（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海洋工程锚泊系统计算与分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 海洋蕴藏着巨大的油气资源，面对陆地资源的日渐匮乏，海洋资源的开发 与利用正在受到越来越多的关注。随着海洋开发向深水挺进，半潜式钻井平台 和浮式生产储油系统( f p s o ) 也已经成为海洋开发的主要工具。为了保证海洋平 台等长期在海上作业的漂浮物在大多数海况下可以正常工作，海洋结构物的系 泊系统的设计尤其重要。传统的设计锚泊系统的方法主要是采用准静力方法加 安全系数来确定锚链工作状态的张力，这种方法虽然在工程上是适用的，但是 会造成材料的浪费。因此，为了设计的需要，本文主要开展了以下几方面的工 作： ( 1 ) 分析比较锚泊线的具体成分及其特性。 ( 2 ) 锚泊线的静力分析。本文分别采用悬链线方法和集中质量法建立锚泊 线的静力平衡方程，给出了离散模型和迭代的计算步骤。以一根锚链为例计算 出了链形及张力，并对两种方法的计算结果进行了比较分析。 ( 3 ) 应用集中质量法对锚洎线进行动力分析和计算。由于锚链在水下工作， 影响锚链动力响应的因素很多，从而决定了锚链动态性能的复杂性。锚泊线的 运动方程是一组高非线性的偏微分方程组，求解困难。本文采用集中质量法对 锚链的动力性能进行理论分析，并根据理论分析编程进行计算。在计算过程中， 考虑各项流体力即法向切向阻力，流体附加质量及流体静压力的影响，采用 h o u b o l t 差分格式在时域内进行积分求解，得到了给定运动的情况下系泊点处张 力随时间变化的情况。对计算结果进行了分析，分析不同频率范围对张力变化 趋势的影响，得到了最大张力随频率的变化曲线。 ( 4 ) 给出了低频情况下最大动张力的估算步骤和公式，用该方法计算得到 了低频情况下锚链上端点张力随频率的变化曲线，并与集中质量法的计算结果 做了对比。 关键词：锚泊系统；动力分析；时域分析；集中质量法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e ac o n t a i n sg i a n to i la n dg a sr e s o u r c e s ，f a c i n gt h el a n dr e s o u r c e si sd e f i c i e n t d a ya f t e rd a y ，t h ee x p l o i t a t i o na n du s a g eo fs e ar e s o u r c e sa r er e c e i v i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed e e po c e a ne x p l o i t a t i o n ，s u b m e r g e do i l d r i l l i n gp l a t f o r ma n dt h ef l o a t i n gp r o d u c t i o na n ds t o r a g eo f f l o a d i n gs y s t e m ( f p s 0 ) a r ea l r e a d yb e c o m e st h em a i nt o o lo ft h eo c e a n e x p l o i t a t i o n i no r d e rt og u a r a n t e et h e p l a t f o r ma n do t h e rf l o a t i n gt h i n g sw o r k i n gu n d e rt h em a j o r i t ys e ac o n d i t i o n ，t h e d e s i g no ft h em o o r i n gs y s t e mo fs e as t r u c t u r ei se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a l m e t h o do fm o o r i n gs y s t e md e s i g ni st h ea c c u r a t es t a t i cm e t h o dw h i c hu s e st h es a f e t y c o e f f i c i e n tt od e t e r m i n et h ea n c h o rc h a i n sw o r k i n gf o r c e t h i sm e t h o di sf i ti n e n g i n e e r i n g , b u ti tw i l lb r i n gi nm a t e r i a lt h ew a s t e s o ，f o rm o o r i n gs y s t e md e s i g n ， a u t h o rh a sd o n es e v e r a lw o r k sa sf o l l o w ( 1 ) a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ec o m p o n e n ta n di t st h ec h a r a c t e r i s t i co f m o o r i n gc h a i n s ( 2 ) s t a t i c a n a l y s i s o f m o o r i n g l i n e a u t h o rs e p a r a t e l y u s e dc a t e n a r y m e t h o d a n d t h el u m p e d m a s sm e t h o dt oe s t a b l i s ht h es t a t i ce q u a t i o no fm o o r i n gl i n e ，p r o d u c e d d i s c r e t em o d e la n dt h ei t e r a t e dc o m p u t a t i o ns t e p t a k i n gam o o r i n gc h a i na st h e e x a m p l ea u t h o rc a l c u l a t e di t ss h a p ea n df o r c e ，a n dh a sc a r r i e do nc o m p a r a t i v e a n a l y s i st ot w om e t h o d sr e s u l t s ( 3 ) d y n a m i ca n a l y s i so fm o o r i n gl i n eb yl u m p e d m a s sm e t h o d b e c a u s et h e a n c h o rc h a i nw o r k si nu n d e r w a t e rc i r c u m s t a n c e ，t h e r ea r em a n ya f f e c t st oi n f l u e n c e t h ed y l l a m i cr e s p o n s eo ft h em o o r i n gc h a i n i td e c i d e st h ec o m p l e x i t yo fm o o t i n g c h a i n sd y l l a m i cp e r f o r m a n c e t h ed y n a m i ce q u a t i o no fm o t i o nc h a i ni sag r o u po f h i g i ln o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，t h es o l u t i o ni sd i f f i c u l t y a u t h o ru s e st h e l u m p e d m a s sm e t h o dt oc a r r yo nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h em o o r i n gc h a i n s d y n a m i cp e r f o r m a n c e ， a n dc a l c u l a t e d b yc o m p u t e rp r o g r a m m a d e b y a u t h o r a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec o m p u t a t i o nc o n s i d e r e di n f l u e n c eo f e a c h f l u i df o r c es u c h 硒n o r m a la n dt a n g e n t i a lr e s i s t a n c e t h ea d d e dm a s sa n dt h e h y d r o s t a t i cp r e s s u r e a d o p t e dt h eh o u b o l td i f f e r e n c ef o r m a tt os o l v ei nt i m ed o m a i n ， o b t a i n e dt h ef o r c eo ft h em o o r i n gl i n ec h a n g i n gw i t h t i m ea tg i v e nm o v e m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf r e q u e n c yr a n g et ot h ef o r c ec h a n g et e n d e n c y , o b t a i n e dt h eb i g g e s td y n a m i cf o r c ec h a n g ea l o n gw i t ht h ef r e q u