（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）工程船舶锚泊系统分析与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 工程船舶是从事各种工程技术业务的船，它需要经常的移位和定位，其锚 泊系统的可靠性直接关系到其施工的安全性，而且锚泊系统具有投资少、使用、 维修方便等特点，是目前主要采用的定位系统，所以对工程船舶锚泊系统的研 究是很有必要的。 要确定锚泊设备，首先要知道船舶所受的环境载荷，对于风力和流力的计 算，已经很成熟，有很多经验公式可以利用，目前比较权威的算法是o c i m f 提 供的算法，至于波浪力，目前还没有十分可靠的经验公式，而本论文的主要工 作也不在此。 对于锚泊定位系统而言，悬链线理论的应用是必不可少的，经常见到和用 到的悬链线方程是在没有起锚角的情况下的悬链线方程，但工程中有时候用沉 石代替锚，在水域收到限制的情况下会允许有一定的起锚角，本论文推导了在 有起锚角的情况下的悬链线方程，并用以解决工程中的一些实际问题。 本论文充分利用了悬链线方程，包括用悬链线方程对锚泊设备进行选型、 用悬链线方程得知水深、水平外力、悬链张力等参数之间的变化关系、用悬链 线方程计算工程船舶在移位过程中的收绳量等。 在对工程船舶的锚泊系统进行静力分析时，本论文没有采用常规的静力分 析法，而是引进了优化的思想，通过优化得到各锚绳的张力，以平衡风、流、 浪的定常部分之和，在优化的基础上再考虑二阶慢漂力对锚泊系统的影响并进 行静力分析，由于工程船舶的布锚一般是非对称的，静力分析时用的是非汇交 力系中的分析方法。至于优化，是将m a t l a b 的优化函数编译打包成c o m 组件， 供v b 程序调用来进行优化。 关键词：锚泊系统；悬链线方程：工程船舶；静力分析：m a t l a b ：优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w o r k i n g s h i pi st h eo n ew h i c hi se n g a g e di nm a n yk i n d so fp r o j e c tt e c h n o l o g y s e r v i c e i tn e e d st os h i f ta n dl o c a t ef r e q u n t e l y t h er e l i a b i l i t yo fi t sm o o r i n gs y s t e m r e l a t e st h es e c u r i t yi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s a n dt h em o o t i n gs v s t e mw h i c hi s e l e c t e df o rt h em a i nl o c a t e ds y s t e r n ah a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf e wi n v e s t m e n t c o n v e n i e n tu s i n ga n ds e r v i c e e t c s ot h er e s e a r c ho nm o o t i n gs y s t e r mi sv e r y n e c e s s e r y i n0 r d e ft om a k es u r ew h a tm o o t i n ge q u i p m e n t ss h o u l db ec h o s e n , f i r s t l yw h a t w es h o u l dd oi st ok n o wt h ee x t e r n a lf o r c e sa c to nt h es h i p ，n ec a l c u l a t i o nm e t h o d s a b o u tt h ew i n df o r c ea n dc u r r e n tf o r c eh a v e b e e na l r e a d y t t i e r ea r ea1 0 to f e m p i r i c a lf o r m u l a st ob eu s e d ，a tp r e s e n t ，t h ea u t h o r i t ym e t h o di st h eo n ew h i c hi s o f f e r e db vo c i m f a sf o rw a v ef o r c e t h e r ei sn oc o n f i r m e dc a l c u l a t i o nm e t h o dy e t a tp r e s e n t b u tt h em a i nt a s k si nt h i sp a d e l i sn o ts tt h i s f o rt h em o o r i n gl o c a t e ds y s t e r m ，t h ea p p l i c a t