（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）组合锚泊系统的分析与研究.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。随着海洋开发事业的进展，各种各样的海上 结构物不但数量与规模与日俱增，而且作业范围也逐渐向深海域发展。它们要 求在较长时间在海上作业，与普通船舶相比，它们的锚泊系能要求更高。目前 半潜式钻进平台和浮式生产储油系统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 构物的锚泊系统的设计尤其重要。 锚泊系统在深水中通常采用锚索或锚链等多种成分合成的锚泊线来减小锚 泊系统的重量，但是多成分合成锚泊线带来设计参数较多给锚泊设计分析带来 不便。针对这些问题，本论文基于准静定分析推导了一定水深下多成分锚泊线 悬链线方程组，在考虑锚泊线组成成分的特征参数对锚泊系统回复力的影响下， 编写了组合锚泊系统参数的计算程序，并且建立了一种深水多成分锚泊线的优 化设计分析模型。本文在前人工作的启发下，充分利用悬链线方程，了解了水 深、水平外力、悬链线张力等参数之间的变化关系，研究了目标函数模型的求 解方法，分别采用m a t l a b 的优化工具箱和遗传算法工具箱选择出最佳模型参 数，将之应用于设计实例，并对优化的结构进行分析，得出了相关结果，并且 对锚泊线的各成分之间的组合优化问题有了初步的了解。结论发现只要设计的 合理，在相同的位移条件下，组合锚泊系统的总回复力一般是大于全索或者全 链锚泊系统的。 本论文的方法和结论对于多成分锚泊线的锚泊系统的初步设计和研究对实 际工程有一定参考价值和指导意义，也为将来的更进一步的研究做出了有益的 探索。 关键词：多成分锚泊线；优化；非线性规划；深水锚泊系统 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 s 百a n to i l 锄dg 嬲r e s o w c c s ，鲡n gt h el 锄dr e s o u r c 昭i sd e 6 c i e n t d a ya n e rd 啪吐l ee x p l o i t a t i o n 锄dl l s a g eo fs 船r c s o w c 懿a r er e c e i v i n gm o r e 锄d m o r ca t t e n t i o n m 撕n es 虮蛐岱b e c o m em o r ea n dm o r e ，0 p e r a t c di l ld e 印w a t c r a r e 嬲，嬲l ed “e l o p m e n to fo c e a i l 肌萄n e 甜n gp r o c e e d s 1 1 1 e ys h o u l da l l c h o ri i ld e 印 w a t e ro r e i li 苴l l o n gt i m e ，砌c h a r er c q u e s t e dl l i 曲e r 趾c h o r i n gp e r f - 0 肌锄c e c o m p a r i n gw i m 1 eo r d i n a 巧s h i p s c u 饿瓜l y ，s u b m e 略e do i ld d l l i n gp l a t f o m la n d l e f l o a t i n gp r o d u c t i o na l l ds t i d m g eo m o a d i n gs y s t 锄a r ca l r e a d yb e c o m 铺t h em a i l l 劬l o ft l l eo c e 锄e x p l o i t a t i o n i i lo r d e rt 0g u a r a i l t e e 也ep l a t f o ma n do t l l e rf l o a t i n gt m n 笋 w o r k i n gu n d e rt h em 句o r i t ) rs 鼯c o n d i t i o n ，m ed e s i g no fm em o o r i n gs y s t 锄o fs s t l l t t l r ei se s p e c i a l l yi m p o r t a n t m o o n gs y s t e mf o rn o a t i n gp l a t f o h nu s u a l l y t a l 【e sm u l t i p l es e 肿e n t s c o m b i n a t i o ni nd e 印w a t e rs u c ha sw i r er o p ea i l dc h a i nc o m b i n a t i o i l sr e l a t e dt 0m 觚y p 觚瑚e