e n c yc u r v e ( 4 ) p r o d u c e dt h ee s t i m a t e s t e pa n df o r m u l ao ft h es t r o n g e s tf o r c e i nl o w f r e q u e n c y , o b t a i n e dc a l c u l a t i o nr e s u l to fu p p e r - e x t r e m ep o i n tf o r c eo fm o o r i n gc h a i n c h a n g ea l o n gw i t ht h ef r e q u e n c y c u r v ei nt h el o wf r e q u e n c yb yt h i sm e t h o d ，m a d et h e c o n t r a s tw i t ht h el u m p e d m a s sc o m p u t e dr e s u l t k e yw o r d ：m o o r i n gs y s t e m ；d y n a m i ca n a l y s i s ；t i m ed o m a i na n a l y s i s ；l u m p e d m a s s m e t h o d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 石油被称为工业的血液，可以说现代世界离不开石油就像人离不开水一样。 它既是重要的能源又是重要的战略物资，在国家的经济生活中扮演着不可替代 的角色。在陆地上的油气资源经过长期的大规模开发之后，有限的陆地石油资 源进一步减少，而海洋这个巨大的资源宝库蕴含着及其丰富的油气资源。因此， 从上世纪6 0 年代开始，人类就已经开始开发海洋石油了。 在世界石油的储量中，海洋石油储量约达1 3 5 0 亿吨，占世界石油总储量的 2 ，3 ，在已发现的石油储量中，海洋石油占1 2 ，自上世纪8 0 年代以来，随着近 海油气资源的减少和技术的进步，人类已经开始大规模进入深海石油开采，并 逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源工业新领域。截止到2 0 0 5 年， 海洋石油产量已达到世界石油产量的4 0 。我国海域辽阔，2 0 0 m 水深以内的大 陆架有1 3 0 多万平方公里，多年的勘探已经证明，我国沿海大陆架石油地质条 件优越，含油气潜力很大。东海盆地石油资源储量为5 0 1 0 0 亿吨，渤海石油资 源储量达3 7 6 8 亿吨。南海是我国最大的海域，根据国内外专家的分析论证，该 海域是我国油气开发最有潜力的区域，这里的天然气储量达1 3 万亿立方米，占 我国天然气资源的1 3 ，在世界上也属罕见。海洋石油开发已经成为我国最重要 的经济活动之一。目前，我国已经把海洋石油开发作为我国8 6 3 项目的重点支 持领域，在可以预见的未来，我国将会越来越重视海洋石油资源开发的发展。 海洋石油的开发离不开海洋钻井平台，近年来，世界上海上钻井装置的作 业水深不断地创造出了新记录，现在，除了超深水海域或有冰的深水海域以外， 己可在任何海域钻探。世界海洋石油开发技术的发展日新月异，我国海洋开发 技术相对比较落后，针对目前渤海石油产量下降的情况，中海油已经提出进军 深水的发展目标。可以说，我国的海洋石油开发即将给我国海洋工程领域带来 突飞猛进的发展。 1 2 课题研究的目的和意义 随着海洋石油产业的发展，作业海域已延伸到更深的海域，移动式平台由于 武汉理工大学硕士学位论文 其较好的移动性，稳定性和对深水的适应性，已经越来越广泛的用于深海石油 开发之中。半潜式平台用若干根立柱或沉箱将下部结构沉垫浮体和上部结构甲 板联结起来。由于浮体浸没在水中，所以横摇与纵摇的幅值都很小，能够满足 深海作业的要求。f i s o 是8 0 年代中期兴起的一种新型海上石油开采工具，它 通过单点系泊装置长期系泊与工作海域，系泊装置一般有转塔式以及悬臂式两 种，装置下面的系泊系统由多根锚泊线组成，在f p s o 的设计中锚泊系统的设计 占有举足轻重的地位。锚泊系统布置示意图如图1 1 所示 i t e m 。 ， ，“， 图1 1 由于移动式平台和浮式生产储油轮都是长期在作业海域工作，不像普通船 舶那样遇到大风浪可以避航，所以锚泊定位系统在设计中占有非常重要的地位。 锚泊系统包括锚链、锚、锚机等设备。本文主要研究讨论考虑水流、波浪影响 下锚索的应力大小变化，以供实际工程设计使用。 1 3 国内外的研究现状 目前，国内外很多科研工作者都正在从事这方面的研究。 1 9 7 6 年m r r 的p e r i j o h a n s s o n 在其博士论文中对锚链进行了有限元动力 分析。考虑到了与阻尼有关的速度，偏离平衡位置的位移及锚链张力的突变， 该模型是非线性模型。在时域中对该模型进行求解，结果可以用于分析瞬时情 况。作为对n e w m a r k 所做的工作拓展，提出了一个用于耦合运动方程数值积分 的方法。 