i o no fc a t e n a r y se q u a t i o ni s i n d i s p e n s a b l e t h ec a t e n a r y se q u a t i o nw es e ea n du s ea u i t eal o ti st h eo n ew h i c hi sa t t h ec o n d i t i o nw h e nt h ew e i g i l i n ga n c h o ra n g l ei sz e r o b u ts o m e t i m e st h ea n c h o ri s r e p l a c e db yt h es u n k e ns t o n ei nt e c h n i q u ea p p l i c a t i o n m l e l lt h ew a t e ra r e ai al i m i t e d al i t t e rw e i g h i n ga n c h o ra n g l ei aa l l o w e d t h ec a t e n a r y se q u a t i o ni sd e d u c e di nt h i s p a p e rw h e nt h ew e i g h i n ga n c h o ra n g l ei s n o tz z r o a n di ti su s et or e s o l v es o r t i e p r a c t i c a lp r o b l e m s t h ec a t e n a r y se q u a t i o ni sm a d eu s eo ff u l l y , i n c l u d i n gt oc h o o s et h em o r r i n g e q u i p m e n t so ns h i p ，t ok n o wh o wt h ep a r a m e t e r sc h a n g ea b o u tw a t e rd e p t h ，h o d f o r c ea n ds t r e n t h i n gf o r c eo fc a t e n a r y e c t a n dt og e tt h es t r i n k a g eo ft h ea n c h o rw i r e b y i t a n ds o o n w h c i lt h em o o r i n gs y s t e r mo ft h ew o r k i n gs h i pi sm a a l i z e d t h ep a p e rd o e sn o t t a k et h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dt od ot h es t a t i ca n a l y s i s b u ta no p t i m i z a t i o ni d e ni s i n d u c t e d w bc a ng e tt h et e n t i o no fa l la n c h o rw i r eb yo p t i m i z i n gt oe q u a l i z et h es u m o fw i n df o r c e ，c u r r e n tf o r c ea n dt h ew a v ef o r c e ss t a b l ep a r t o nt h eb a s eo ft h e o p t i m i z a t i o n ，t h ei m p a c to ft h es e c o n d o r d e rw a v ef o r c eo nt h em o o t i n gs y s t e r mi s t a k e ni n t oa c c o u n t b e c a u s et h ed i s t r i b u t i o no f t h ea n c h o ri sn o ts y m m e t r i c a l w eo f t e n t a k et h em e t h o da b o u tt h ec o n c u r r e n tf o r c et od ot h es m b l ea n a l y s i s a sf o r o p t i m i z a t i o n t h em a j o t i z e df u n c t i o ni nm a t l a bi sc o m p i l e da n dp a c k e di n t oc o m c o m p o n e n t w h i c hi sc a l l e db vv b t or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：m o o r i n gs y s t e r m ；c a t e n a r y se q u a t i o n ； w o r k i n g s h i p ； s t a b l ea n a l y s i s ； m a t l a b ； o p t i m i z a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 工程船舶一般为非动力船舶，其定位、移位均需拖船及抛锚艇协助作业， 在一定海域内抛锚定位，操纵锚泊设备来实现船舶的精确定位，满足工程需要。 