ，) 为f o u r i e r 级数。将上式改写成： 2 f ( p d u ：) = 争os i n o + 2 a 3 s i n 3 0 + 1 t 5s i n 5 0 + 】 l 一c d l c o s 0j c o s 0 + 2 b ；c o s 3 0 + b ；c o s 5 0 + 】 ( 2 3 0 ) 显然，若系数，c d 与0 无关，以，或= o ( n 3 ) ，则上式即退化成 m o r s i o n 公式，即： 2 f ( p d u ：) = 争s i n 0 - c o ul c o s 0 1 c o s 0 ( 2 3 1 ) l c 其中：k c ：旦为k e u l e g a n - c a r p e n t e r 数，表征流体作用力中惯性力成 分与阻力成分的相对重要性。将式子( 2 3 0 ) 两边分别乘以c o s 0 或s i n 0 ，并 在0 = 0 ，与0 = 2 z 区间内积分，注意到三角函数的正交性，可得到，c d 的f o u r i e r 平均值为： = 尊筹臼 像3 2 ， 。= 等了辫日 沼3 3 ， 目前，在流体作用力的研究中，很大一部分工作是集中在如何得到可靠 的水动力系数上。在这方面，无论在试验或者实地测试上都积累了相当的数 据。但是由于试验情况与实际情况因雷诺数和k c 数不同而存在尺度效应， 实地测试也存在着技术和精度方面有待解决的问题。在一些规范中，则直接 给出了o ，的取值范围和要求。如挪威船级社( d n v ) 规定在s t o k e s 五阶波时，取0 5 1 2 ，巳取2 0 ；a p i 规定在应用s t o k e s 五阶波或流 函数理论时，取0 6 1 0 ，c 0 取o 5 1 2 。 硕十学位论文 法。 ，与在两端节点的边界上力的情况。 为了求解锚链线在水中的静止时的形态。我们将锚链线分成若干个单元。根 据式子( 2 1 2 ) ， ( 2 1 5 ) ，( 2 1 8 ) ，( 2 2 2 ) ，( 2 2 3 ) 得到每个单元的 两个端点的位置如下： 瓦= t oc o s o o x = ( 1 + 占) ( t o c o ) 0 n ( t a n o b + 乏而) 一i n ( t a n 0 + i 而) y = ( 1 + ) ( t o c o ) ( e 而一乞i 而) ( 2 - 3 4 ) 乙e o s o b = 乃e o s o o ze o s o o 一乃s i n o o + 瓦s i n 氏 乙s i n 眈= r os i n 0 一zs i no o + 乃e o s o a 一瓦s i no w + w l 其中疋，瓦，o o ，吃四个位置数，根据上诉方程，已知其中两个参数就可以 解得x , y 的大小。 ( 2 - 3 4 ) 公式我们还可以表示成： r o = t oc o s0 。，z ，= ls i n0 。，正= 瓦c o s0 6 x = ( 1 + 占) ( 瓦c o ) l ne ( t , ，+ 扛可) ( 乃+ 扛百可) 】 y = ( 1 + s ) ( 1 c o ) ( 托可一以可可) ( 2 _ 3 5 ) 瓦c o s0 6 = l c o s0 。一zc o s 0 。一乃s i n0 。+ ls i n0 。 瓦s i n0 6 = l s i n0 。一zs i n0 。+ 乃c o s0 。一ls i n0 。+ w l 将相邻的单元连接起来用迭代法求解每个单元上方程组得到所要求的参 数。迭代的方式用两种：1 ) 躺底部分长度迭代。2 ) 锚泊线项端和水平方向 的夹角0 迭代。下面我们主要介绍这前一种迭代方法即：躺底部分长度迭代。 如果我们不考虑流的影响，也不考虑浮体与重块等附加外力的影响，已 知导