深水作业浮标系泊系统研究与设计 (1)
系泊系统的设计
系泊系统的设计摘要一、问题重述不同海域，不同环境，对船的稳定，信息的传输都有影响，近海观测网主要是对船的安全固定，和探测周围海域的信息预警。
而近海观测网主要由浮标系统、系泊系统和水声系统组成。
观测和固定主要是由钢桶、锚链，钢管的角度决定观测的效果。
在此对系泊系统进行设计检验，使倾斜角度最小.问题 1 假设某传输节点选用二型长度为22.05m 锚链,选用重物球质量为1200kg 。
现在将该传输节点放在水深为18m 、海床平坦，海水密度为1.025*10的海域。
假设海水平静，分别计算海面风速为12/,24/m s m s 时钢桶和钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
问题2 在问题1的假设下求海面风速为36/m s 时钢桶和钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
请调节重物球的质量，使钢桶的倾斜角度不超过5度，锚链在锚点与海床夹角不超过16度。
问题3 由于潮汐等因素的影响，布放海域的实测水深介于16~20m m 之间。
布放点的海水速度最大可达到1.5/m s ，风速最大可达到36/m s 。
请给出考虑风力，水流力和水深情况下系泊系统设计，分析不同情况下钢桶和钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
二、模型假设三、符号说明四、模型的建立与求解1212011212sin 0cos 0F F F G F -∂=⎧⎨--∂=⎩ 简后1111s i 23G L ⎛∂- ⎝ 风力()211112cos 0.625F R L h v =-∂⨯⨯⎡⎤⎣⎦钢管1122323122022323sin sin 0cos cos 0F F F F G F ∂-∂=⎧⎨∂+--∂=⎩ 化简后()202221222212222sin sin cos cos sin 0G F L F L F L θθθ-+∂-∂=五、模型评价参考文献附录。
新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析
新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析一、概述随着海洋资源的日益开发和利用，系泊系统在海洋工程中的应用越来越广泛，其设计优化及性能分析成为海洋工程领域的重要研究内容。
新型系泊系统的设计及其水动力性能分析，对于保障海洋平台、船舶等海洋结构物的安全、稳定与高效运行至关重要。
传统的系泊系统设计往往基于经验公式和简化的力学模型，难以准确反映实际复杂环境下的水动力特性。
随着计算流体力学、结构动力学等学科的快速发展，以及高性能计算机和数值模拟技术的广泛应用，新型系泊系统的设计方法正在向精细化、智能化和集成化方向发展。
本文旨在探讨新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析。
将介绍系泊系统的基本类型和结构特点，以及其在海洋工程中的应用场景。
重点阐述新型系泊系统的设计原则、关键技术和创新点，包括材料选择、结构设计、优化算法等方面。
通过数值模拟和实验研究，分析新型系泊系统在不同海况下的水动力性能，评估其稳定性和可靠性，为实际工程应用提供理论支撑和技术指导。
1. 新型系泊系统的重要性和应用背景随着海洋工程和船舶工业的飞速发展，新型系泊系统在海上工程结构物，特别是风力发电、海洋石油开采、海上货物运输等领域的应用越来越广泛。
系泊系统的主要功能是为海上设施提供安全、稳定的定位，确保其在各种环境条件下都能正常工作。
传统的系泊系统虽然在过去几十年中得到了广泛应用，但在面对极端海洋环境，如大风、大浪、海流和潮汐等复杂因素时，其性能往往受到挑战。
研究和开发新型系泊系统，提高其在极端环境下的性能，对于保障海上设施的安全、提高经济效益、促进海洋工程的持续发展具有重要意义。
新型系泊系统的研究不仅涉及结构设计、材料选择、制造工艺等多个方面，更重要的是要对其水动力性能进行深入分析。
水动力性能是指系泊系统在海洋环境中的受力、变形、振动等特性，它直接决定了系泊系统的稳定性和安全性。
通过对新型系泊系统的水动力性能进行分析，可以预测其在不同海洋环境下的表现，为系统设计和优化提供理论依据。
219467650_国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用
国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. 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系泊系统的设计
关词：悬链线方程 遍历求解 静海水系泊系统 动海水系泊系统
一、 问题重述