船舶海上定位，通常受到3 个力的作用，即船体水线以上部分所受的风力、船 体水线以下部分所受的水流力、船体纵向和横向倾斜时所产生的惯性力。既要 考虑风、浪、流载荷的影响，还要充分考虑施工区域的水深、周围环境及障碍 物的影响。船舶设计者一般都是按照舾装数和使用经验来确定锚、及系泊设备， 然而，对于许多工程船并不是简单在锚地抛锚，而必须在规定的工地、规定的海 况下进行抛锚或作业。对于该类型的工程船，笔者认为用抓持力法来确定锚洎链 的链长和链径更好，并应用悬链线理论和数值计算确定”1 。 悬链线锚泊系统，即传统展开式锚泊系统，具有悠久的使用历史。悬链线锚 泊系统是在环境外力作用下提供水平回复力以保持系泊浮体定位的锚泊方式。 系泊浮体由于外力作用离开原来位置的运动会导致锚泊线张力增大，提供更高 的回复力。但是锚泊系统的展开回收需要专门的作业船，锚泊系统的重量占据了 部分系泊浮体甲板可变载荷能力。上世纪7 0 年代以来，锚泊系统的研究可分为： 1 工程设计方面锚泊系统的展开回收、锚泊线的组成材料、锚泊系统 的布置、锚的发展； 2 理论研究方面环境载荷、锚泊线的静动力分析、锚泊系统与系泊浮 体之间的动力响应。其核心便是锚泊系统设计中存在锚泊线伸长的非线性、锚 泊线几何非线性、环境条件与波浪载荷非线性、与海底接触非线性四大非线性 问题的研究“。 本论文在众学者研究成果的基础上，针对工程船舶的锚泊系统进行设计选 型研究，并对其进行静力分析使其安全作业。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 在船舶种类中，工程船是一种船型多，用途广泛的船型。1 9 9 8 年修订的国 标“工程船术语”的定义是：“工程船( w0rkingship ) 从事航 道保证、港口服务、抢险救助、水域施工、水底开采、产品加工、船舶修理、 疏浚挖泥等作业用船”。船舶工程辞典的解释是：“按不同工程技术作业的 要求，装备各种相应的专用设备，从事各种工程技术业务的船。其类型繁多、 设备复杂、专业性强、新技术、新设备应用较多且各具特色。”这充分突出了工 程船型的开放性，反映了工程船不断发展的特征。 工程船舶主要用于海上施工定位、起重、抛石、基槽打夯和疏浚等工程， 一般为非动力船舶，由于其主尺度小、吃水浅和定位方便，受施工水域局限较 小，作业范围大，用途较广，因此在港口建设中有着举足轻重的作用。工程 船舶一般为非动力船舶，其定位、移位均需拖船协助作业，在一定海域内抛锚 定位，操纵锚泊设备来实现船舶的精确定位，满足工程需要。船舶海上定位， 通常受到3 个力的作用，即船体水线以上部分的风力、船体水线以下部分的水 流力、船体纵向和横向倾斜时所产生的惯性力，既要考虑风、浪、流载荷的影 响，还要充分考虑旌工区域的水深、周围环境及障碍物的影响。港内施工时， 同一作业水域可能有几艘船舶同时施工，另外还有已安装或未安装的工程构件， 周围环境复杂，如果出现船舶走锚、锚链破断，不仅影响工程工期、质量，严 重时将造成船舶损坏、碰撞等事故。因此，锚泊设备在工程船舶施工中尤其重 要。 受台风袭击时，工程船舶只能靠锚泊系统来抵抗风、浪、流对船舶的冲击， 锚泊系统的好坏、锚位的选择、锚缆长度和锚缆走向等将直接影响船舶和人员 的安全。 可见，对工程船舶锚泊系统的研究是很有必要的，要让工程船舶安全作业， 锚泊系统是一个关键环节。 1 3 锚泊系统的研究和发展趋势 当前在船舶工程和海洋工程中，主要采用两种定位系统：锚泊定位系统和 动力定位系统。由于锚泊系统具有投资少、可靠度高、使用、维修方便等特点， 2 武汉理工大学硕士学位论文 因而锚泊系统是目前主要采用的定位系统，其广泛应用于工程船舶、半潜式钻 井平台、钻井船以及半潜式采油平台。因此研究锚泊系统是有必要的7 1 。 1 3 1 国外研究现状1 首先进行的是船模实验研究，鲛岛等人于1 9 6 0 年在风洞水槽里以三岛型船 ( 船模长1 米) 为对象进行了单锚泊的船模型试验。弄清了强风作用下船舶偏 荡运动情况、船体偏荡和锚链所受冲击力的关系等。另外，还明确了加大吃水、 调成平吃水甚而首倾，加重单位长度锚链重量，在锚链上垂吊重物等对抑制偏 荡和减轻锚链的冲击力是有效的。 米田等1 9 6 0 年使用同样船模进行了制荡锚及双锚泊的实验。得出结论是： 在风速不太大的情况下制荡锚具有某种程度的抑制偏荡的效果。另外，还弄清 了就双锚而言，在两锚链夹角较小的情况下，两舷锚链上交互作用着与单锚泊 情况大小差不多的冲击载荷；然而，两舷夹角为5 0 。5 5 0 ，则几乎不产生偏荡； 即使锚链夹角为5 0 0 5 5 。以上，当风向偏出锚链线外9 0 。时，该偏角的增大就 会再次产生偏荡；而且，在此情况下，锚链所受冲击载荷反而比单锚泊的情况 更要大。根据米田等1 9 8 2 年进行的模型实验，上述结果又进一步得到了验证。 1 9 7 6 年m i n 的p e r i j o h a n s s o n 在其博士论文中建立了有限元模型对锚链 的动力响应进行了数值分析。