t e r s m u l t i c o m p o n e n tm o o r i n gl i n e sc o m p o s em o o r i n gs y s t e m su s e di nd e 印 w a t w “l ev e r s a t i l ep 磁嘲e t e r s 嘶n gd i f f i c u l t i e s t od e s i 簪w o d 【t k sp a p e r d o d u c e sc a t e n 撕e se q u 撕o i l so fm u l t i c o m p o n e i l tm o o r i n gl i n e sa c c o r d i n gt 0m e ( h a s i s t a t i cm 甜l o di nas p e c i f i cw a t e rd 印t h i ta l s oc o m p i l e sc a l c u l a t i v ep r o c e s so f m u t i c o m p o n e n tm o o r i n gs y s t e i l la n db u i l d sa m i n i m u mm o d e lf o rc h o o s i n go p t i m a l p 咖e t e r so fm u l t i c o m p o n e n tt h em 0 0 r i n gl i n e s ，a n di 1 1 u s 仃a t i n g l ew e i 曲ta i l d t e d m i c a lf a c t i d 强1 1 1 s p i r e db yt 1 1 ew o d ( o fp r e d e c e s s o r s ，m a k ef h l l u s eo ft 1 1 e c 锄t e n a r y se q u a t i o n ，t ol 【1 1 0 wh o w 廿l ep 嬲l m e t e r sc h a n g ea b o u tw a t e rd 印m ， h o r i z o n t a lf o r c ea i l ds 仃e t c l l i n gf o r c eo fc a t e n a r y e c t i i lo r d e rt os o l v em eo p t i m i z a t i o n p r o b l 锄，0 p t i m i z a t i o nt i d o la n d g e n e t i ca l g o r i t t o o la r ee m p l o y e d i th a sa l s ob e e n a p p l i e dt op m c t i c a ld e s i 鲈a s s i 印m e l l t ，a 1 1 dm i sp 印e ra 1 1 a l y z e sa i l dc o m p a r e dw i t ht h e 觚or e s u l t sa 1 1 dd r a w sr e l e v a n tc o n c l u s i o n s t 量l r o u g l lt h ea n a l y s i so fm ep a p t 1 1 e a u t h o rh a v ea i li n i t i a lu n d e r s t a i l d i n go ft h ec o m b i n a t i 证a lo p t i m i z a t i o np r o b l 锄so f m em u l t i c o n l p o n e i l t sm o o r i n gl i n e s t 1 1 ec o n c l u s i o ns h o w s ，i fm ed e s i 鳃i s 陀略o n a b l e ，r e s t o r i n gf o r c eo fm u i t i c o m p o n e l l tm o o r i n g1 i n e ss y s t e r i lu s u a l l y 乒e a t e r t h a l l 廿1 a t o f a l lw i r e r o p e ( o ra 1 1c h a i n ) s y s t e l l l 武汉理工大学硕士学位论文 n em 甜l o d s 锄dt h ec 0 n c l u s i o 船o f 蚰sp a p c rh a v es o m er e f e r 锄c cv a l u e 锄d c i l 西n e 嘶n gp r a c t i c a ld i l 删v es i 鲥f i c 粕c et 0s t l l d y 锄dt l l ep r e l i m i l l a d ，d 商伊o f 廿l e