本题给出一个传统的近浅海观测网的运输节点数据。 该运输节点可分为三个 系统： 浮标系统、 水声通讯系统和系泊系统。 浮标系统为传输节点在水上的部分， 系泊系统为 4 节前后相连接的钢管、装有水声通讯系统的钢桶、悬挂在钢桶末端 的重物球、由普通链环构成的锚链和沉在水底的锚。简化后，浮标系统可看做圆 柱体，其底面直径和高都为 2m，质量为 100kg;钢管也为圆柱体，每节长 1m，地 面直径 0.05m,质量为 10kg；装有水声通讯系统的钢桶也可看作一个高为 1m、底 面直径为 0.3m 的圆柱体，钢桶和水声通讯设备总质量为 100kg。 现给出约束条件： 钢桶倾斜会影响水声通讯设备的工作效果，若钢桶倾斜角 度超过 5 度，则该通讯系统无法正常工作。 问题 1：给出数据：重物球的质量为 1200kg，锚链为每节连环 105mm、单位 长度的质量为 7kg/m 的Ⅱ型锚链，海水深 18m，其密度为 1.025×103kg/m3 。忽 略海水的流力， 求解海面风速分别为 12m/s 和 24m/s 时，四节钢管各自的倾斜角 度、钢桶的倾斜角度、锚链形状、浮标系统的吃水深度和游动区域。 问题 2：在问题 1 的基础上，调节重物球的质量，使得风速为 36m/s 时， ， 锚链的起锚角不超过 16 度，并且钢桶的倾斜角度不超过 5 度。 问题 3：若海深度和海水流动速度、风速都不为定值，而是在一个范围内波 动。分析钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域的变化 情况， 并通过确定锚链的型号、 长度和重物球的质量设计不同情况下的系泊系统。
其连接处的水平作用力 F78 ，因此在整个系统平衡状态下，水平方向有 F = F78 。 而 F 又为 h 的函数，所以表示锚链形状的悬链线方程也为 h 的函数。在建立悬链 线方程的过程中，我们也可以求得脱离地面的锚链长度 L 关于 x 函数。在锚链拖 地长度减小为 0 的瞬间状态下，起锚角 为 0 度，锚链除了末端与地面接触，其 他部分全部脱离地面，所以脱离地面的锚链长 L 22.05m ,得到此临界状态下 x 的值和对应的 y 的值。之后可得到 y h
南海深水FPSO单点系泊系统设计关键技术研究
南海深水FPSO单点系泊系统设计关键技术研究李达;白雪平;王文祥;易丛;李刚;贾鲁生;李书兆【摘要】从我国南海环境条件出发,确定了适合深水FPSO的系泊系统方案和锚桩基础形式,基于流花油田群的物流输送、供电、控制需求,提出了符合油田和海域实际的转塔结构技术思路,设计了复杂的管缆系统,并开展了系泊系统和立管系统的干涉影响分析.研究表明,在南海400m左右的水深,聚酯缆系泊系统在经济性上并无明显的优势,且可能带来更复杂的操作维护,选择水中钢缆方案对于400 m左右水深更为经济;吸力锚是可以较好适应南海深水区域的锚基础形式,应逐步积累并完全掌握深水吸力锚设计和海上安装技术能力;深水与常规浅水的立管设计有很大不同,表现在构型复杂、潜在干涉问题较为突出,须予以重点关注;南海深水单点系泊系统的上部结构更为复杂,且对单点系泊系统投资具有决定作用,如何选择适宜的单点系泊系统,需要逐步完善技术储备.本文研究成果对于我国南海深水油气田开发技术研究具有一定的借鉴意义.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2018(030)004【总页数】7页(P196-202)【关键词】南海;深水区;FPSO;单点系泊;系统设计;关键技术;流花油田群【作者】李达;白雪平;王文祥;易丛;李刚;贾鲁生;李书兆【作者单位】中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028【正文语种】中文【中图分类】P742随着南海深水油气田的勘探和开发，原浅水油气田开发工程模式受到了挑战。
对不便依托的油田开发，FPSO作为油气水处理、储存和外输中心是必要的开发工程设施。
相比浅水海域的FPSO，深水FPSO呈现不同的技术特点。
一种新型深水浮式平台——深水不倒翁平台的自主研发
合 式 等 多种 采 油方式 ， 望成为 深水 油气 田开发 中一种 重要 的 、 有优 势 的深水 浮式 平 台型式 。 有 具
关 键 词 浮 式 平 台 南 海 深 水 不 倒 翁 平 台 概 念 设 计 总 体 性 能
中 国南 海 具 有 丰 富 的 石 油 和 天 然 气 资 源 ， 油 石
（ ）调 节 压 载 ， 平 台 到 达设 计 吃 水 。当 永 久 ６ 使 连 接完 成后 ， 出封 闭在 中央 舱 室 内 以及 上 部 浮 箱 排 的压载 水 ， 向下 部 浮箱 中注 入 海 水 和高 密 度 的 固 并 体 压载 ， 使平 台达 到作业 吃水 。 （ ）永久定位 、 ７ 安装立 管。增 大系泊缆预 张力 ， 达 到永久定位要求 ； 安装立管 ， 作业前调试 ， 准备作业 。
表 ４ Ｄ Ｐ平 台 系泊 缆 参 数 Ｔ
性 高 和立柱 吃水 随平 台吃水 变化 曲线 ， 图 ２所 示 。 如 从 图 ２可 以看 出 ， 整个 安装 过程 初稳 性高 皆为 正值 ， 满足安 装稳 性要 求 。
吕
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２ ４ 海 上 安 装 ．
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第 ２ ４卷 第 ４期 ２１ ０ ２年 ８月
中 国海 上 油 气
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＦＦＳＨ ＯＲ Ｅ Ｉ Ａ ＮＤ ＡＳ Ｏ Ｏ Ｌ Ｇ
Ｖｏ１２４ Ｎｏ． ． ４ Ａｕｇ． ０１ ２ ２
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究一、本文概述本文旨在深入探讨深海作业型ROV（遥控无人潜水器）的水动力试验及其运动控制技术的相关研究。
随着海洋资源的日益重要和深海探索的逐步深入，ROV作为深海作业的重要工具，其性能的优化和运动控制的精确性对深海探测、海底资源开发和海洋环境保护等领域具有重大意义。
本文将首先概述ROV的基本原理和分类，重点介绍深海作业型ROV的特点和应用领域。