j a s o ni g o b a t 和m a r k a g r o s e n b e r g 提出了计算由于悬链线型锚链上端受 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 1 之问，标准方差在2 到3 之间。最大误 差在水平运动产生显著影响时产生于最大平均张力和动张力处。 t o s h i on a k a j i m a 等人提出了集中质量法，该方法由于其与实验结果最为吻 合而得到了广泛的认可。该方法考虑了惯性项，阻尼项等非线性因素的影响和 锚链弹性变形的影响，在时域内得到了与实验结果吻合的数值计算结果。 陈小红等人采用摄动理论对锚泊线的动力响应进行了理论分析，即对锚泊 线的非线性基本运动方程应用摄动法展开，并考虑了运动过程中由于锚泊线位 置的变化所引起的对动力响应的影响，得到一阶和二阶线性偏微分方程。并将 此两方程在频域内求解，得到一阶和二阶频率响应函数，再用傅立叶变换求得 脉冲响应函数，将脉冲响应函数与输入卷积，得到锚泊线动态时历响应。通过 与实验数据的比较得到了一些有意义的结论。 范菊，黄祥鹿在陈小红研究结论的基础上，应用频域方法研究波频运动引 起慢荡阻尼力问题中的锚泊线的受力。锚泊线所引起的阻尼，本质上与其和运 动间的初相位有关。该相位信息从频域分析得出，应用摄动理论得到了二阶的 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间域方法分析了风、浪、流联合作用下海上系泊 系统的运动及动力特性。对两点系泊的油轮实际计算得出流力和二阶波浪力对 系泊系统的受力影响最大，两者影响系泊油轮偏离初始位置的位移和锚链张力。 随着波高的增加，索张力平均值先增加后减小，随水深的增加，缆索张力减小。 对于尼龙绳这类主要靠弹性作用的系泊系统，二维计算就能较准确的预测其受 力。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 锚泊线的静力计算与分析。在悬链线方法静力分析的基础上，采用集 中质量法对锚泊线进行了静力分析，给出了离散模型和迭代的计算步骤。分别 3 武汉理工大学硕士学位论文 编写了悬链线方法和集中质量方法的计算程序，并对两种方法的计算结果进行 了分析比较。 ( 2 ) 锚泊线的动力计算与分析。针对锚泊线的非线性特点，在动力分析中 采用h o u b o l t 差分来离散微分方程式，采用n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求解微分 方程。在模型中本文考虑了作用在锚链上的非线性流体力以及锚链的弹性伸长 和由于锚链振动的大变形位移引起的几何非线性。编写了计算程序并进行了计 算，计算的结果与相关文献的实验结果进行了对比，对比结果表明计算结果和 实验结果吻合良好。 ( 3 ) 通过计算不同频率对应的最大张力得到了张力随频率的变化曲线，分 析了不同频率范围张力随时间变化所表现出的不同特征及其产生原因。 ( 4 ) 给出了低频情况下动张力估算步骤及公式，用该方法计算得到了低频 情况下锚链上端点张力随频率的变化曲线，并与集中质量法的计算结果做了对 比。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章锚泊定位系统概述 2 1 锚泊系统概述 一般船用锚泊设备是指普通船舶为了满足临时停泊需要而配备的锚泊设 备。离岸定位锚泊系统主要是指因海上石油勘探和开采，以及与其有关的离岸 作业的需要而发展起来的锚泊系统。虽然两者都是用锚和锚泊线来实现船舶或 平台的定位，但其要求则有很大不同。 一般船用锚泊，多是在无风暴情况下，于浅水区进行，若遇风暴，则应进 港躲避。其作用是限制船舶的活动范围，使其不致任意漂流。因此，对抛出的 锚泊线长度有一定要求，即抛出的长度应足以保证船舶在受外力作用而漂移时 锚泊线下端总能相切于水底，使锚的抓力得以充分发挥，防止走锚。锚泊设备 一般布置在船的首都，这样，在锚泊时无论风浪来自何方船舶均能自动以首部 迎着风浪，使船舶的受力较小。锚泊线是单一成分的，多为锚链，在小船上也 有用缆索的，整根规格统一。锚泊线所受的力一般较小是几吨至几十吨，对大 型油船可能超过1 0 0 吨。 离岸定位锚泊，在作业条件下，要求能限制被系留物( 钻井船或平台) 的运 动，以保证联接在被系留物与海底之间的工作杆件( 钻杆、立管等) 不敢有过大 的偏斜，从而不会引起破坏，导致事故，并得以延长其使用寿命。因此，定位 要求准确，并严格限制在一定范围内。对离岸定位锚泊来讲，通常有作业条件 与生存条件两种锚泊要求。这种锚泊往往是在几十米甚至几百米水深中进行， 除了采用单一成分锚泊外，为了提高定位能力改善锚泊系统性能，有时则采用 由索、链或索、链及重物组合而成的多成分锚泊线。锚泊线所受的力常常大于 1 0 0 吨，有的甚至高达5 0 0 吨以上。 2 2 离岸定位锚泊的分类 随着海上石油工业的不断发展，为海上石油勘探和开采，以及与其有关的 其他离岸作业的需要而设计的浮式结构物多种多样，其对锚泊的要求，也由于 作业特点( 勘探或开采) 、定位时间的长短、结构物的大小、结构物的功能( 钻井、 采油、储存、系泊、铺管) 、海况的恶劣程度、水深等因素的不同而有很大 武汉理工大学硕士学位论文 差别。为简化与清楚起见，可以按定位时间来进行分类。