r 肌l t i c o m p o n e n tm o o r i n gl i n 够i nm o o r i n gs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ni s 锄d e a v o rt 0 m a k en l i sw o r k 如胁a n di ti sh o p e f i l l l yt o 叩p l i e df o ro m e rs i m i l a rk i i l do fd e e p w a t i e rm o 嘶n gd e s i 萨i l lm ef i l t u r c k e yw o r d s ：m u l t i c o m p o n e n tm o o r i n gl i n e ；o p t i m i z a t i o n ；n o i l l i n e a rp r 0 莎a i l l i n i n g ； m o o r i n gs y s t e mi nd 唧w a t e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：删 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 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在相同的位移条件下，组合锚泊系统的总回复力一般是大于全索或者全链锚泊 系统的。 多成分悬链线锚泊系统设计是一个非常复杂的问题，设计中除了要考虑到 浮体的位移、环境载荷、定位水深、锚泊布置等因素外，最重要的是要考虑到 多成分锚泊线的最优组合，但是目前锚泊线组成材料极为丰富，虽然材料的多 样化给锚泊系统的设计提供了想象丰富的选择空间，但同时也带来了新的问题： 一方面来说，每种成分的锚泊线都具有其独特的强度、尺寸、重量、弹性、 抗腐蚀能力以及抗磨损能力；另一方面而言，锚泊线不同成分的组合又必须考 虑到经济性的问题，因为不同的长度，不同的价格和不同的材料相差是很大的。 加上各生产厂家的产品品种繁多，所提供材料的结构形式、断裂程度、疲劳分 析以及价格都是会有所差别的，这样的情况给锚泊系统的设计提出了更高的要 求。目前对于锚泊系统设计选择方面的研究国内外还十分少，现在国内对于锚 泊设备的选择仅仅是由舾装数来确定的，因此，有必要对此问题尽快的进行理 论研究和使用方面的研究，以满足我国逐步向更深水海域发展的需要。 1 3 锚泊系统的研究现状 1 3 1 国外研究现状 对于锚泊系统的研究首先进行的是船模实验，1 9 6 0 年鲛岛砷1 等人在风洞水 槽进行了单锚泊的船模型试验，对象是三岛型船( 船模长1 米) 。试验的结果了 解到了在强风作用下船舶偏荡运动情况以及锚链所受冲击力和船体偏荡的关系 等。同时，还明确了加大吃水、调成平吃水甚至是首倾，加大单位长度的锚链 重量，或者是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益的。 1 9 6 0 年米田【l o 】等使用同样的船模进行了制荡锚以及双锚泊的实验。试验所 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。 同时，试验结果还发现了就双锚系统而言，如果两锚链夹角较小，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，当两舷夹角为5 0 0 5 5 0 时，则几乎不会产生偏荡；如果锚链夹角为5 0 0 5 5 0 以上，当风向偏出锚链线 外9 0 0 时，该偏角的增大就会再次产生偏荡；而且，在这样的情况下，锚链所受 的冲击载荷反而比单锚泊的情况更大。1 9 8 2 年根据米田等人在再次进行的模型 实验的结果表明，上述结论又得到了进一步验证。 2 武汉理工大学硕士学位论文 m i n 的p 既i j o h a 璐n 1 1 2 j 1 9 7 6 年在其博士论文中建立了有限元模型，并且 对锚链的动力响应进行了相应的数值分析。考虑到与阻尼有关的速度，锚链张 力以及偏离平衡位置的位移突变，该模型是一个非线性模型。p i j o h 觚s n 在 时域中对该模型进行了求解，发现其结果是可以用来分析瞬时情况的。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。 a p s h a s h i i l k a l a 【1 3 】等人运用有限元方法对波浪与单点系泊的驳船干扰的三 维问题进行了相关的研究。研究的过程中考虑到了锚泊点在驳船上的位置以及 锚链的弹性的影响。对于数值结果和在规则波以及不规则波情况下所测得的模 型试验结果进行了比较，同时对锚链刚度系数以及不同系泊点对驳船响应的影 响进行了讨论研究，所研究出的成果和结论对锚泊系统的设计研究具有指导意 义。在规则波和不规则波情况下，试验结果和分析结果都吻合得不错。 