深水系泊系统静力特性快速计算方法研

1. 2) ;
CT 切向阻力系数,
C T = C N( d + e/ cos ) ,
( 8)
其中: d、e 缆索形状及表面有关的系数, 对圆
形缆索 d = - 0. 035, e= - 0. 035。
将式( 5) ~ ( 7) 分别代入式( 1) ~ ( 4) , 便得到一 组微分方程[ 3] , 根据给定的锚泊线边界条件, 对这
Lb =
X+
(Lt -
L u) ( 1. 0 +
T
bAE
F
b
f
)
( 9)
式中: L t Lu
锚泊线拉伸前总长度; 锚泊线在与海底相切点以上部分拉
伸前长度;
F f 海底摩擦力, Ff = C fb! Wb,
其中: Cfb 海底摩擦力系数;
Wb 躺底锚链水中重量。
1. 4 锚泊系统总静力特性计算方法 1) 给出单根锚泊线的一系列预张力, 锚泊线
分。若考虑流速沿水深的变化, 可将流速表示成
水深的函数 V c( Y ) , Y 是锚泊线上点的纵坐标, 是与水深 H w 相对的, 见图 2。
图 2 流速沿水深变化图
1. 2 锚泊线静力方程定解条件 一般地, 认为锚泊线静力方程式( 1) ~ ( 4) 存
在 4 个定解条件[ 9] : 给定锚泊线上端预张力; 给定 锚链顶端预张力倾角; 给定锚泊线水平泊距; 给定
组微分方程进行积分, 即可得到沿锚泊线的各点处
张力 T 与其倾角 , 以及各点的坐标 X 、Y 。对这
组一阶微分方程, 积分方法选用适应性较强, 精度 较高的变步长龙格 库塔( Runge Kutta) 法[ 8] 。
对于由多段不同重量和尺寸的索链组成的锚
泊线, 在进行积分时, 可将前一段末端的积分结果 作为相连的后一段始 端的边界条件 连续进行积
世界范围内海洋开发正在向深海进军, 许多
收稿日期 2006 07 20 修回日期 2006 09 25 作者简介 张火明( 1976- ) , 男, 博士, 讲师。 * 国家自然科学青年基金资助项目( 编号: 10602055) * 中国计量学院校立项目( 编号: XZ0501)
创新研制的适用于深海开发的新型海上石油生产 处理装置不断涌现[ 1] , 其中就包括浮式生产储油 轮( F PSO) 、半潜式平台、张力腿式平台( T L P) 、单 柱式平台( SPAR) 等已获得广泛成功应用的新型 平台。这些海上漂浮结构物的海上定位需要通过 动力定位和锚泊系统的约束来实现[ 2 5] 。其中锚 泊系统在海洋和海岸工程中的应用十分广泛, 形
第 36 卷 第 2 期 2007 年 4 月
船海工程 SH IP& OCEAN EN GI NEER ING
文章编号 1671 7953( 2007) 02 0064 05
Vol. 36 No . 2 Apr . 2007
深水系泊系统静力特性快速计算方法研究*
张火明1 范 菊2 杨建民2
1. 中国计量 学院计算机软件及理论研究所 杭州 2. 上海交通 大学海洋工程国家重点实验室 上海
图 1 锚泊线上任一微段静平衡受力分析图
见图 1, 锚泊线上的任一微段 ds 及在它上面 的各个作用力。
根据图 1 从静平衡关系可得到
dT ds
=
W csin
- G( 1+
)
( 1)
d ds
=
1 T
[
W ccos
+ F(1+
)]
( 2)
从几何关系则可得到
dX ds
=
( 1+
) cos
( 3)
dY ds
[ 3] Dale D. Ellis , D M F . Chapman. A simple shallo w w ater
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propagation model including shear w av e effects[ J] . J. Acoust. Soc. Am, 1985, 78( 6) : 2087 2095. [ 4] Kuperman W . A Schmidt H. Computatio nal Ocean Acoustics[ M ] . 1992: 528 617. [ 5] Ji x un zhou, Xue zhen Zhang . Geoacoustic parameters in a stratified sea bottom from shallow w at er acoustic propagation[ J] . J. Acoust. Soc. Am, 1987, 82( 6) : 2068 20 74 .