考虑到与阻尼有关的速度，偏离平衡位置的位移 以及锚链张力的突变，该模型是非线性模型。在时域中对该模型进行求解，其 结果可以用来分析瞬时情况。作为n e w m a r k 所做工作的拓展，提出了一个新的 用于耦合运动方程数值积分的方法。该论文研究的外力激励模式仅限于锚链一 端( 固定于系泊漂浮物的一端) 受到被迫运动。 j a s o ni g o b a t 和m a r ka g r o s e n b a u g 提出了计算由于悬链线型锚链上端受 到垂向运动而引起的动张力的经验模型。该模型适用于海洋波频作用力，计算 了锚链张力的标准方差，其中锚链张力表示为与垂荡运动加速度成比例的惯性 项和与垂荡速度成比例的阻尼项之和。应用数值模拟，该模型表明了惯性项和 阻尼项之间的耦合效应。模型计算结果与实际海洋锚链在一系列海况下的测量 结果相对比，其最大误差在8 到1 l 之间，标准方差在2 到3 之间。其最 大误差在水平运动产生显著影响时产生于具有最大平均张力和动张力处。 a p s h a s h i n k a l a 等人应用有限元方法对波浪与单点系泊的驳船干扰的三 维问题进行了研究。考虑锚链的弹性、锚泊点在驳船上的位置的影响。对数值 武汉理工大学硕士学位论文 结果和在规则波及不规则波情况下所测得的模型试验结果进行了比较，对锚链 刚度系数对不同系泊点的驳船响应的影响进行了讨论，对锚泊系统的设计具有 指导意义。在规则波和不规则波情况下，分析结果和试验结果都吻合得很好。 s h a hh u a n g 提出了一种预报三维锚链动张力的数值方法。该方法基于质量 集中弹簧模型和有限元法。在考虑了模型特点和数值稳定性的基础上，给出了 数学分析。并给出了算例来验证该方法的合理性。 1 3 2 国内研究现状1 1 1 】 刘建成等人针对渤海海域上油田的开采，提出了一种简易单点系泊系统， 并在考虑风、浪、流三种载荷同时作用的情况下，对该系统的可行性从总体上 加以论证。利用设计谱理论计算油驳的波浪诱导纵荡力，利用经验公式计算油 驳风力和流力，将以上三种力线性叠加得到系泊力；利用设计波理论、由m o r i s o n 公式计算平台自身所受波浪力，利用经验公式计算风力。分析校核表明，该简 易系泊系统是可行的，且具有经济有效等特点，适用于实际油田开采。 范菊等人为研究转塔式锚泊储油轮的动力响应，应用二阶频域摄动理论计 算了其在压载状态下的一阶运动、二阶运动的响应谱及锚泊线张力谱，并与相 应的模型试验结果进行了比较，理论结果和相应的试验结果符合较好，二阶频 域摄动理论可用于分析转塔式系泊储油轮的动力响应。 范菊，黄祥鹿应用频域方法，研究波频运动引起低频慢荡阻尼力问题中锚 泊线所引起的力。锚泊线所引起的阻尼，在本质上与其运动间的初相位有关。 该相位信息从频域分析得出，应用摄动理论推导了n - - - 阶的锚泊线张力响应函 数，将算例与相应的时域结果进行了比较，频域摄动分析的结果在假设适用范 围内与时域分析得到的结果基本相符。 刘应中等人采用准定常时域方法分析了风、浪、流联合作用下海上系泊系 统的运动及动力特性。在每一时间步的系泊力由准静态方法得到。得到船舶运 动时历后，采用推广的三维集中质量法求得锚链的动力特性。在计算船舶的静 水恢复力和f r o u d e k r y l o v 力时，记及了瞬时湿表面变化引起的非线性作用。 朱克强等人采用凝集参数法推导了海洋缆体系统三维动态响应的全部公 式，采用“四阶龙格一库塔法”对运动方程进行了数值积分，输出结果是缆体 系统的动态构型和各分段内张力时间历程。由于采用了集中质量弹簧离散模型， 因而能比较好地适应各种非均匀缆体系统，例如带有不同性质缆分段或中间附 4 武汉理工大学硕士学位论文 体( 仪器包、浮标、缓冲器等等) 的系统，并对上端约束、下端主动作给定圆周 运动的缆系作了动态计算。 1 4 论文主要工作简介 锚泊系统一般分为单点锚泊系统( s p m ) 和多点锚泊系统( m p m ) 两种，其中单 点锚泊系统是多点锚泊系统的基础，本文以单点系泊为基础，针对工程船舶选 择合适的锚泊设备，进而在选定的锚泊设备下进行多点系泊的分析。锚泊系统 是一个复杂的系统，其设计要考虑的问题众多。一方面，组成成分和几何特征 复杂。一般的锚泊系统包括锚、锚泊线。锚泊线的组成又受材料、成分、浮标 或重块等参数的影响，以及锚泊线的布置形式和浮式结构的几何形状对锚泊线 的张力都有着极大的影响。另一方面，定位能力要求高。锚泊系统要求既要有 足够的强度和刚度，保证系泊结构的漂移量在任何情况下都不超出给定的范围。 因此，锚泊系统的设计工作是一个系统的复杂的问题。 一般而言，工程船舶的工作水深h 为6 0 m 7 0 m ，工作水深不是很深，锚泊 线一般采用单一成分的；而且工程船舶移位比较频繁，所以锚泊线一般采用锚 索，便于收放：此外，还会选择一段锚链卧底，这时选择锚链的原则是：锚链 的破断力和锚索的破断力相近。 本论文的主要工作总结如下： 1 探讨了环境力的计算方法。 2 简单介绍了锚及锚泊线的基本知识，推导了有起锚角和无起锚角两种状 态下的悬链线方程，介绍了其在工程上的应用；在单点系泊的基础上对锚泊设 备进行选型，然后对多点系泊的工程船舶的定位( 移位) 系统进行分析。 