m a r k a g r o s e n b a u g 和j a s o ni g o b “m 】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 锚链张力的标准方差，其中锚链张力表示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。模型的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，其标准方差为2 3 ，最大误差为8 1 l 。最大误差在水平运 动产生显著影响时产生于具有最大动张力和最大平均张力处。 s h a i lh u a l l 毋】提出了一种预报三维锚链动张力的数值方法。该方法是基于 质量集中弹簧模型和有限元法。在考虑到模型特点和数值稳定性的基础上，给 出了数学分析，并且给出了算例来验证该方法的合理性。 t ms m i me ta l 【4 】比较了分别由全链、全索及链索结合锚泊线组成的锚泊系 统，结果是链索结合的两成分锚泊线所组成的锚泊系统不仅能提供足够的回复力 而且重量相对较轻。 rjs m i t he ta l 【l6 j 研究了深水锚泊的两成分锚泊线的悬链线方程的解法，将 问题转化为8 自由度的单一多项式方程，采用了拉格朗日迭代求解。 ytc h a l e ta l 研究了基于悬链线公式半解析准静定方法能解决三维部分着底 和完全悬垂的多条锚泊线问题，对多点锚泊系统提供了一种快速参数分析方法。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究现状 范菊等人为了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响应、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。 刘建成【1 7 】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， 在计算的过程中，考虑了风、流、浪三种载荷同时作用的情况下，对该系统的 可行性，并且从总体上对该结果加以论证。在计算的同时利用设计普理论计算 出油驳的波浪诱导纵荡力，采用经验公式计算油驳所受到的流力及风力，最后 将以上三种力进行线性叠加得到最终的系泊力；同时由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。将结果进行分析校核，发现该简易系 泊系统是具有可行性的，并且同时兼具经济性良好等特点，是适用实际油田开 采工作的。 范菊，黄祥鹿【l8 】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。结果发现，由锚泊线所引起的阻尼，从本质上与其运动间 的初相位有关。该相位信息是可以从频域分析中得出的，同时应用摄动理论推 导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比较，结果表 明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上是相符 的。 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 体( 仪器包、浮标、缓冲器等) 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。 刘应中【2 0 1 等采用准定常时间域方法分析了风、流、浪联合作用下海上系泊 系统的运动及动力特性。得到船舶运动时，采用推广的三维集中质量法求得锚 链的动力特性。在计算船舶的静水回复力及f r o u d e 1 吲o v 力时，发现了瞬时湿 表面变化所引起的非线性作用。 余龙，谭家华【2 1 】【捌采用设计波理论结合有限元方法进行两成分锚泊线的对 称式布置锚泊系统，并考虑在导缆孔处系泊浮体的运动，研究系泊浮体对锚泊 4 武汉理工大学硕士学位论文 线动张力和位移的影响。同时针对无弹锚泊线采用准静定方法，首次推导多成 分锚泊线的悬链线方程和水平刚度系数通式，并在此基础上，原创性的建立锚 泊线各特征参数优化取值模型并研究其求解方法。并且研究了一种时域内直接 求解锚泊线与海底交互影响的有限元方法，可以考虑风浪流作用下接触摩擦和 海底模型对锚泊线张力和位移的影响。 1 4 论文的主要工作 本文首先分析了锚泊系统的研究现状，并且介绍了锚泊系统的基本知识和 锚泊线的组成，根据相关资料总结了锚泊线组成材料的单位长度重量与断裂强 度的计算方法；然后推导了两种成分锚泊线的悬链线方程，并且编写计算程序 能够进行锚泊线各状态参数的计算，求解多锚锚泊系统的初始张力和系统回复 力；最后建立了求解最小锚泊线重量的优化模型，在确定采用的材料的种数和 类型的情况下，能够优化出单根锚泊线的最小重量，完成初步设计阶段对锚泊 线进行初步选型。