按这种方法，可将锚 泊系统分为三类：移动性锚泊系统，暂时性锚泊系统，永久性锚泊系统。 移动性锚泊系统：对铺管船和埋管船来说，这些船在工作时，需要拖带着 它们所用的锚沿着预定的路线行进。锚的不断移动由一两艘辅助船来完成。起 重船以及某些后勤辅助船等需要频繁改变其位置的船舶的锚泊也属此类。这些 船必须配备通用的铺泊系统，以便它们能适应所有形式的海况和海底条件。 暂时性锚泊系统：钻井平台与钻井船上采用的锚泊系统属于这类。因为 钻井作业要求它们得有几周至几个月时间的定位。在每一作业周期完成后，它 们就被拖到平静海面，以便进行必要的维修和可能的作业更替。在极个别情况 下，可能要更换锚泊设备。 永久性锚泊系统：离岸油田的采油，根据油田的大小，往往需要在那里装 设为期5 至2 0 年甚至更长的结构装置。这类装置的锚泊属于永久性的。这类装 置的型式有：用悬链锚泊( 图2 - 1 ) 固定的半潜式平台，用张力式锚泊( 图2 2 ) 固 定的张力式平台，以及用悬链锚泊固定的拉索塔。 图2 - 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 锚泊线的特性与分类 2 3 1 锚泊系统的特性 图2 - 2 由于浮式结构物受到风浪流作用下运动与锚泊系统的运动耦合是一个复杂 的运动过程，结构物在平均流力、风力引起平均静力位移。锚泊系统在这些静 力作用下保持静平衡。静平衡位置也是今后进行动力分析的基础。波浪力可引 起结构物的波频振荡运动，结构总的运动可以认为是平均静力位移、波频震荡 运动和低频振荡运动三者的迭加。这些环境载荷及结构物运动使得锚泊线的运 动呈非线性性质，一般认为，锚泊线的非线性由三部分组成。他们是 ( 1 ) 几何非线性。锚泊线可以认为是有弹性的、均布质量的细长结构。锚 泊线的这种结构使它在外力作用下要产生较大的变形。 ( 2 ) 边界条件非线性。边界条件，主要是锚泊线同海底的相互作用是非线 性现象。 ( 3 ) 载荷非线性。作用在锚泊线上的非线性拖曳载荷是运动微分方程式的 重要组成部分。 因此，锚泊线的动力性能十分复杂。在许多情况下，为了分析锚泊线的非 7 武汉理工大学硕士学位论文 线性动力特性，必须建立数学模型，借助计算机求解。 2 3 1 锚泊线的种类 在锚泊系统中，用于悬链线式锚泊线的组成部分一般有：锚链、锚索、合 成纤维绳以及各种样式的重块和浮力器件。链和缆索是组成锚泊线的主要部分， 块重和浮力器件是为了改善锚泊线的某种性能而增设的部件。 ( 1 ) 锚链 锚链由许多链环连接而成的。链环分有档链环与无档链环两种，同样链径 的有档链环强度约比无档链环高2 0 。在离岸作业锚泊系统中，大都采用 6 4 - - 1 0 2 m m 直径的有档锚链。 由于使用和运输上的原因，锚链在制造上常要分段，为构成整根锚泊线就要使 用连接件。锚链连接件的型式有多种，如k e n t e r 型连接环、b a l d t 型连接环及d 型卸扣。前两者的结构对程光滑，经过导向装置和链轮的顺滑性比后者好，但 由于其结构上的原因其耐疲劳的性能比后者差。永久性锚泊系统会长时间遭受 周期性载荷的作用，其锚泊线的耐疲劳的性能就特别重要，因此在使用中应尽 可能少用连接环。现今，制造所需要长度的连续段已不困难。为提高普通链环 的疲劳寿命，建议取消对链档的焊接，因在链档焊趾处容易出现疲劳裂缝。 ( 2 ) 锚索 锚索一般都使用钢丝绳，钢丝绳是由钢丝组成。它是先由若干根钢丝先拧 成股，再由若干股拧成索。股与索拧向相同的叫顺绕，拧向相反叫交叉绕。钢 丝索的中心由一纤维芯。芯是钢丝索的基础，当钢丝索承受载荷时，芯的作用 是支持其他的股，使其保持在原位上。芯中油脂是钢索在工作时内部得到润滑， 从而减小钢丝间的摩擦。芯的另一作用是使索易于弯曲。钢丝绳可分为裸钢丝 绳或蒙皮钢丝绳，蒙皮多为塑性材料，可挤压在已造好的钢丝绳上。这样形成 的蒙皮可提高钢丝绳的耐磨性和抗腐蚀性。钢丝多用碳素钢制成，犁钢的破断 应力可达1 7 5 8 1 9 3 3 千克毫米2 ，强度特别高的钢其破断应力则超过1 9 3 3 千 克鹰米2 。钢丝绳也有用不锈钢和各种合金制造的，其耐腐蚀性比碳素钢好，但 其强度与耐久性都不及犁钢高，造价也高。海洋工程中所用钢索通常选用高强 度钢制造，也有用不锈钢和各种合金制造的。 ( 3 1 合成纤维绳 8 武汉理工大学硕士学位论文 合成纤维绳的材料通常有：尼龙( 聚酞胺) 、的确良( 聚醋) 、聚丙烯和聚 乙烯。用这些材料制造的合成纤维绳比重轻，耐磨性好，对周期性负荷的耐久 性来说，前三种材料都好，后者一般。但强度都比同等直径的钢丝绳小得多。 合成纤维绳的结构型式有：股绞式，打辫式、编制式和平行纱式。有时也将上 述几种基本形式结合起来制造合成纤维绳。 ( 4 ) 块重 在锚泊线中设置重块的作用主要在于控制锚泊系统的响应。块重的单位长 度重量对锚泊系统的静力响应有主要影响，其重量分布则对动力响应有很大影 响。一般说，锚泊系统的刚度随块重的单位长度重量而增加，而锚泊线的最大 张力则随块重的总重而增加。块重的形式可以是一个集中重量( 一块重物) ，也 可能是一段分布重量。前者的静力响应较好，后者的动力响应较好。由于在锚 泊系统中对动力响应的要求是主要的，故宜采用一段分布重量的形式，其结构 形式应使其具有一定柔性。 ( 5 ) 浮力器件 锚泊线上设置的浮力器件，有浮筒、浮球和浮箱等。在海洋浮标的系留索 上，设置浮力器件( 多为浮球) 的做法较普遍，其作用主要是提供浮力以支持 锚泊线及接于其上的仪器装置的重量。在离岸采油设备中，一种用于极深水中 的单锚腿系泊( s a l m - - s i n g l ea n c h o rl e gm o o r i n g ) 系统将立管分成许多组件 ( 一边使用钻井设备进行安装) ，并使其完全成为张力部件，除了在立管上部设 置提供张力的浮筒外，还在每一段上设置浮箱以提供支持力。在悬链锚泊线上 设置浮筒，可以有效地减少锚泊线的动张力，但位移较大。 ( 6 ) 不同材料锚泊线性能的比较 锚泊系统锚泊线成分的选取考虑的因素主要为磨损破坏、老化和疲劳寿命。 通常截取系泊浮体导缆孔到与锚连接点之间的锚泊线作为研究对象，进行力学 分析和设计。 典型的锚泊线材料有锚链、金属索、合成纤维绳。其主要性能比较如下： 锚链耐磨损和破坏，但一般较重，造价也高。锚索的应用材料还不发达的 早期，海洋工程中主要应用锚链作为定位系统。现在一般在深水中不采用全链 系统，只用做与锚连接并触底的一段。 金属索通常是多根缠绕在一起，形成复杂的结构，有螺旋型、6 股或8 股， 多股索等缠绕形式。如图2 3 所示。提供相同的断裂强度，索比链轻得多，但 9 武汉理工大学硕士学位论文 抗磨损能力差。故当前的锚泊系统中多采用链索结合系统，及减少系统的重量 又满足定位要求。 零豢 蟛赶裎谢 t i i h s t r & “l 2 4 锚泊系统设计方法 b 虢辩 f b l 扭硼t 嘲 图2 - 3 ：黜岔 l c m l s t r j h t l 为了计算作用于海洋工程结构物或其构件上的流体力，需了解其周围的流 场。这一流场是随时间变化的自然过程如风、流、波所引起的。这些过程总是 以某种联合形式出现。在长期对波浪的观测中人们已经注意到波浪与时间的相 关特性，此相关特性在两种不同的时间尺度上都有所表现。其一是以几小时、 几天甚至几年为测量期的较长尺度；其二是以几分钟或几秒钟为测量期的较短 期尺度。前者用于描述波浪过程的密度变化或统计特性，而后者则用来描述该 过程的详细特征如表面波的周期等。短期时间尺度与固定式海洋工程结构物的 响应时间直接相关，而长期时间尺度对海工结构也很重要，如结构物的疲劳寿 命估算等。 浮动式海洋工程结构在波浪作用下，将会发生复杂的运动。将结构看作为 刚体，其运动形式有六个，即三个沿主轴x ，y ，z 的移动和绕这三个轴的转动。 如果主要考虑结构在波浪作用下的震荡运动，则这六个运动分别为：沿x 轴的 移动和转动；纵荡( s u r g e ) 和横摇( r o l l ) ；沿y 轴的移动和转动：横荡( s w a y ) 和纵 荡佃i t c h ) ：沿z 轴的移动和转动：垂荡( h e a v e ) 和首摇( y a w ) 。 这六个运动自由度有区别，其中三个运动即横摇、纵摇及垂荡，具有复原 力和力矩，也就有稳定的静平衡位置。在外力干扰作用下偏离其位置后，如干 扰消除能自动恢复到原平衡点。而其他的三个运动横荡、纵荡和首摇无此能力， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 必须由系泊系统保持位置稳定。系泊系统的具体设计流程图如图2 4 所示。 对于系泊系统所引起的非线性问题，一般不能简化为线性问题处理。针对 这一情况，通常在设计中有几种不同的方法，即设计波方法、设计谱方法和时 域模拟法。 2 4 1 设计波法 图2 4 确定作用在海洋工程结构物上的波浪载荷，可以采用两种不同的方法。一 种称为设计波法和设计谱法。设计波法用一给定周期和波高的波浪代表一定环 境条件下出现的最大波。其基本步骤如下图2 5 所示： 图2 5 武汉理工大学硕士学位论文 设计波法是基于具备给定重现期的一种海况中，即根据长期统计资料，求 得5 0 年一遇或1 0 0 年一遇的最大波，换算成相应波高及波周期的规律波，作为 结构波浪载荷计算的依据。除选定5 0 年一遇或1 0 0 年一遇的最大波外，一般要 选定若干个对结构有不利影响的波浪周期和若干个波向角进行波浪载荷计算。 推算出一个设计波高和相应的周期，作为设想的规则波，再根据一种恰当的波 浪理论的相应特征，如波浪的剖面、水质点的速度和加速度等，利用一般流体 力学的方法计算波浪力。设计波法是根据理想化的规则波来计算波浪力，它虽 不能完全反映不规则波对平台的作用，但此法的优点在于较易处理波浪力的非 线性成分( 拖曳力) ，能够计入海流的影响等，它的计算方法较简便。缺点是不 能考虑波浪的不规则性。 2 ，4 2 设计谱法 设计谱法，又称随机性法，其基本步骤如图2 - 6 所示： 图2 6 设计谱法是建立在海况的统计特征上的，它将实际海面上不规则波浪认为 是由许多具有随机相位的简单波迭加而成，各个简单波动的能量在相应的波频 上的分布就构成一个海浪谱。 设计谱法考虑了实际海面的随机性和不规则性。因为海浪并非是单一的完 全确定的规则波，它可以看作是由各个不同周期不同波高的成分组成的。这些 波浪虽然可以用能量谱来描述，即以能量谱密度为纵坐标，相应的波频为横坐 标的曲线表示。虽然波频和波能的分布是随机的，但波频反映了波浪内在的统 计特性，对于特定的海域它具有一定的形式。利用这样的波谱作为设计谱，按 照概率论的谱分析方法，可以求得海洋结构物在不规则波中的结构响应。这个 方法是在线性迭加原理的假定下，把海洋结构物在不规则波的响应看作是由各 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 个规则成分波所引起的响应的总和。这一方法的优点，是理论上比较严密，有 一点连贯性，并且可以估计波浪不规则性的影响。波谱法利用了描述海浪内部 结构的谱的概念，比较全面的反映了海浪运动的全过程。缺点是波浪力及系泊 力的非线性问题很难直接考虑，尤其是对恶劣海况是的波浪的非线性问题更为 突出，通常都要近似地做线性化处理。用波谱法分析不规则波浪对海上平台的 作用已是海上平台规范的主要方法之一。 2 4 3 时域模拟法 为了估计一些包含非线性环节的结构动力系统在不规则波作用下的响应情 况，在设计谱的基础上发展了一种时间域模拟法，其基本步骤如图2 7 所示； 图2 ，7 这一方法首先是将已经求得的设计谱转化到时间域，以求得响应于此谱的 波浪时间历程，然后直接用数字积分求解在此波浪下的运动微分方程，这也就 是通常所谓的数值模拟，求得具体的结构响应中的非线性问题的解，同时又可 以计及波浪的不规则性。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章锚泊线静力分析 本章阐述了悬链线方程的推导步骤，建立了集中质量模型并推导了集中质量 法静力计算的步骤，最后以一根锚链为例分别采用上述两种方法进行了计算， 并且对计算结果进行了比较分析。 3 1 锚泊线的受力分析及悬链线方程的推导 如图3 1 所示，设海底是水平 的，水深为h ，缆索锚固于海底的 。点，在该处缆索与海底相切。设 缆索位于一垂直平面内，不考虑 缆索的三维变形；海流没有垂向 分量，水平流速亦位于( 或平行于) 缆索所在的平面内，流速的大小 恒定且不随水深变化。作用于缆 索某一微元d s 上的外力如图 3 2 所示。其中d 和f 分别为沿缆索元垂向和切向的单位长度流体作用力：t 为 缆索张力；中为缆索元与水流方向的夹角，称为缆索角；d t 和d o 分别为缆索 元d s 上张力t 和缆索角中的变化量；。为单位长度缆索的水中重量，即缆索的 空中自重扣除浮力。由丁缆索元d s 两端事实上不受流体压力，而在求缆索元浮 图3 2 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 力时按其排水体积计算，两端流体压力也己计入，故在缆索元受力分析时应引 进修正项，即如图所示在缆索元上下两端张力中分别扣除一p e 纠( h 一2 一a z ) 和 一p e , 4 ( h z 1 ，这里a 为缆索的截面积。 由图3 2 易见，当这些作用力静平衡时，有下列关系式： 在缆索元的法线方向上 t a 一倒q z ：矽。( 珊c o s 妒+ o ) a s 在切线方向上 d t p e 纠a z 一和s i n f x b 上两式中，我们已经利用了沿缆索元张力和缆索角的变化d t ，d 中都是小量的前 提，且略去了高阶小量。 引入表观张力t 一t p g a ( h 一2 ) ，则上两式可分别记作 z w 妒一( 吐，c o s 妒+ d ) d i( 3 1 ) d t 一( s i n f ) a s( 3 2 ) 其中为简便起见，t 上的撇号已省略。 上两个锚链平衡方程是非线性的，没有解析解。但在特殊情况下，寻求解 析解是可行的。 若锚链由较重的材料制成或者流速较小( 小于2 _ 3 米秒) ，作用力将以重力 为主，流体作用力可以忽略，式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 便可以简化为 t a 妒一a ，c o s c d s( 3 3 ) d t ，w s i n d d s ( 3 4 ) 两式相除即有 = d t - t a n 彤妒 对此式在= 九至妒。庐区间内积分，得 ，唔一t a n c a 妒乩s e c 庐山s e e l 0 地等 茎堡堡三奎堂堡主堂垡迨奎 就是 t c o s 妒- 磊c o s 萌o ( 3 5 ) 其中毛为缆索在缆索角为残处的张力。由式( 3 5 ) 易知，缆索上任意点上张力的 水平分量为常数，它等于水面处的缆索水平张力瓦，该处缆素的表现张力与实 际张力相等。 将式( 3 5 ) 带入式( 3 3 ) ，并由从原点量起缆长为s 。的点处至缆长为s 的点处积 分，并设两点处的缆索角分别为九和妒，则有 。一瓤等争庐一半( t a n t a n 咖o ) 。吾a n 萌o ) ( 3 6 ) 沿缆索有d x c o s # a s ，带入式0 3 ) 并积分，则有 卜。瓤警庐。州南叫岫( 去一) 】 同样，l 玉l a s s i n 灿，代入式( 3 3 ) 积分则有 扣气。瓤等挚妒i 吾砖一去】 ( 3 8 ) 式( 3 6 ) 至( 3 8 ) 分别为缆索上任意两点间缆长、水平距离和垂直距离的表达式。若 取积分下限在原点处，则- z 。一- 九- 0 ，由式( 3 7 ) 得 五t ”x - i n ( 等) 记n - 五t o ，则上式为 由此关系不难得到 s i n h x ，三f 业一旦1 。