3 针对具体的工程船舶，选择几种布置方案，运用本论文中研究的内容， 以检验其可行性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 波浪载荷 第2 章环境载荷计算 海洋结构物在波浪中的运动及其遭遇的环境荷载是设计与使用中的关键问 题之一，是从事水动力计算、结构性能计算和锚泊系统设计的重要先决条件。波 浪理论的种类繁多，但在工程实际应用中，适用于不同水深范围的波浪理论有微 幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理论、孤立波理论。在工程计算 中应根据具体情况选择合适的波浪理论。早期在海洋工程领域广泛应用的有 m o r i s o n 方程法，是建立在半经验半理论上的对于固定细长构件遭遇波浪荷载的 一种行之有效的二维计算方法。近代由于海洋结构物尺度的大型化和形状的复 杂化以及环境因素的极端化，建立在势流理论上的三维源汇分布法或g r e e n 函数 法得以开发与应用。鉴于对高海况的关注，上述各种在频域中的计算分析方法的 应用受到了限制，因而基于这些理论的时域直接计算方法也获得了发展机遇。在 现行的船级社船舶设计规范中对一般的船舶与小尺度结构物的运动与荷载的计 算，m o r i s o n 方程法与切片法仍然是被推荐的计算方法。然而对于大型船舶与海 洋平台的计算，有的设计规范已规定必须应用三维算法进行验证计算。实际上， 二维方法通常可以用于方案设计或初步设计，三维方法则用于详细设计；对于组 合结构海洋结构物的各组成部分，又可能根据其形状与流畅的不同分别应用相 应的计算方法，最大限度地简化计算1 4 1 e 2 1 世纪将是海洋经济时代，浩瀚无垠的海洋是生命起源的摇篮，是资源和 能源的宝库，也是人类实现可持续发展的重要基地。当今世界，人类正面临着 “全球人口不断膨胀，陆地资源和能源日趋严峻”的危机，于是都把发展的希 望寄托于占地球表面积7 1 的海洋，都在重新估价海洋，坚定不移地向海洋进 军。于是海洋平台的发展日趋成熟。在某种程度上，海洋平台也可以看成是特 殊的工程船舶，其锚泊系统的设计原理是一样的，对海洋平台的环境力的算法 也可以借鉴到工程船舶中。 近些年在航运界出现了一些为装载特种构件而专门设计的特种船，这类船 同箱形浮体( 箱形浮体是海洋工程结构物的基本结构形式之一) 的几何特征类似 6 武汉理工大学硕士学位论文 长宽比较小，甚至接近l ；同时吃水与船宽之比也相当。由于这类船型的流体运 动的三维影响比较激烈，所以传统的切片理论难以给出比较精确的结果，为此很 有必要寻求一种适合于工程计算的箱形浮体耐波性计算方法。为了研究箱形浮 体在波浪上运动的计算方法，工程界曾提出一种称为修正切片法 ( m o d i f i e d s t r i p m e t h o d ，缩写m s m ) 的计算方法，这是在引入三维修正以及引用 试验结果的基础上发展起来的切片方法，是一种计算快。且能达到工程计算精度 要求的新方法。该方法的主要思想是“，： 1 采用了纵切片以及常规的横切片法； 2 采用精密切片法( s t r i c t s t r i p m e t h o d ) 计算波浪扰动力； 3 根据试验结果以及三维计算结果，进行三维修正； 4 改进了横摇旋涡阻尼的计算方法，计入了三维及浅水影响。 传统的切片理论适用于细长体，长宽比要求在4 ：1 以上，但工程船舶的长 宽比一般不满足这个条件，上述提到的针对箱形体的波浪力的计算方法，应该 适用于工程船舶，但是这种方法的研究还不是很成熟，计算量也非常大，目前 有一部分人在从事这方面的工作。由于本论文的工作要点不在于计算环境载荷， 于是本论文中计算波浪力的方法是利用公式。 波浪载荷以三种形式作用在系泊船上：( 1 ) 以波频振荡的一阶波浪作用力， 它是波浪力的主要成份，将引起船的波频运动。这个作用力并不直接作用于锚泊 系统上，在锚系受力分析时，它是以由锚链运动( 当然因船舶运动产生) 产生的动 态张力反映出来，在准静态分析时，则假定这个动张力等于静态下由锚链位置产 生最大偏移时的静张力变化。用准静态方法分析计算浅水中锚泊系统可以得到 正确的结果，但在水深超过6 0 0 m 的深海锚泊系统分析时，准静态方法可能产生较 大误差，必须使用动态时域分析法。( 2 ) 慢变的波浪二阶力，这是频率很低，量值 较小的一种波浪力成份。一旦它的频率和系泊系统的自振频率接近，将引起船作 大幅度的纵荡和横荡运动，巨大的船舶惯性力将作用在锚泊系统上，海上锚泊系 统的损坏大多数是由它引起的。用调整锚链预紧力改变系统白振频率的方法，可 以有效抑止低频馒漂运动。( 3 ) 二阶平均波浪漂移力，这是二阶波浪力中的定常 部份，和风力和流力一样也是静态力。一般它是一个小量，但是它和波高平方成 正比关系，一旦波高增大，它将迅速增加。系泊系统环境力中必须要包括它( 特别 在外海的系泊系统中) e l 。 船舶在二阶慢漂力的作用下，会发生低频运动，当位移积累到一定值之后， 7 武汉理工大学硕士学位论文 会导致锚链中的拉力突然增加，有可能造成锚链的断裂。获得二阶馒漂力的方 法主要有：模型试验、实船试验和理论预报研究。模型试验、实船试验方法既困 难又耗资大，故学者们主要致力于理论研究。本文采用j o h n c d a i d o i a 二阶 慢漂力的计算方法“。 嘞= 三1 p 。