随后，本文将详细分析ROV水动力试验的重要性，探讨如何通过水动力试验来优化ROV的设计，提高其性能。
在此基础上，本文将深入研究ROV的运动控制技术，包括路径规划、姿态控制、避障等关键技术，并探讨如何提高ROV在复杂海洋环境下的自主作业能力。
本文还将总结现有的ROV水动力试验和运动控制技术的研究进展，分析当前存在的问题和挑战，并在此基础上提出新的研究思路和方法。
通过本文的研究，旨在为深海作业型ROV的设计和优化提供理论支持和实践指导，推动ROV技术在深海作业领域的广泛应用和发展。
二、水动力试验技术水动力试验技术是评估深海作业型ROV性能的关键环节，涉及到ROV在各种海洋环境下的稳定性和操控性。
ROV的水动力特性，包括其阻力、升力、侧力和力矩等，直接决定了其在深海作业中的表现。
通过水动力试验，我们可以深入了解ROV的动态行为，优化其设计，提高其在复杂海洋环境中的作业效率。
水动力试验主要包括模型试验和实船试验。
模型试验是在特定的水池或水槽中进行的，可以模拟不同海洋环境，如流速、流向、波浪等，对ROV模型进行动态测试。
这种方法具有成本低、周期短、可重复性强等优点，是ROV水动力性能研究的重要手段。
由于模型试验的缩尺效应和相似性准则的限制，其结果往往不能完全反映实船在实际海洋环境中的性能。
实船试验则是在真实的海洋环境中进行的，可以直接获取ROV在实际工作状态下的水动力性能数据。
虽然实船试验的成本高、周期长，且受到海洋环境的不确定性和安全性的限制，但其结果具有更高的可靠性和实用性。
深水作业浮标系泊系统研究与设计 (1)
１ Ｌｌ／ｍ ４００ ４００ Ｄｌ／ｒａｍ ２０ Ｌ２／ｍ ４００ ３００ ０５／ｍｍ ２０ ２０
与第２组第一段链长相同，但第二段伸出比第２组
要长。因此位移会大一些：第３组位移较大是因为其 第二段直径的减少。使得第二段锚链的强度韧性降 低，不能很好的限制住浮标，也就不能很好的控制浮
伸出长度，ｍ
６００ ５５０
［收稿日期】２０１２—０７—０４；【修回日期］２０１２－０７—２０
尤其是对其系泊系统展开研究，对我国深水资源的 开发和利用具有重要意义…。 本文主要根据南海海况为５００ ｍ海洋浮标设 计一套系泊系统。经过浮标选型、总体设计、水动力 分析以及数值模拟系泊方式等研究，验证了当前深 水浮标单点系泊的适用性。并得出若干有益结论，对 后期类似研究工作有一定的参考价值。
时域分析后
３９．２ ７．５７２
２深水浮标系泊系统设计
２．１锚泊布置方式 根据相关参考资料。目前浮标主要采用单点单
位移／ｍ 垂直浪向 锚 受力／ｌ【Ｎ 导缆孔
１１．４２
链Ｓ型顺应式锚泊系统和单点张紧式锚泊系统。前
者主要适用于深水、恶劣的海洋环境条件，整个锚泊 系统包括上端顺应式锚泊线，悬浮浮子，底端张紧式 锚泊线，海底重力基础锚组成；后者主要适用于海况 较为温和的海域。具有系泊浮标水平运动范围小的 特点，整个锚泊系统由张力弹簧，张紧式锚泊线，海 底重力基础锚组成。 利用锚泊分析软件Ａｒｉａｎｅ７对浮标进行锚泊布
万方数据
王小波．等：深水作业浮标系泊系统研究与设计 ¨ ＝宝 ¨ 他
。
置的研究，根据南海海况并考虑到对浮标随波特性 的要求，确定此深水浮标的系泊方式为Ｓ型单点单 链系泊，模拟状态如图４。
¨ ％
ｏ，Ｈ２筮臻舔
系泊系统动力分析
系泊系统动力分析一、本文概述系泊系统，作为海洋工程中的重要组成部分，承担着固定海上设施、保障其安全运行的关键任务。
随着海洋资源的日益开发，系泊系统的设计和运行面临着越来越复杂的挑战。
本文旨在通过深入的动力分析，探讨系泊系统在各种环境因素作用下的动态行为，从而为系泊系统的优化设计和安全运行提供理论支持和实践指导。
本文首先对系泊系统的基本构成和工作原理进行介绍，阐述系泊系统动力分析的重要性和必要性。
随后，本文将详细介绍系泊系统动力分析的基本理论和方法，包括动力学建模、数值计算、模型验证等方面的内容。
在此基础上，本文将通过对实际案例的分析，探讨系泊系统在风浪、海流等环境因素作用下的动态响应特性，分析影响系泊系统安全性的关键因素。
本文还将对系泊系统的优化设计和运行管理进行探讨，提出改进建议和优化措施。
通过本文的研究，不仅可以加深对系泊系统动力特性的理解，还可以为系泊系统的设计和运行提供科学的依据和有效的指导，推动海洋工程领域的技术进步和发展。
二、系泊系统基础知识系泊系统，也被称为锚泊系统，是一种海洋工程技术，主要应用在船舶、浮式平台和其他海洋结构物的定位和固定上。
其主要目的是在各种环境条件下，如风浪、潮流、地震等，保证结构物的安全位置，防止其发生漂移或碰撞。
系泊系统的设计和优化是确保海上作业顺利进行的关键因素。
系泊系统主要由锚链、锚链筒、锚链轮、锚链管、止链器、锚链张力计、锚链舱、锚、锚链导览孔等组成。
其中，锚是系泊系统的主要部分，通常由钢铁制成，形状和重量因应用环境和需求而异。
锚链则是连接锚和船舶或海洋结构物的关键部件，需要承受巨大的拉力和摩擦力。
系泊系统的设计和选择需要考虑多种因素，包括海洋环境、结构物的重量和尺寸、预期的工作条件等。
系泊系统的动态特性，如其在风浪中的响应，也是设计过程中需要重点考虑的问题。
通过合理的设计和优化，可以使得系泊系统在保证结构物安全定位的同时，最大限度地减少对周围环境和生态系统的影响。
系泊系统的设计数学建模
系泊系统的设计数学建模一、引言系泊系统是一种常见的海洋工程设施，用于将船只或其他海洋结构物固定在水面或水下的一种装置。
设计一个高效可靠的系泊系统对于确保船只安全停靠以及海洋工程设施的稳定非常重要。
本文将介绍系泊系统设计的数学建模方法，通过数学模型来分析和优化系泊系统的设计。
二、系统建模1. 系泊系统的力学模型系泊系统的力学模型是研究系泊系统的基础。