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章锚泊系统的概述 锚泊系统是海上浮体不可或缺的组成部分，该系统的可靠性对于海上浮体 而言是相当重要的。锚泊系统包括了锚、锚索链、锚机以及其它设备，如锚架、 锚浮标等。锚泊系统的作用是将浮体约束在所要求的水域位置上，可以分为临 时锚泊系统( 一般为单锚泊线) 和定位锚泊系统( 一般为多锚泊线) 两种。本章主 要是介绍其中锚泊线的相关知识。 2 1 锚泊系统的分类 2 1 1 临时锚泊系统与定位锚泊系统 一般船用锚泊设备( 临时锚泊系统) 是指普通船舶为了满足临时停泊需要 而配备的锚泊设备。定位锚泊系统主要是为了海上石油勘探及开采，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，但其要求却有很大的不同。 一般船用锚泊，是在无风暴情况下在浅水区进行的，如果遇到风暴，则需 要进港躲避。作用主要是限制船舶的活动范围，使其不会随意漂流。因此，对 所抛出的锚泊线长度是有一定要求的，也就是说抛出的长度要能保证船舶在受 外力作用下进行漂移时锚泊线下端总能相切于水底，使锚的抓力得到充分的发 挥，从而可以防止走锚现象发生。锚泊设备一般是布置在船的首部，这样在锚 泊系泊的情况下，无论风浪是来自何方，船舶均能自动以首部迎着风浪，可使 船舶受力较小。对于这种锚泊方式，多采用的是单锚单线锚泊，间或也有双锚 双线锚泊的。锚泊线是单一成分的，且多为锚链，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是几吨至几十吨，对大型油船可能超过1 0 0 吨。这种锚泊的抛锚与起锚均由船舶本身的设备进行，而且必须操作方便。并 且要求锚能适应各种不同的土质并能保证有最低限度的抓力。 定位锚泊，在作业的情况下，要求能限制被系留物( 钻井船或平台) 的运动， 以保证连接在被系留物与海底之间的工作杆件( 钻杆和立管等) 不敢有太大的偏 斜，从而不会引起破坏甚至是导致事故，并且希望能延长其使用寿命。因此， 6 武汉理工大学硕士学位论文 要求准确进行定位，并且要严格限制在一定范围内。这样的话，靠单根锚泊线 或者双线锚泊是做不到的，通常需要采用至少四根甚至是十几根锚泊线，往四 周作辐射分布，组成一套锚泊系统。为了保证被系留物的移动不超过限定的范 围，每根锚泊线均需要预先紧张到一定的程度，也就是要施以一定的预张力。 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。这种锚泊通 常是在几十米到几百米水深中进行的，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，有时则采用由锚索、锚链或索、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。 在我国海上移动式钻井船入级与建造规范中，对这两种锚泊设备均要 求配备。对一般的船用锚泊设备是和普通的船舶一样的，即是根据舾装数的大 小按照规范中所列的锚泊设备配置表来确定其数量、重量和规格。而对离岸定 位锚泊系统( 即定位锚泊设备) 的规格和布置，主要取决于影响钻井船( 包括 平台) 运动的风、波、流，并且取决于水深、海底地质遗迹定位所需的准确性、 钻井船的形状等其他因素。 2 1 2 定位锚泊系统的分类 随着海上石油工业的不断发展，为海上石油勘探及开采，包括与其相关的 其他离岸作业的需要而设计的浮式结构物是多种多样的，对于锚泊的要求，考 虑到作业特点、定位时间的长短、结构物的功能( 包括钻井、采油、存储、系 泊等) 、结构物的大小、海况的恶劣程度及水深等因素的不同是会有很大差别的。 为了简化，可以按照定位时间的长短来进行分类。按照这种分类法，可将锚泊 系统分为三类：移动式锚泊系统( m o b i l ea i l c h o r i i 培s y s t e i i l s ) ，暂时性锚泊系统 ( t e i i l p o 删眵锄c h o d n gs y s t e m s ) ，永久性锚泊系统( p e 肌锄锄ta i l c h o r i n gs y s t e m s ) 。 1 ) 移动性锚泊系统 这个措词看上去是自相矛盾的，但是对于埋管船和铺管船来说是完全适用 的。因为这些船在工作的过程中，需要拖带它们所用的锚沿着预定的线路行进。 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于此类。这些船必须配备通用的锚泊系统以便能 适应所有形式的海况及海底条件。 2 ) 暂时性锚泊系统 钻井船和钻井平台采用的锚泊系统都是属于此类的。因为钻井作业要求它 7 武汉理工大学硕士学位论文 们得有几周甚至是几个月时间的定位。在每一个周期作业完成后，它们就会被 拖到平静的海面上，这样可以方便的进行必要的维修和可能的作用更替，或者 是更换锚泊设备。 3 ) 永久性锚泊系统 对于离岸油田的采油情况，要根据油田的大小，需要在那设置为其五年至 二十年甚至更长时间的结构装置。