豇厶2 c m c o s a ( 2 1 1 ) 嘞= 亡岛班厶2 c y d s i n a ( 2 1 2 ) m d = 一f w x 。= 一之p d g p c n d s i n a ( 2 1 3 ) 式中o 为平均波幅，为1 2 波高：l 为船长：a 是波浪与船舶中线面的夹角；f 。 是纵向波浪漂移力，是横向波浪漂移力，m d 是波浪转首力矩。c 。是纵向漂移 力系数；c 。是横向漂移力系数：c 。是波浪力矩系数。其表达式： c 。= 0 0 5 - 0 2 ( l ) + o 7 5 ( l ) 2 0 5 1 ( l ) 3 ( 2 1 4 ) c = o 4 6 6 8 3 ( 九l ) - 1 5 5 6 ( l ) 2 + 8 4 4 ( l ) 3 ( 2 1 5 ) c = 一0 1 1 + 0 6 8 ( l ) - 0 7 9 ( l ) 2 + 0 2 1 ( l ) 3( 2 1 6 ) 通过以上的式子可以估算出任意方向来流时的二阶慢漂力。 对于充分发展的海浪，可用文献 1 1 的方法对波幅及波长进行估算： 波高h = 0 0 1 5 v w 2 + 1 5 周期t = 一0 0 0 1 4v w “0 0 4 2v w 2 + 5 6 由此可得： 波幅l = 0 0 0 7 5v w 2 + 0 7 5 波长 ：1 5 6 2 5 t 2 其中v w 为绝对风速。 对于二阶平均波浪漂移阻力，目前还没有十分可靠的经验公式，c c s r c 的三 因次船舶耐波性程序可以计算，但是计算复杂，数据准备工作量大。计算波浪 的二阶漂移阻力时，也可以用以下计算公式m 1 ： r x = 言印。g s ( 1 h , ) 2 c o s 口x 1 0 4 ( 2 l 7 ) r y2 4 k p 。g b ( 4 h i ) 2 s i l l 口1 0 3( 2 1 8 ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 下： 式中h 。有义波高( m ) ； p 广水的密度( k g m 3 ) ； g 重力加速度( m s 2 ) ； k 系数； 胪船宽( m ) ； a 浪向角( 度) 。 本论文借助上述公式得到需要的波浪二阶漂移阻力。 本论文中环境力的计算都是通过v b 编程计算的，其中波浪力的计算界面如 图2 1 - 1 二阶波浪平均漂流阻力 图2 1 2 二阶波浪慢漂阻力 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 风载荷9 1 风的特征用风速和风向两个量来表示。为反映风的强弱，根据风速的大小 划分风级。常用的蒲福风级表将风划为1 3 个风级，1 2 级飓风的风速为3 2 7 3 6 9 m s 。海上的风速远大于3 6 9 m s ，因此后人又将蒲福风级表补充了五个风 级，总共为1 8 个风级。最大的1 7 级风速为5 6 1 6 1 2 m s 。但这仍不能包括自 然界全部的风，也不包括象龙卷风这样小范围少见的风，后者风速可达1 0 0 2 0 0 m s 。 风速是脉动的，一天之中风速记录数值变化很大，需取某一时距的平均风 速表示。由于所取的时距长短不同，风速名称也不同。常用的有阵风风速、持 续风速、稳定风速等，各国舶级社的规范中都有白己的规定。我国船级社( c c s ) 规定，时距l m i n 的设计风速用于局部构件基本风压计算；时距l o m i n 的设计风 速用于总体结构基本风压计算。 阵风风速一般取时距为3 s 的平均风速，如挪威船级社( d n v ) ；也有的取时 距为1 0 s 的平均风速，如法国舶级社( b v ) 。 持续风速一般取时距1 3 m i n 的平均风速，如英国劳氏船级社( l r ) 和d n v 均取l m i n 。d n v 还给出阵风风速与持续风速的换算关系： v ；= 1 2 5 v 。 ( 2 2 1 ) 式中v 。海面以上l o m 处的阵风风速； v 。海面以上l o m 处的持续风速。 稳定风速一般取时距1 h 的平均风速，如b v 和d n v 。 设计风速一般包括设计风速的重现期和风速的取值。各国规范中，设计风 速标准是不同的。挪威船级社规定了两种设计风速标准，均考虑重现期。 一是选用静水面以上l o m 处的百年一遇持续风速为设计风速，在静水面上 z m 高处持续风速可按下式计算： v 。= v 。( o 9 3 + 0 0 0 7 z ) “2 ( 2 2 2 ) 式中 v 。o - 一静水面以上l o m 处的持续风速； v z - 一静水面以上z m 高处的持续风速。 如缺乏有关风速数据时，d n v 规定可采用表2 2 1 中给出的设计风速数值表中 分别给出四种海域类型和两种季节类别，即所有季节和夏季。 二是采用n 年一遇的阵风风速为设计风速。如果缺乏详细的数据，可用下 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 式计算。 v ：= v 。( 1 5 3 + 0 0 0 3 z ) “2( 2 2 3 ) 式中v ：在静水面以上z m 高处的阵风风速； v - o 在静水面以上1 0 m 处的持续风速。 d n v 规定的两种设计风速标准，用于不同载荷组合。