通过力学原理和静力学平衡条件，可以建立系泊系统的力学方程。
其中包括各个力的平衡方程、物体的运动方程等。
通过求解这些方程，可以得到系泊系统的各个参数，如系泊绳的张力、浮标的位置等。
2. 系泊系统的动力学模型系泊系统在海洋环境中受到风浪等外界力的作用，因此需要考虑系统的动力学特性。
通过建立动力学模型，可以分析系泊系统的振动特性和响应能力。
常用的方法包括振动方程的建立和求解、频域分析等。
通过分析动力学模型，可以得到系泊系统的自然频率、阻尼比等参数。
三、优化设计1. 系泊系统的参数选择在设计系泊系统时，需要选择合适的参数，如系泊绳的长度、材料、直径等。
通过数学模型，可以分析不同参数对系泊系统性能的影响，从而选择最佳的参数组合。
例如，通过分析系泊绳的长度与稳定性的关系，可以确定最佳的系泊绳长度。
2. 系泊系统的布置方式系泊系统的布置方式也对系统性能有重要影响。
通过数学模型，可以分析不同布置方式对系统稳定性、抗风浪性能等的影响。
例如，通过分析不同锚点数量和位置的影响，可以选择最佳的系泊系统布置方式。
四、案例分析以某港口停泊船只的系泊系统设计为例，利用数学建模方法对系统进行优化设计。
通过建立力学模型和动力学模型，分析系泊系统的力学特性和动力学特性。
通过优化参数选择和布置方式，得到最佳的系泊系统设计方案。
五、结论通过数学建模方法，可以对系泊系统的设计进行分析和优化。
通过建立力学模型和动力学模型，可以分析系泊系统的力学特性和动力学特性。
通过优化参数选择和布置方式，可以得到最佳的系泊系统设计方案。
系泊系统的设计
系泊系统的设计针对问题一，首先采用集中质量的多边形近似法对单点系泊系统进行静力学分析，结合单点浮标系统特性，建立单点浮标的静力学模型，并对其算法进行改进，使算法能够迭代修正浮标受到的浮力。
其次通过适当的假设列出平衡方程并求解，得出锚链各节点处张力的递推公式，利用MATLAB软件迭代验证，最后得到了较为准确的结果。
针对问题二，基于问题一建立的模型，得出在题设条件下，浮标系统已不处于最优工作状态，须通过改变重物球来对系统进行调节。
计算出临界条件下重物球的质量，利用MATLAB拟合得到的重物球重力与钢桶倾斜角度之间的关系曲线，得出对重物球进行调整的范围。
针对问题三，首先求得极端环境条件下钢桶倾角仍满足约束条件时候的重物球质量，然后通过合理的假设，在问题一建立的模型基础上，改变算法的迭代约束条件，从而得出不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
关键词：系泊系统；集中质量的多边形近似法；MATLAB；迭代一、问题的重述1.1问题的背景随着各国不断加大对海洋事业的投入以及不断深入对海底观测领域的探索，各海洋研究机构和海洋管理部门都相继建立了符合自身业务需求的海洋观测系统，其中浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成了近浅海观测网的传输节点。
而影响其系泊系统工作效果的因素很多，例如水流力、海风和水深等。
系泊系统的设计问题就是根据这些影响因素确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得系泊系统处于最佳工作状态。
从国家海洋资源战略角度来讲，研究各因素对系泊系统的不同影响显得尤为重要。
1.2问题的提出问题一：将该型传输节点布放在水深18m、海床平坦、海水密度为1.025某103kg/m3的静止海域时，选用II型电焊锚链22.05m，质量为1200kg的重物球，分别计算海面风速为12m/和24m/时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
问题二：在问题一的假设下，计算海面风速为36m/时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状和浮标的游动区域。
系泊系统的设计和探究
精心整理赛区评阅编号（由赛区组委会填写）：2016年高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了《全国大学生数学建模竞赛章程》和《全国大学生数学建模竞赛参赛规则》（以下简称为“竞赛章程和参赛规则”，可从全国大学生数学建模竞赛网站下载）。
我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
（包括我2.3.全国评阅随机编号（全国组委会填写）：（请勿改动此页内容和格式。
此编号专用页仅供赛区和全国评阅使用，参赛队打印后装订到纸质论文的第二页上。
注意电子版论文中不得出现此页。
）系泊系统的设计和探究摘要本文利用牛顿力学定律，力矩平衡原理、非线性规划、循环遍历法等方法对系泊系统进行了设计与探究。
通过对系泊系统各组件和浮标运用牛顿经典力学体系进行分析，得到了各个情况下的钢桶倾斜角度、锚链状态、浮标吃水深度和游动区域。
第一问是求解在风速为12m/s和24m/s时，浮标的吃水深度和游动区域、钢桶以及钢管的倾斜角度和锚链形态。
对于此，首先，我们对浮标、钢管、钢桶、链环进行了基于静力平衡的力学分析，并得到了一系列的方程组；接着，由于钢管、钢桶、链环还满足力矩平衡状态，故得到系泊系统平衡时的刚体力学方程组；然后，根据系泊系统各组成部件的倾斜角度可以得出其在竖直方向的投影，且它们的投影之和与海水深度存在几何约束。
最后，以这个几何约束条件为前提，运用MATLAB中0.6870m度6.7m︒，半径为半径为。
速为量为︒，五种锚链适。
近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图一所示）。