t 锄庐 a 2 ic o s 1 + s i n 西j 7 妒一 些删 _ 石一4 武汉理工大学硕士学位论文 c o 幽言- 1 、( 1 + s i n e 2c o s 驴+ 高14 - s i n ) 一去 4 l2 毋jc o s 毋 于是式( 3 6 ) 和( 3 8 ) 分别可以写作 j 。a s i n h x ( 3 9 ) 口 z - 口( 。s h 言一，) ( 3 ，。， 它们即悬链线方程。 按照式( 3 5 ) ，缆索上任意一点的张力可以表达为 n 毛细s 妒_ t h c o s h x a 瓦( 。a1 ) 瓦懈 ( 3 1 1 ) ij 此外，根据以上各式并通过力的平衡分析和演算，可以得到给定状态下锚 链各状态参数问的如下一组关系式： 瓦。铷洲 耐( ，+ 鲁) s = 口蓟n h 孝 1 + 警 4 v r - 珊伪+ 口) 一。c o s 一1 互 r 卜n f + 鲁卅一1 ( “i h ) 其中，一为悬链线上端点切线方向与水平方向的夹角，s 为链长，h 为链端 高度，x 为链的水平投影距离。 相据以r 分析对千罴睾痒绔方程桌谱尸知苴中= 个量就面t 以求得所右的 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 链态参数。 3 2 集中质量法静力分析 将整段链理想化为质点弹簧系统，把锚链分成n 段，则有n + 1 个节点，两 图3 3 个节点问以直线代替曲线，考虑其弹性伸长，即可认为n 段线性弹簧，每段质 量集中在节点上，但有质量节点只有n 1 个，在底面上的节点重量为零，而利 底面的第一个节点和第n 个节点的重量设为其他质点的1 5 倍。考虑浮力的影响， 即可认为锚链重量为在水中的重量，如图3 3 所示。 考虑第i 节点的静力平衡条件，x ，z 两向的静力平衡方程式如下 x 方向：l s 7 f l l c o s r - l ( 3 1 2 ) z 方向：弓s i n r _ f 一1s i n r j l + w ，0 = 2 ，3 ，n ) ( 3 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中：t 为节点j 与j + l 问的张力 0 为第j 段与x 轴的夹角 w 一k f 为质点j 在水中的质量；k 为锚链的单位长度水中重量； i 为每一段的初始长度 由( 3 1 2 ) ，( 3 1 3 ) 依次类推得到 弓c 0 8 0 - 五e o s r l 一瓦 t js i n r j - 薹 毛为上端点p 的张力在x 方向的分量 t - 最上端点p 点的边界条件为工，一x ，z ，一_ l z9 i 。1 l j s i n i 其中l j - ，( ，唔) l 为节点j 与j + l 之间考虑弹性伸长的长度 a 为锚链的等效截面积 e 为钢材的弹性模量 将( 3 1 5 ) ，( 3 1 8 ) 带a ( 3 1 7 ) 式，则得 矿舻吲鲥蓬峭】 1 9 0 1 4 ) ( 3 1 5 ) r 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 叫，。妒删，螬。 弧! ：靼竺蚴 荟巧1 + 7 鲋 当m o 时，就是切点所在的位置，并满足边界条件 当w 1 o 时，表示该点接触底面，重量应为0 ，应该再以下一点为起始节点， 重新计算。 根据坐标投影关系，第j + l 节点的坐标( z 川，2 ) 可以表示为： z + l 。1 kc o s ( 3 2 0 ) z j + i 。l , s i n ( i = 1 ，2 ，n ) ( 3 2 1 ) 将( 3 1 4 ) ，( 3 1 5 ) 式及( 3 1 8 ) 式代x ( 3 2 0 ) 秉1 1 ( 3 2 1 ) 式，则 靠t 。玩骞矿+ j i r , ( a e ) ( 3 2 2 ) 。t 。妻p 她r 酬幺，聊 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 算例及计算结果分析 3 3 1 算例已知参数 单位长度水中重量：w c10 1 9 3 8 k g m等效截面直径：4 10 5 9 9 c m 总长度：l 一9 m 水深：h - 3 m 3 3 2 计算结果及分析 采用悬链线方法计算结果如表3 - 1 所示： 材料弹性模量：e t i t2 1 5 0 0 0 0 k g c m 2 表3 1 横坐标x ( m )纵坐标z ( m )张力t ( k 9 0 00 2 3 2 5 6 0 9 9 8 8o 0 4 1 62 3 3 3 7 1 9 9 ( ) 9o 1 6 5 52 3 5 7 6 2 9 6 9 6o 3 6 9 32 3 9 7 2 3 9 2 4 00 6 4 9 12 4 5 1 4 4 8 6 5 60 1 0 0 02 5 1 9 4 5 7 7 4 51 4 1 6 42 6 0 0 0 6 6 5 3 81 8 9 2 42 6 9 2 4 7 5 0 1 72 4 2 2 22 7 9 5 0 8 3 1 7 732 9 0 7 0 采用集中质量法计算结果如表3 2 所示，比较表3 1 和表3 2 我们可以发现 二者基本符合，两者的差别在于集中质量