当与最大波浪力组合时， 采用持续风速；当用阵风风速计算的风力比用持续风速与最大波浪力组合更为 不利时，则采用阵风风速。 由风引起的动态载荷对船舶的姿态有着重要的影响，而从海面吹过的自然 风，其大小及方向都是不断变化的，并且由于海面波浪产生的粗糙度影响，风速 沿高度方向存在梯度，因此风速的大小和方向是不稳定的，这给测定作用在船舶 上的风力及风力矩带来了很多困难。计算风载荷最精确的方法是进行风洞试验， 其缺点是费时费力、花销大，并且对每艘船都进行风洞试验也不切实际。所以考 察风的影响时，通常作为均匀风处理。 表2 2 1 设计风速 v ，。( m s ) 海域类型 所有季节夏季 遮蔽海域 4 0 正常开阔海域 4 5 4 5 风暴开阔海域( 北海和挪威大陆架) 5 0 极端海域( 世界范围) 5 0 石油公司国际海事论坛( o c i m f ) 在1 9 7 7 年和1 9 9 4 年两次发表了超大型油船 的风载和流载计算方法，以及系统完整的模型试验资料，目前已成为各种应用研 究的标准载荷计算方法。唯在使用时需注意正确选择各种影响参数，同时还需进 行各种修正，如干舷比修正，长宽比修正，纵倾修正等。 根据0 c i m f 资料，风力和风力矩按下述公式计算“1 ： 1 = c 所。a r ( 2 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 = - l c 缈p 2 a l ( 2 2 5 ) z 1 m m = 妄c m 肌。以 ( 2 2 6 ) 式中：h 、f 。、m 。分别为纵向风力、横向风力和艏摇风力矩，k n 或k n m 。c 。、c 。、 g 。分别为纵向风力系数、横向风力系数和艏摇风力矩系数。p 。为空气密度，k g m 3 v 为海平面以上l o m 处的风速，m s 。a ，为正向受风面积，m 2 ，a 。为侧向受风面积，m 2 。 k 为两柱间长，m 。风力系数c 。、c 。c 。根据风向角、装载状况及船艏形状由 o c i b i f 资料中的图谱得到。如果需要核算的装载状况处于满载及压载状况之间， 则风力系数可按船中处干舷线性内插求得。 如果能够找到o c i m f 有关计算环境力的资料，那么通过v b 编程计算风载荷 的界面如图2 2 1 。 图2 2 1 根据o c i m f 计算风载荷 虽然上述计算风载荷的方法目前是标准载荷算法，但是如果资料有限，可 以考虑用其他方法计算风载荷，本论文中没有充足的o c i m f 资料，采用的是文 献 3 3 中推荐的一种算法，即按空气阻力系数估算空气阻力( 风载荷) ： r = i 2 c 。p - v 。2 a l ( 2 2 6 ) 式中： r 广空气阻力( n ) ； p 广空气密度，常取1 5 时的数值： 武汉理工大学硕士学位论文 v 广空气与船舶的相对速度( m s ) ； a ，船体水上部分在横剖面上的投影面积( m 2 ) ； c 。空气阻力系数，与风向角和上层建筑的形式有关。 以下是用空气阻力系数估算空气阻力的界面： 2 3 流载荷【6 1 图2 2 2 空气阻力估算 海洋中流的种类很多，有海流、潮流、漂流、密度流、地转流等。流的变化 是长周期的，考察流的影响时，可以按照常值干扰来处理。o c i m f 对常规船型做了 流力模型试验测量，试验中船模可以与均匀来流成各种夹角，将测得的流力与流 力矩无因次化，得到纵向、横向及矩的阻尼系数，该系数可用于同类船型的流力 计算。 根据o c i m f 资料，流力和流力矩按下述公式计算： 1 = 去c 嬲p o v c 2 t l ( 2 3 1 ) 二 j k = 去c k p d 2 兕丑p ( 2 3 2 ) 二 1 m 胱= 去c 舰岛矿c 2 丁咯 ( 2 3 3 ) 二 式中：& 、f 。地，。分别为纵向流力、横向流力和艏摇流力矩，k n 或k n m 。c ”、c ”、 c 。分别为纵向流力系数、横向流力系数和艏摇流力矩系数。po 为水流密度，k g m 3 v c 为吃水范围内的平均流速，m s 。t 为平均吃水，m 。l 卵为两柱间长，m 。风力系数 c 。c 。、c 。根据流向角、水深吃水比、装载状况及船艏形状由o c i m f 资料中的 武汉理工大学硕士学位论文 图谱得到。 和计算风载荷一样，如果有o c i m f 的相关资料，那么通过v b 计算流载荷的 界面如下 一水流阻力 水的密度p 水流速度 平均吃水t 商桂网长嘶 搬俺流力系徽h c 横冉流力系数c y c 磁力矩系数c 珂c 1 5 l 向谠力h c 檀冉藏力b c 螽力矩脚c - 。_ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 广一 广一 广一 广一 广一 广一 r 一 k d - 3 强 h 强， 图2 3 1 根据o c i m f 计算流载荷 嗍、仨二二二兰筮二二二二二一 圣、e 三三三蛊蔓至三三萝警 匿重冀雠 图2 3 2 流力坐标系 如果资料不齐全，同样可以选择其他方法计算流载，根据文献 9 ， 单独计算海流作用力时可用下式： f = 昙p 。圪2 彳k n 1 4 ( 2 3 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中： c d - 一海流拖曳力系数，可由表2 3 1 查得； pd _ 海水密度，k g m 3 v c - 设计流速，m s ； 构件在与流向垂直的平面上的投影面积。 