某型传输节点的浮标系统可简化为低面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。
系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。
锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链环，常用型号及其参数已在附表中列出。
钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。
系泊系统设计
FW
i
( xi , yi )
B
Fl
五、模型的建立与求解
5.1 问题一模型建立与求解 5.1.1 静力学模型的建立 首先建立单点系泊系统的动力学模型， 需要对实际的系泊系统物理条件做简 化。为了能够进行推导系统的静力学模型，建立直角坐标系。
4
5.1.1.1 坐标系 为了整个系统的运动响应能在同一坐标系下进行描述，避开坐标的转换，本 文定义了 X , Y 两个坐标轴的方向，其中 Y 方向为竖直向上，使之与物理意义上的 重力方向相反，如图 1 所示。
Y
X
图 1 系泊系统动力学坐标系 5.1.1.2 受力分析 系泊系统在水中工作或实施布放时，浮标、钢管、钢桶、锚链以及锚受到的 力始终保持平衡，即合力为零。对浮标、钢管、钢桶和锚链受力分析，列出内部 设备间的作用力关系式。 1.对浮标受力分析 作用在浮标上的力有，钢管的拉力、水面的流动力、重力、浮力和风的流动 力。其中，当水面静止时，水面流动力为零，此处我们考虑静泊系统，所以浮标 受力如图 2 所示。
图 2 浮标受力分析示意图 图中，1 即表示第一根钢管在竖直方向的倾斜角，T1 表示浮标受到钢管的拉
5
力， B 表示浮标所受到浮力和重力的合力， Fw 表示受到的风力。 因为是平衡的，所以浮标在水平和竖直方向的合力均为零，即有：
FW T1 sin 1 B T1 cos 1
其中， hi 表示第 i 段环（或者钢管）或者钢桶的长度。 5.1'' d T1 =T1 cos 1 hg m浮标 g 2 ' 2 T1 T1 s in1 =0.625(1- )hdv
图 4 钢桶受力分析示意图 图中，B6 表示浮力，T5 表示前钢管对钢桶的拉力，T6 表示下锚链对钢桶的拉 力，5， 6 分别表示第 4 根钢管和钢桶在竖直方向的倾斜角, G6 表示重力，G 球 表 示重物球的重力。 因为是平衡的，所以浮标在水平和竖直方向的合力均为零，即有
一种新型浮式平台——深水不倒翁平台的海上安装方法初步研究
一
种新型浮式平 台
深水不倒翁平 台的
海上安装方法初步研 究
姜 哲 ，谢 彬，谢文会
（ 海洋 石油工程股份有 限公 司，北京 １ ０ ０ ０ ２ ７ ）
摘
要
论 文介绍 了一种新型浮式平台概念——深水不倒翁平 （ Ｄ Ｔ Ｐ ） ， 并针 对其 结构型 式的特殊性开展 了 海上 安装方法的研 究。Ｄ Ｔ Ｐ 平 台具有无条件稳性特性 ，可应用 于深水 与超深水 ，可实现 甲 板 与下部 浮体 在码头 靠泊状 态下的整体 安装和调试 ，实现整体 拖航，可支持干式、湿式或干式与湿式组合等多种采 油形的深吃水环形浮箱半潜式平 台基础上， 通过伸缩立柱连接下部浮
５ ４卷
增刊 １
姜
哲 ，等 ：一种 新型浮 式平台～ 深水不倒翁平 台的海上安装方法初步研究
３ ７
箱（ Ｌ ｏ ｗｅ ｒ Ｔ ｉ ｅ ｒ Ｐ ｏ ｎ ｔ ｏ ｏ ｎ ，简 称 Ｌ Ｔ Ｐ ） ；Ｌ Ｔ Ｐ采 用 的是 正多 边形 结构 ，其 下 部设有 与其 连为 一体 的垂荡 板 ； 垂荡板 中间 开孔 ，使 油气 生产 立 管及 钻井 立管 从 中穿过 。系泊 系统 采用 传统 锚泊 方式 ，采用 链． 缆． 链 三 段 组合 方式 。
场，通过调节压载 ，将伸缩结构下放至设计吃水位置，平台处于展开状态 。
由于采 用 了新 的结 构型 式 ，使得 Ｄ Ｔ Ｐ 平 台具有 以下特 点 ： （ １ ）安装 完成 后 ，平 台 具有 无条 件稳 性 ，增 强 了平 台抵 御恶 劣 环境 条件 和抗 风 险的 能力 ，提 高
了平 台的整 体安 全性 ，大 大 降低 了海 上作 业风 险 。 （ ２ ）平 台垂荡 运 动幅 度相 对 较 小 ，根据 油 田开 发模 式 的需要 ，本平 台可 采用 干式 、湿 式或 干湿
系泊系统的设计
摘要
本文针对系泊系统设计问题，以近浅海观测网处的一系泊系统为研究对象， 采用受力分析、二分法逼近、熵权法评估、多目标规划等多种方法，建立精确的 力学模型，使用 autocad、matlab，excel 等软件对模型进行分析与求解，得到 了精确的结果， 做到了系泊系统的优化设计， 且模型具有很强的稳定性和精确性。 对于问题一，在已知条件下，锚链被拉起部分长度受海面风速影响，风力越 大，被拉起长度越大，风力达到某一临界值时，锚链被完全拉起。假设风速未达 到完全拉起锚链的临界值， 分别对重物球以上及以下部分进行受力分析，然后结 合悬链线方程建立在给定风速下的力学模型。利用 matlab 软件编程，得到风速 12m/s 时，吃水深度 0.669m，钢桶倾斜角度约 1.267°，浮标的游动区域为半径 为 17.425m 的圆形区域。风速 24m/s 时，吃水深度 0.7498m 钢桶倾斜角度约 3.847°浮标的游动区域为半径 17.4246m 的圆。 对于问题二，首先，将风速 v=36m/s 代入模型一，结果显示锚链未被拉起长 度为负值，说明锚链被完全拉起，因此锚链形状为标准悬链线的右侧部分，由此 建立新的悬链线方程，修正模型一，建立新的力学模型，利用 matlab 编程，解 得风速 36m/s 时钢桶的倾斜角度约 8.118527°、浮标吃水深度 0.7708m、游动区 域为半径 18.7158m 的圆。