这类装置的锚泊属于永久性锚泊系统。装置 的形式包括有：用悬链锚泊固定的拉索( g u y e dt o w 神，用张力腿固定的张力式 平台( t e l l s i o nl e gp l a t f o n n ) ，以及用悬链锚泊固定的半潜式平台( s e i i l i su _ b m e r s i b l e p l a t f 0 咖) 。 2 2 锚泊线的组成与布置 锚泊线指的是锚链、锚索以及它们配上各种样式的块重或者浮力器件的组 合。随着人类开发海洋活动的进展，海上移动式平台的工作水深不断增加，锚 泊线的组成成分也从单一的锚链、锚索，发展到由锚链、锚索、纤维绳乃至电 力机械缆等多种成分构成。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。 2 2 1 锚泊线的成分 1 ) 锚链 锚链按照制造方法的不同可以分为铸钢锚链、锻造锚链和焊接锚链三种。 其中铸钢锚链强度较高但生产效率低，并且成本高以及其耐冲击负荷能力不好， 目前已较少使用。焊接锚链工艺相对而言比较简单，而且成本低，质量超过其 他种类的锚链，目前在国内外都已经得到了广泛的使用。锻造锚链虽然生产效 率低以及成本高，但是具有较好得韧性，适宜用于海洋工程船。 锚链由许多链环连接而成。链环可分为无档链环和有档链环两种。在相同 尺寸的情况下下，有档链的锚链变形小且强度大，堆放时不易发生缠绕情况， 因此在海船上一般采用有档链。相比之下，无档链由于尺寸小，故一般应用于 小锚上。锚链按钢材级别可分为a m i ，a m 2 ，a m 3 三个级别。其中a m l 级强度 是最小的，a m 3 级强度是最大的。对同一艘船舶而言，若选用强度较大级别的 8 武汉理工大学硕士学位论文 钢材，链环尺寸就可以设计的适当的小些。因为尺寸不同的话，相对应的锚链 重量也肯定是不同的，而这些因素又会影响到锚泊的性能，所以在选用锚链时 应对这些因素进行综合考虑得出最优的选择。 由于在使用和运输上的情况，锚链在制造的过程中通常要分段，要组成整 根锚泊线就要采用相对应的连接件。锚链的连接件型式也有很多种，比如说 k t e r 型连接环、b a l d t 型连接环及d 型卸扣。前两者的结构比较对称并且光滑， 经过导向装置和链轮的顺滑性都要比后者好，不过由于其结构上的原因，可能 会导致其在耐疲劳的性能上会比后者相对而言差一些。永久性锚泊系统在长时 间会遭受周期性载荷的作用，所以其锚泊线的耐疲劳的性能就显得相当关键， 故在使用的过程中应尽可能少用到连接环为好。目前，制造所需要长度的连续 段已不再困难了。但是为了提高普通链环的疲劳寿命，还是建议取消对链档直 接进行焊接，因为在链档焊趾处容易出现疲劳裂缝。 2 ) 钢缆 目前船用钢缆分为硬钢丝绳、半硬钢丝绳、软钢丝绳三种。其中硬钢丝绳 是由六股钢丝股搓在一股钢丝股芯上而形成的。这种钢丝绳内没有油麻芯，所 以是最硬的钢丝绳，从而强度也会是最大的，其缺点是不便于操作。半硬钢丝 绳是由六股钢丝股绕着一股油麻芯上搓成的，对于此钢丝绳，其强度较大，比 较起硬钢丝绳的话，其更柔软，并且操作使用上是比较方便的。最后一种软钢 丝绳的制造方法与半硬钢丝绳基本类似，但是在每一股钢丝股内还有一股油麻 芯。这种钢丝绳是三种钢丝绳中最为柔软的，它也便于操作使用，其缺点在于 强度在三种钢丝绳中是最小的。钢丝一般是由碳素钢制成，犁钢的破断应力一 般是达到了l7 5 8 l9 3 3k g c m 2 ，对于强度特别高的钢，其破断应力甚至有可 能会超过1 9 3 3k c i i l 2 。钢丝绳有时候也采用各种合金及不锈钢制造而成，这种 情况下的钢丝绳的耐腐蚀性要超过碳素钢，但是这样的钢丝绳在强度上和耐久 性能上都比不上犁钢，同时造价也要比其他的高。在海洋工程中所采用的钢索 通常是选用高强度钢制造的，但在某些情况下也有采用各种合金及不锈钢制造 而成。 3 ) 合成纤维绳 合成纤维绳的材料通常有以下几种：尼龙( 聚酞胺) 、的确良( 聚醋) 、聚乙烯 和聚丙烯。用这些材料所加工处理的的合成纤维绳，其优点是比重轻并且耐磨 性好，对于周期性负荷的耐久性而言，尼龙、的确良和聚丙烯都比较好，但是 聚乙烯却般。但值得一提的是，合成纤维绳的强度都要小于同等直径的钢丝 9 武汉理工大学硕士学位论文 绳。合成纤维绳的结构型式有很多种，其中包括股绞式、编制式、打辫式和平 行纱式。有时也将上述几种基本形式结合起来用来制造合成纤维绳。 4 ) 块重 设置重块在锚泊线中的作用主要是为了控制锚泊系统的响应情况。块重的 单位长度重量对锚泊系统的静力响应会产生主要影响，块重重量分布对动力响 应会产生很大影响。一般而言，随着块重的单位长度重量增加，锚泊系统的刚 度也会增加，同时，如果块重的总重量增加，也会使得锚泊线的最大张力增加。 块重的形式既可以是一个集中重量( 例如一块重物) ，也可以是一段分布重量。 前者的静力响应较好，但是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，故一般采用一段分布重量的形式为宜，同时结构形式要使 其具有一定的柔性。 5 ) 浮力器件 锚泊线上设置的浮力器件，包括浮筒、浮球和浮箱等。在海洋浮标的系留 索上，一般设置浮力器件( 多为浮球) ，作用主要是提供浮力来支持锚泊线及连 接在上面的仪器装置的重量。在离岸采油设备中，一种用于超深水中的单锚腿 系泊( s a l m s i n 酉ea n c h o rl e gm o 嘶n g ) 系统将立管分成许多组件( 以便于使用钻 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，还可以在每一段锚泊线上设置浮箱用来提供支持力。在悬链锚泊线上 设置浮筒，优点是可以有效地减少锚泊线的动张力，缺点是会导致位移较大。 2 2 2 不同材料成分的锚泊性能比较 锚泊系统中锚泊线的组成成分的选取考虑的主要因素是为了防止发生磨损 破坏、老化和疲劳寿命的现象。通常选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，进行力学分析和研究。典型的几种锚泊线材料有锚链、 金属索、合成纤维绳。三者的主要性能比较如下： 锚链的优点是耐磨损和抗破坏，能收藏在锚链舱里，吸收动载荷大，但锚链 一般较重，造价也相当高。在锚泊线的应用材料还不发达的早期，海洋工程中 主要采用锚链作为定位系统。在锚泊系泊的过程中，避免走锚的一个非常重要 的条件就是保证靠近锚那端的一段锚泊线保持卧底状态而不被外力拉起。锚链 的优点是耐磨损以及破坏，其具有较好的韧性，但是锚链的造价高，所以一般 设置在锚泊线的下端，也就是将靠近锚的那段设置为锚链，虽然这段锚链长度 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 较短但是重量却不轻，故对锚泊线的悬垂部分的性能会有很大改善的。 金属索通常是由多根钢丝缠绕在一起的，从而形成了复杂的结构，类型有螺 旋型、6 股和8 股，多股索等缠绕形式( 如图2 1 所示) 。如果需要提供相同的 断裂强度，则锚索比锚链的总重量要轻很多，同样的断裂强度，索重仅约为链 重的l 4 1 5 但是锚索的抗磨损能力很差，容易被擦伤，出现扭结，容易被海 水腐蚀和引起疲劳强度。而且锚索是不好接头的，一旦中间断掉，就等于整根 报废了。锚索还有一个大缺点是它只能绕在卷筒上，而卷筒是随同绞车布置在 甲板上的，所以导致了不仅重量高，而且占据了甲板面积。故目前锚泊系统中 一般采用链索结合的组合型锚泊系统，这样的组合锚泊线既能够减少系统的总 重量又能够满足定位的要求。 炼巍岔域像 k 枝韶 毒：城蠡 誓ls p l 卫l 铽n 旃 偈i 掰螂阴dl c ，删l t i 相融 图2 1 典型的几种索结构 合成纤维绳的材料则包括尼龙、聚酷、聚丙烯等，优点是合成纤维绳具有 重量轻，耐磨等特点。 组合型锚泊线是指锚链与锚索相连接的结构形式，有时候中间还可以加设 重块。在锚泊线下端采用锚链，虽然这段锚链较短但重量较大，会对组合型锚 泊线的悬垂线的性能有很大改善。在深水锚泊中组合型锚泊线具有很好的锚泊 性能。 整个锚泊系统的稳定性不是仅仅依靠某一根锚泊线的表现，而是整个锚泊 系统保持定位的能力。锚泊系统通常是由多根锚泊线组合而成的，其布置形式 一般对称的放置【2 引。 、 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 锚泊线重量及其断裂强度的估算 2 3 1 锚链的重力估算 参考文献 6 及文献 7 】中给出了单位长度锚链重量估算公式，即： l 卸0 2 1 9 d 2 式中： l 一空气中单位长度锚链重量( 埏) ； d 一锚链直径( m m ) ； 如果采用国际制标准单位的话，( 2 1 ) 式可转化为： l = o 0 2 1 9 ( k g 踟1 ) = 9 8 1 o 0 2 1 9 铲( n m ) = o 2 1 5 d z ( n m ) 2 3 2 海水中每米锚链的重力估算 在海水中，由于锚链会受到海水的浮力， 小，则海水中每米锚链的重量估算公式为： w i = k l l ( 2 - 1 ) ( 2 _ 2 ) 因此单位长度的锚链的重量会减 式中： k l 一系数； l 一空气中单位长度的锚链重量； w l 一海水中单位长度的锚链重量； 其中： k 1 2w l c = ( p 钢g v - p 海水g v ) p 钢g v = ( p 钢一p 海水) p 钢 = ( 7 8 5 - 1 0 2 5 ) 7 8 5 = o 8 6 9 4 于是 w l = o 8 6 9 4 。= o 8 6 9 4 o 2 1 5d 2 = o 1 8 7d 2 ( n m ) 2 3 3 锚链的断裂强度估算 ( 2 _ 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 在文献 7 】中分别给出了a m i 、a m 2 、a m 3 三种材质等级锚链的断裂强度估 算公式，现引用如下： t a m l = 0 0 0 9 8l ( 4 4 - 0 0 8 d ) ( 2 6 ) t a m 2 = 0 0 1 3 7 3 ( 4 4 0 0 8 d ) ( 2 - 7 ) t a m 3 = o o19 6l ( 4 4 - o 0 8 d )( 2 8 ) 式中，d 锚链直径( m m ) ； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 l 、t a m 2 和t m 3 分别表示a m l 、a m 2 、a m 3 三种材质等级锚链的断 裂强度。 2 3 4 钢丝绳的重力估算 文献【5 】中给出了钢丝绳每一百米的重量估算公式： 晚_ k 2 d 2 式中： 广每一百米钢丝绳参考重量( k 1 0 0 m ) ； d 钥丝绳的直径( m m ) ； k 广重量系数； 式子( 2 9 ) 中没有涉及到镀锌层的重量，但是根据国际数据， 量是小于2 6 0 m 2 的，故镀锌层的重量是可以忽略的。 如果采用国际标准单位的每米钢丝绳重量估算公式可写为： 砚= 哆g 1 0 0 = 岛d 2 9 8 1 1 0 0 = o 0 9 8 1 如d 2 2 3 5 海水中每米钢丝绳的重力估算 ( 2 9 ) 镀锌层的重 ( 2 1 0 ) 每米钢丝绳在海水中重量估算公式为： 职= o 8 6 9 4 矾= 0 8 6 9 4 o 0 9 8 l k d 2 = o 0 8 5 k d 2 ( 朋) ( 2 一1 1 ) 式中： 矾一空气中单位长度钢丝绳的重量( n m ) ； w 2 一海水中单位长度钢丝绳的重量( n m ) ； d 一钢丝绳的直径( 1 m n ) ； k 2 一重量系数； 2 3 6 钢丝绳的断裂强度估算 在文献 5 】中给出了成品钢丝绳的破断力估算公式： r ：后r d 2 l o 3 式中：t - 一钢丝绳最小破断力( 1 ( n ) ： d 一钢丝绳直径( m m ) ； 蝴丝绳公称抗拉强度( m p a ) ，分为1 5 7 0m p a 、1 6 7 0m p a 、 1 8 7 0m p a 和1 9 6 0m p a 五个性能等级； k 某一种结构钢丝绳的最小破断力系数； 1 3 ( 2 1 2 ) 1 7 7 0m p a 、 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了锚泊系统的组成成分，包括锚泊设备的一些情况，主要分 析了锚泊线的主要组成成分及其性能在具体的工程应用中的优缺点，然后就锚 泊线的具体布置方式作了简单的概述，并且分析和总结了锚泊线的重量及其断 裂强度的估算公式，为锚泊系统的初步设计做好了准备。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章锚泊线的受力分析及计算 随着人类开发海洋活动的不断深入，船舶在工作时的水深不断的增加，锚泊线的 组成成分已经开始从单一成分的锚链、锚索发展到锚链、锚索、纤维绳乃至电力机械 缆等多种成分所合成的组合锚泊线，虽然材料的多样化会在锚泊系统的设计工程中给 锚泊系统的选材提供丰富的选择空间，但每一种成分的锚泊线都有其独特的尺寸、弹 性、强度、重量、抗磨损的能力和抗腐蚀能力。因此此时需要解决的问题是研究多种 成分所合成锚泊线的最优的设计，准静定方法是在工程上常采用的分析方法，也就是 在每一个时刻根据计算系泊结构的位置来确定锚泊线的形状，然后用静平衡的方法来 分析和计算锚泊线的受力情况。 3 1 锚泊线的悬垂线方程推导及受力分析 为了方便推导两种成分锚泊线悬垂线方程，下面先介绍单一成分锚泊线悬垂线方 程的推导过程。 3 1 1 单一成分锚泊线的悬垂线方程的推导 锚泊悬垂线如图3 1 所示，假设海底是处于水平的，锚链孔处至海底高度等于h ， 船舶所受到的水平外力为f ，锚泊线固定在海底的o 点，假设在该处锚泊线与海底是 相切的。设锚泊线位于一垂直平面内，不需要考虑锚泊线的三维变形；锚泊线的单位 长度在水中重量设为w ( 这里假设锚泊线是单一成分的，故w 未注下标) ，锚泊线的 悬垂线部分的长度为l ，锚泊线在锚链孔处的张力设为t ，坐标原点取在锚索与海底 相切处。 _ - 。_ - - - - - 一 口盯i ：1 、 卜 l 飞 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 线的张力t s 在坐标轴x 和y 图3 - 2 ( a ) 整段悬垂线受力图 首先对整段悬垂线进行受力分析，得到以下一个受力方程组： 瓦 瓦 = 瓦c o s = f s i n = 阮 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 根据上( 3 1 ) 式可知，整段悬垂线上各点的水平张力均等于船舶所受到的水平外力 f 。并且通过( 3 2 ) 式也可以发现出，悬垂部分的锚泊线的重量就等于锚链孔处锚泊 线的张力t s 。