表2 3 1 拖曳力系数c 。 c o 物体形状基准面积 c d ( 单位长) 呲 气 d1 0 正方柱陟7 卯 d2 o 乏刎量 平板 图 d 2 0 球体 7 、汀 ) d do 6 、一、一i 如果考虑流向角e ，笔者认为可以将式2 3 4 分解如下： r = l p c c 。( 矿c c o s o ) 2 4 k n 凡= l p c c 。( v c s i n 护) 2 以k n ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 式中0 为流向角，a t 为浸水横剖面投影积，a l 为浸水纵剖面投影积，其余符 号同式2 3 4 。按此思路，用、，b 编制的界面如下： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 3 水流阻力 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 锚的介绍【9 】 第3 章锚泊系统 锚泊系统是海上浮动型平台不可缺少的组成部分，该系统的可靠性是极为 重要的。锚泊系统包括锚、锚索链、锚机和其它设备，如锚架、锚浮标等。本 章主要讨论其中的锚、锚索链部分。 锚的种类繁多，工程船舶常用的是转爪锚。锚爪、锚杆与锚冠连为整体， 锚柄与锚冠之间用销轴连接。这样锚爪与锚柄之间可以张开，形成锚爪角。 图3 1 1 是锚的入土分析。其中图( a ) 所示的角1 3 是锚在入土前，锚爪与 海底所成的初倾角，它对锚爪能否入土影响很大。b 如果太小，就会在锚爪前 形成土壤堆积：如果太大，则会使锚横向翻到，这样锚爪均不能入土。合适的 初倾角在1 7 至2 0 度之间。图( b ) 显示出锚爪入土时施加于锚柄端部的水平拉力 t 与锚重力p 的联合作用。除了力t 与p 以外，锚爪上还受到土壤的阻力f 。f 的作用线与爪面法线成6 角，该角与爪面粗糙度有关。 锚爪入土的受力条件是p 、f 和t 三力对锚柄端点a 的矩m o ( 如图所示) 。 除了p 、f 和t 以外，m 还与锚柄的长度l ，和锚爪角a 有关。其中t 对a 点的矩 为零但它对f 有影响。起决定性作用的是锚爪角n 。实验表明，对不同土壤， 锚爪角存在一个临界范围，超过此范围，锚爪就不能顺利入土。一般在粒状土 壤( 沙) 中为3 0 至3 5 度，在软土壤中约为5 0 度左右，在硬粘土中为2 5 至3 0 度。 在锚的入土过程中要求不出现侧躺、翻滚，为此通常设置锚杆。实践证明， 只要锚杆的尺寸适当，其稳定效果是很好的。但是有了锚杆，锚就不易深埋入 土中。 ， 简单地说锚的抓力就是抛锚时能在锚链上施加的最大牵引力，它与土壤的 机械特性、锚的埋藏深度、锚爪有效面积与爪面粗糙度等因素有关。锚的抓力 随着作用在锚柄端部的拉力提升角( 拉力与水平线的夹角) 变化。当提升角为零 时，抓力最大：提升角增大，抓力下降。实验表明，在沙质土壤中，提升角l o 度时的锚爪力为最大抓力的7 5 8 0 ：提升角9 0 度时，只要用最大抓力2 0 大小的垂向拉力就可将锚拔出土。因此在悬链线泊系统中，为使锚抓力得以充 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 分发挥，必须抛出足够长度的锚泊线，保证提升角为零。 随着海洋开发向深水推进，对锚泊问题提出新的要求。因为在深水中，如 果仍然要求锚索链下端与海底相切以保证锚的抓力，则所需的索链很长，因而 就要研究能承受垂向分力的锚。如采用水泥重块或打桩锚，当遇岩性海底而不 能打桩时，可采用钻孔灌注锚桩。某些锚是根据特定的海底设计的，因此在不 符合设计要求的海底情况下，锚的工作性能就较差。虽有各种锚在不同海底情 况下的抓力计算公式，但锚的真正抓力需在现场通过试验来确定。 图3 1 1 锚的结构图及入土分析图 目前，船舶设计者一般都是按照舾装数来确定锚及系泊设备，然而，对于许 多工程船并不是简单在锚地抛锚，而必须在规定的工地、规定的海况下进行抛锚 或作业。对于该类型的工程船，笔者认为用抓持力法来确定锚泊链的链长和链径 为好。所谓抓持力法就是根据锚及锚索链在海底所提供的抓持力与作用在船舶 上的外力平衡条件，确定锚及锚索链尺寸。作用在船舶上的外力主要是由风、 波浪和海流引起的。因此，在外力计算中首先求出风力、波浪力和海流力。以 三种外力方向相同作为计算标准。求出最大合力后，根据所选锚的抓重比和锚 索链的断裂强度等来确定锚重和锚索链的尺寸。锚重计算公式为： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 w = r k( 3 1 1 ) 式中w _ 卅的重量，n ； r 外力的总合力，n ； k 锚的抓重比( 表3 1 1 ) 。 锚的抓重比不仅与锚的型式和海底地质有关，而且也与锚的重量有关。表 3 ，1 1 给出的锚的重量约为5 0 k n 。 锚的抓力通过锚索链传到船舶上。索链尺寸的选取直接影响锚的抓力和船 舶的安全性。锚索链的长度、重量、抛锚距离可以用悬链线方程计算。 表3 1 1 锚的抓重比 土质霍尔锚斯贝克锚海军锚丹福氏锚l w t 型锚 淤泥 2 32 3 2 41 0 1 69 1 3 粘