这时钢桶的倾斜角度超过 5°，所以要加大重物球质 量，以保证钢桶倾斜角度小于 5°；因为随着重球质量增大，钢桶倾斜角及锚链 在锚点与海床的夹角均减小， 所以存在重球质量下限，使得当重球质量大于该值 时，两角度始终满足要求。利用 matlab 编写 m 文件求解不同重球质量下钢桶倾 斜角及锚链在锚点与海床的夹角，得到重物球满足条件的一大致范围，然后使用 用二分法逐步缩减质量下限范围，在精度为 0.1 的情况下，最终确定解得质量下 限范围为[1787.2,1787.3]kg，此时，钢桶倾斜角度 1 5.00 锚点处锚链与海 底夹角 2 14.28 。为了避免浮标沉入海面以下，影响其指示作用，我们由静力 平衡解得重物球质量上限为 5362.21kg。 对于问题三，为确保系统始终正常工作，考虑最恶劣环境条件，即风速 36m/s，水速 1.5m/s，水深 20m 情况下的系泊系统设计。本问涉及三个自变量， 即锚链线密度、 长度、 重物球质量。 由于题干缺乏自变量的数据变化范围， 因此， 首先在题目约束条件下对自变量以较大的区间及步长进行范围粗略估算， 锚链长 度估算区间[15,40]、步长 5m，重球质量估算区间[1800,6000]、步长 200kg，利 用 matlab 编程，得到每一个步长处的钢桶倾斜角度、浮标吃水深度，游动范围 的数据， 依据钢桶的倾斜角不超过 5°、锚点处锚链切线与海底夹角不超过 16° 两个原则，筛选有效数据，将三个优化目标，即钢桶倾斜角、浮标吃水深度，游 动范围，作为评价指标，每一个有效数据作为一个样本进行熵权法综合评价，得 到较优区间，然后缩小自变量重球质量变化范围为[3000,5000],步长为 100kg， 锚链长度范围为[18,22]，步长为 1，再次用熵权法进行综合评价，从而得到最 优的设计方案。 最后使用多目标规划方法对模型进行改进，使模型具有更强的稳 定性和科学性 关键词：力学模型 二分法 多目标规划 熵权
深水单点系泊维修中水浮筒保护性回收与下放工艺的应用
0 引言中水浮筒保护性回收与下放技术是1种在系泊系统维修更换过程对中水浮筒进行保护性回收与下放的技术。
该工艺能够在 FPSO 在位不停产的情况下进行作业，工作量大大减少，提高了施工效率及可靠性，减少了油田的产量损失；利用ROV辅助下水作业，减少了施工成本[1]。
1 原理概述内转塔式单点系泊系统是1种广泛应用于浮式生产储卸油轮（FPSO）的单点系泊系统，其通常可以包括6条~12条其结构形式相同的锚腿。
深水（水深300 m以上）系泊锚腿一般由调整链（ACT链）、上锚缆、中水浮筒、连接板（三角板或四角板）、下锚缆、配重链、躺地缆和锚桩等组成如图1所示[2-4]。
与一般浅水系泊系统不同的是深水系泊系统在锚腿组成部分中由一根锚缆分割为上、下锚缆并通过中水浮筒连接。
在锚腿的各组成部分中，上、下锚缆因长期处于反复收缩和拉伸的状态，经过多年的运行，其破损的概率相对最大，当损坏达到一定程度时，锚缆所能承受的最大安全载荷值将低于单点系泊系统设计时要求的安全载荷值，必须更换新锚缆以保证FPSO安全。
此外，单点系泊系统设计寿命一般为10年~20年，到期后如果油田储量超出开发之初的估算储量仍然继续生产，就需要更换整个单点深水单点系泊维修中水浮筒保护性回收与下放工艺的应用傅文志 刘耀江 黄佳瀚 郑申奎 卢维强 何昱亮（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）摘 要：该文主要研究的是较深水（100 m级）系泊系统中水浮筒的回收与下放工艺。
对1种在系泊系统维修更换过程汇总的中水浮筒的回收与下放的应用装备及施工工具进行了介绍。
该文以国内的南海某项目实际较深水系泊系统更换项目为背景，全面地介绍了系泊系统更换维修工程中中水浮筒回收与保护性下放的应用的装备要求、施工流程及注意事项。
关键词：较深水；中水浮筒；回收下放；系泊系统中图分类号：U 656.126；P 75 文献标志码：A具压接的10 mm2线缆拉脱力情况见表9。
系泊试验的定义
系泊试验的定义系泊试验是指通过模型或实际船舶在水域中进行的一种实验，以测试船舶在不同情况下的系泊性能和稳定性。
系泊试验是对船舶系统进行全方位验证和优化的重要手段之一，广泛应用于船舶工程、海上工程、港口工程等领域。
系泊试验主要通过建立逼真的试验场景，模拟船舶在真实的海洋环境中受到的各种力，包括风、浪、潮流等。
在试验中，船舶通过系泊系统固定在试验水池、水槽或实际水域中，然后施加不同的外部力，观测和记录船舶在不同条件下的运动响应、力学性能和稳定性。
系泊试验主要包括以下几个方面：1.系泊系统的设计和优化：通过试验可以验证和优化系泊系统的设计，包括锚链、锚具、缆绳、浮标等。
试验可以测试不同系泊系统的稳定性、受力性能和可靠性，为实际船舶系泊系统的设计提供参考。
2.船舶的运动响应和稳定性：试验可以测量船舶在不同条件下的运动参数，如位移、倾斜角度、加速度等，从而评估船舶的稳定性和耐波性。
这对船舶的设计、改装和操作具有重要意义，可以为船舶的稳定性评估和安全性分析提供依据。
3.船舶与系泊系统的相互作用：试验可以研究船舶与系泊系统之间的相互作用和影响。
这方面的研究包括船舶在系泊系统中的受力情况、系统的响应速度以及船舶与频率激励的相互关系等内容。
4.水动力效应的研究：试验可以研究船舶在不同水动力效应下的运动响应和稳定性。
这些水动力效应包括波浪、风浪相互作用、潮流和船舶间相互作用等。
5.系泊试验的数据分析和结果评估：试验数据的收集、分析和评估是系泊试验中的重要环节。