31 00 18 20 00 30
摘 要 为研究深水系泊系统静力特性, 以 工作水深为 320 m 的转塔式 浮式生产存 储系统为 例, 首 先计
算出每种类型 锚泊线的水平张力 T H 水 平跨距 X 曲线、上端 系缆 点水平 移动 距离、每根 锚泊 线新的 水平 跨 距, 插值求出此时的每根锚泊线水平 张力, 投影合 成后即 得上端 系缆点 移动 后的系 泊系 统 X 方向水 平恢 复 力, 垂直方向的恢复力计算方法与此类似。相应计算结果 与Dynfloat软件结果相吻合。
深水系泊系统静力特性快速 计算方法研究 张火明 范 菊 杨建民
式也多种多样, 受力情况十分复杂, 通常情况下无 法得出解析的表达形式, 而不得不采用数值分析 的方法 来实现[ 2 5] 。目前研究 中, 对锚 链系统静 力分析[ 6 7] 的方法很多, 给出了很多应用程序, 用 于求解锚链系统的受力和变形, 其计算过程一般 需采用多次迭代的方法, 最终找到锚链顶端受力 与锚链顶端位置的关系, 一般很耗机时, 因此有必 要考虑采用简单直观的方法。
=
(1+
) sin
( 4)
上面各式中的 、G 、F 按下列公式计算
=
T AE
( 5)
G=
1 2
CT
C ( V ccos
)2
( 6)
F=
1 2
CN
C( V csin
)2
( 7)
式中: A 锚泊线横截面积;
E 锚泊线材料弹性模量;
海水密度;
C 锚泊线等效直径; CN 法向 阻 力 系 数 ( 对 圆 形 缆 索 取 为
参考文献
[ 1] Atalla. RБайду номын сангаасview of Numer ical Solutions for Low Frequency Structur al A coustics Problems [ J ] . A PPlied Acoustics, 1994( 43) : 35 42.
[ 2] Hamilton L . Acoustic mo delling of t he sea floor [ J ] . J A coust Soc Am, 1980, 68( 5) : 1313 1340.
关键词 深海平台 系泊系统 静力特性
中图分类号 P75 T P309
文献标识码 A
Investigation on quick comput at ion m et hod for t he stat ic charact erist ics of deep w ater mooring system
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深水系泊系统静力特性快速 计算方法研究 张火明 范 菊 杨建民
锚碇处的水平面坐标。 选用第 1 个定解条件作为求解锚泊线静力方
程的初始输入, 积 分从锚泊线上端 ( 浮体系缆桩 处) 开始逐步向下, 对于浮筒和重块, 将其水中重 量均布在所在的积分锚泊线分段。当给定预张力 后, 可唯一确定锚泊线上端点的初始倾角, 将其视 为一个一维优化问题, 采用黄金分割法[ 9] 进行一 维寻优, 固定预张力, 寻求最适合的初始倾角, 使 得到达海底时, 锚链倾角最小( 与海底相切, 这里 假设触底锚链没有全部提起, 即锚泊线上端点张 力没有达到极端情况) , 倾角取值范围设定在( 0 , 90 ) 。应该注意的是, 存在一个预张力的最小值, 使得锚泊线上端几乎垂直向下( 初始倾角近似为 90 ) , 如果给定的预张力小于此值, 锚泊线静力方 程将无解。 1. 3 锚泊线水平投影计算方法
有几种类型, 就给出几种预张力系列。对每种类
型锚泊线, 预张力系列范围应该包括该种类型锚
泊线在所选海况作用下可能出现的张力上下限区
间。预张力点数一般不能少于 8 个, 因为随后要
进行插值计算, 点数太少精度不够, 也不必太多,
1 锚泊线静力计算理论
1. 1 锚泊线静力计算基本方程 锚泊线可由多段不同重量和尺寸的索或链组
成, 段与段之间可有集中质量( 悬挂重锤或浮球) 。 方法对松弛( 有剩余索链躺在海底 的) 和张紧的 ( 索链全部提起其下端拉力倾斜的) 两种系泊状态 均适用。
T 拉力; d T d s 上的拉力变化; 拉力 T 的倾角; d ds 上的 倾角变化; F 单位长度上的 法向阻力; G 单位 长度上的 切向 阻力; Wc 锚泊线单位长度水 中重量; V c 流 速; 锚泊 线单 位长度上的伸长。
ZHANG Huo ming1 FAN Ju2 YANG Jian min2 1. School of Computer Software and T heory China Jiliang U niversity Hang zhou 310018 2. State Key L aboratory of Ocean Engineer ing Shang hai Jiaotong University Shanghai 200030 Abstract A turret moor ed F PSO in w ater dept h of 320m is selected to investig ate the computat ional method of t he static character istics of the deep w ater mooring system. F irstly, the curve of horizontal tension T H against hori zo ntal span X is calculated and the results are expressed in discr ete points. T he horizo ntal transfer distance of the top point is presented in turn to calculate t he corresponding new horizontal span of every moo ring line. T he hor izontal tension of every moor ing line is calculated by numerical interpolation in the corresponding TH X curve according to t he new hor izontal span. P rojecting T H at direction of X and integr ating it as to tal, the hor izontal restor ing force on t he top point at dir ection X of the mooring system can be got. T he calculatio n of the vertical restor ing force is similar to t hat mentioned above. T he results are compared w ith those from Dynfloat and t he agreement is good. Key words deep sea platforms mooring system static characterist ics
对锚泊线进行静力特性计算时, 当达到海底 切点处 停止。此时, 锚泊 线触 底分 段倾 角 ! 为 0 , 张力为 T b, 设躺底部分锚泊线轴向刚度为 A Eb( 对于有多个分段的锚泊线, 假设仅有底部分 段躺底, 这在锚泊线正常工作, 亦即锚泊线上端张 力不过于小时一般是成立的) , 所受海底摩擦力为 F f, 锚泊线与海底相切点横坐标为 X , 则, 锚泊线 水平投影长度为