通过对试验数据的处理和分析，可以获得船舶性能的准确评估和实验结论的得出。
系泊试验的方法和设备包括试验水池、试验船模型、系泊系统、传感器和数据采集设备等。
试验中需要进行实时监测和数据记录，以便对试验过程进行实时分析和调整。
总之，系泊试验是通过模型或实际船舶在水域中进行的一种实验，对船舶的系泊性能和稳定性进行全方位验证和优化。
试验可以为船舶的设计、改装和操作提供依据，也对海上工程、港口工程等领域的设计和施工具有重要意义。
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浮标的总体设计基本完成，且保证其在海浪中的垂 荡、纵摇和横摇共振周期满足要求（２．５—３ ｓ）。其后运
动特性计算中输出的响应曲线也证实了这一点。
图１深水浮标几何模型
１．１．１运动响应模拟计算
在线性假设条件下。浮体的运动幅值与规则波 的波幅成正比。模拟浮标在７个不同浪向、不同频 率条件下的运动，通过其运动响应输出，考察浮标在 垂荡和纵、横摇等主要运动中的幅值变化及其随波 运动的特性。 浮标的横摇、纵摇和垂荡是在回复力的作用下
第２３卷第６期（总第１３８期） ２０１２年１２月
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Ｎｏ．６
ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０１２
［船舶舾装／特种装置］
深水作业浮标系泊系统研究与设计
王小波
韩端锋
刘
峰
韩海辉
（哈尔滨工程大学船舶工程学院
哈尔滨１５０００１）
［摘要】以工作在我国南海海域、工作水深为５００ ｍ的深水浮标为研究对象。采用理论分析和数值计算的研究方法．对 其系泊系统进行了研究设计，在满足相关要求的前提下对浮标外形进行总体设计．并对浮标的水动力系数及波浪载荷展开研 究，根据浮标的水动力性能，利用锚泊分析软件对浮标作业状态进行数值模拟分析，最后根据ＡＰＩ规范对系泊链进行强度校 核，经过优化设计研究出一套稳定可靠的系泊系统。 ［关键词］海洋浮标；水动力载荷计算；系泊系统；设计分析 ［中图分类号］Ｕ６６４．５ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１００１—９８５５（２０１２）０６－００６１－０５
标的工作范围：第４组与第２组伸出长度相同，但第 一段长度不同，于是第二段的长度比第２组要长，因 此位移自然会增加。而若是过短，则不太合理。浮标 工作水深是５００ ｍ。因此作者认为５５０ ｍ的伸出长 度已很短．再短的话．浮标的系泊链就呈现张紧状
２
２０
３ ４
４００ ３００
２０ ２０
３００ ３００
１５ ２０
编号
１ Ｌｌ／ｍ ４００ ４００ Ｄｌ／ｒａｍ ２０ Ｌ２／ｍ ４００ ３００ ０５／ｍｍ ２０ ２０
与第２组第一段链长相同，但第二段伸出比第２组
要长。因此位移会大一些：第３组位移较大是因为其 第二段直径的减少。使得第二段锚链的强度韧性降 低，不能很好的限制住浮标，也就不能很好的控制浮
伸出长度，ｍ
６００ ５５０
５５０
态，将有悖于开始预定的系泊方式。
５５０ ６００
（２）受力上看，各组水平张力相近。根据预定的 系泊方式．系泊线的第二段呈现一定的悬垂状态，水 平上基本受力很小，因此水平张力较为接近。而竖
５
４００
２０
３００
２０
表３中：￡。表示第一段链长，￡２表示第二段链
由表２结果知。静力计算后无论是位移还是受
力较初始状态均有所增加．其中沿浪向的位移增幅 尤其明显。而时域分析后各值较静力平衡后也都有
不同程度的增加，除垂直浪向的位移外其余各量增
幅不大。 ２．３优化设计分析
对于系泊系统来讲，在强度满足要求的情况下
６３
万方数据
第２３卷第６期（总第１３８期）
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（２）
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式中：乃为浮体自由横摇固有周期；ｎｊ为浮体 自由横摇固有频率；占为惯性矩；Ｄ易为附加惯性
频率／（ｒ・８‘‘） 图２浮标垂荡响应
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Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１２
１深水浮标的水动力分析
１．１水动力计算模型及水动力特性分析 根据本文设计的浮标尺度。建立其三维模型并
矩；Ｄ为排水量；ｈ为横稳心高［４］。 将各值代入公式中，可得浮标横摇固有周期约 为１．８ Ｓ。由对称性可知横摇、纵摇固有周期相同。 同理可由下式算得浮标的垂荡固有周期：
万方数据
王小波．等：深水作业浮标系泊系统研究与设计 ¨ ＝宝 ¨ 他
。
置的研究，根据南海海况并考虑到对浮标随波特性 的要求，确定此深水浮标的系泊方式为Ｓ型单点单 链系泊，模拟状态如图４。
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＋ｏｏ ＋３００ ＋６００ －－ｍ－９０＊ ＋１２００ ＋１５０９ 一１８００
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ｏｏ
２ ４
约为３．１４ ｓ，也就是说在波浪周期大于３ ｓ时，浮标 能更好随波运动，从而直接反应波浪运动。同理在
这根系泊线由两段组成。根据浮标的工作水深
及作业海况。选定系泊链的参数如下：在海底与锚 连接的一段为第一段，选为钢缆，缆长４００ ｍ、直径
２０
ｍｍ；第二段为锚链，与导缆孔相连接，链长４００
ｍｉｌｌｏ
ｍ、
６
频率／（ｒ・８－。） 图３浮标纵播响应
从垂荡响应曲线中可以看到。共振时的周期约 为２．０３ ｓ，符合最初浮标设计时的横纵摇周期要求．
图４系泊线静态示意图
这也正面验证了浮标的总体设计；另一方面。浮标随 海浪一起运动的一段过程中（即垂荡无因次幅值为 １时），波浪频率最大值约为２ ｒ／ｓ，对应的波浪周期
时域分析后
３９．２ ７．５７２
２深水浮标系泊系统设计
２．１锚泊布置方式 根据相关参考资料。目前浮标主要采用单点单
位移／ｍ 垂直浪向 锚 受力／ｌ【Ｎ 导缆孔
１１．４２
链Ｓ型顺应式锚泊系统和单点张紧式锚泊系统。前
者主要适用于深水、恶劣的海洋环境条件，整个锚泊 系统包括上端顺应式锚泊线，悬浮浮子，底端张紧式 锚泊线，海底重力基础锚组成；后者主要适用于海况 较为温和的海域。具有系泊浮标水平运动范围小的 特点，整个锚泊系统由张力弹簧，张紧式锚泊线，海 底重力基础锚组成。 利用锚泊分析软件Ａｒｉａｎｅ７对浮标进行锚泊布
ｄｅｓｉｇｎ．
ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ
海洋浮标的系泊系统，是用锚与系泊链把浮标
０
引
言
牢固可靠系留在所布放的海区锚位点上，保证其不 倾翻、不走锚、不断链和不跑标。对深水海洋浮标，
海洋环境资料浮标（简称“海洋浮标”）是一个无 人的自动海洋观测站，其工作范围一般限定在某个 海域．随波起伏，如同航道两旁的航标。它能在恶劣 环境下长期、连续、全天候工作，每日定时测量并且 发报多种水文气象要素。根据外形可分为圆盘形、 柱形、船形和球形等，本文针对最常见的圆盘形浮标 进行研究。
［作者简介】王小波（１９８６一），男．蒙古族，硕士，主要从事船舶与海洋工程水动力研究。 韩端锋（１９６６一），男，汉族，博士，博士生导师，教授，主要从事船舶与海洋工程模拟仿真系统研究、数字化造船技术和总体设
计技术与方法研究。
刘峰（１９８２一），男．汉族。博士，主要从事载人潜水器总体设计与系统集成、潜水器设计理论与优化方法等研究。 韩海辉（１９８６一），男，汉族。硕士．主要从事船舶水动力性能及水动力数值计算研究。 ６１
ｏｎ
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ｔｈｅ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｂｕｏｙ ｗｈｉｃｈ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ５００ ｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ， ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｏｏｒｉｎｇ
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ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ
船Leabharlann 舶Ｖ０１．２３Ｎｏ．６
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应该存在一组最优方案。因此有必要对初步设计进 行优化，即多做几组设计以进行比较分析，从而得
有效地限制了浮标工作时的移动范围；其余各组过 长或过短都将导致位移的增加。分析如下：第ｌ组
到最优方案。优化分析时主要依据时域分析的计算
结果。 先从作业工况人手，各组的参数见表３。 表３各组系泊链参数对比
进行表面网格划分，见图１。由于研究对象形状较规 则．因此可采用混合网格法划分表面网格。最后共
划分出节点ｌ ３０９个，面元１ ９８６个。其中侧面用四 边形的面元，底面用三角形面元。
华生：２ｐ 心
。
（３）
式中：瓦为浮体自由升沉固有周期；心为浮体自
由升沉固有频率；Ｄ为浮体的排水量；ｇ为重力加 速度；ｊ口为升沉运动的附加质量；ｙ为水的重度，且 有７＝１０・ｇ；Ｓ。为载重水线面积，且３．＝Ｃ＝ＬＢ，其中Ｑ 为水线面系数［４】。 由此可得浮标的垂荡固有周期约为２．０１ ｓ。至此，
为降低整个浮标重心、提高浮标的静稳性，浮标 在龙骨基线处配置压载重块。根据具体海况，要求浮
标在波浪中的垂荡、纵摇和横摇共振周期为２．５—３ 避开海浪主能量频率。使浮标表现出良好的随浪运
ｓ，
动特性。为满足上述要求，设定浮标为圆盘型，主体 部分直径２．８ ｍ、厚０．８ ｍ；压载部分直径１．１７ ｍ、厚 度０．５ ｍ；浮标工作吃水０．９ ｍ，排水量３．０５６ ｔ。静水 中浮标的水线面在主体的中间截面上。 裹１浮标形状及质量分布
ｔｏ
ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｓ ｗｅｌｌ
ｔｈｅ ｂｕｏｙ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｏｏｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍｏｏｒｉｎｇ ｌｉｎｅ ｉｓ ｃｈｅｃｋｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＡＰＩ ｒｕｌｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ ｂｕｏｙ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｍｏｏｒｉｎｇ