系泊系统设计简介
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。
系泊系统
2）钢缆（Wire Rope） 钢缆（ ） 常见的钢缆结构形式：六股式，螺旋股式，多股式。螺旋股式 结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低，对于深水系 泊系统，常采用此种结构。 钢缆破坏的主要原因是腐蚀 腐蚀，常采用镀锌和润滑并配合阳极保 腐蚀 护的方法来防止腐蚀的发生。对于螺旋股式钢缆，还通常采用高 密度的聚乙烯外壳来防止海水腐蚀钢缆。
可解脱式内转塔系泊系统
2.2 外转塔式系泊系统 转塔位于船体的外部，减少了对船体的必需的维修； 允许在码头沿岸安装转塔，而内转塔式系泊系统只能在干 坞中安装； 外转塔式系泊系统限制了立管的数量； 多用于浅水海域 浅水海域。 浅水海域
2.3 塔架式单点系泊 油轮与塔之间通过一个永 久性的叉型结构或系船索 布置连接。 其主要组成部分为： 塔：与海底相连的静态部 分，其上部是与船体相连的转盘； 系泊部分：叉型结构或系船索； 系泊部分 生产传输系统：液体通过海底终端系统传输于立管（连接于塔）， 生产传输系统 然后通过转台传给软管，最后到达FPSO。塔上有足够的甲板空间 以提供管汇系统，辅助设备等。 适用于中浅水域 中浅水域，可以布置较多的立管系统，施工安装容易，成 中浅水域 本较低，适合于改装的油轮。
Fiber rope construction
三
锚的选择与设计
根据承受荷载的机理不同，锚的分类如下： 1.重力锚 重力锚：主要靠材料本身重量来抵抗外力，部分靠锚与土壤之 1.重力锚 间的摩擦力来抵抗。材料为钢和混凝土。 2.拖曳嵌入式锚 拖曳嵌入式锚：目前最受欢迎使用最多，部分或全部深入海底 2.拖曳嵌入式锚 ，主要靠锚前部与土壤的摩擦力来抵抗外力。能承受较大的水 平力， 但承受垂向力的能力不强。 3.桩锚 桩锚： 3.桩锚：中空的钢管通过打桩安于海底，靠管侧与土壤的摩擦力 来抵抗外力。 通常需要将锚埋入较深的海底，以抵抗外力。 能承受水平力和垂向力。
系泊系统设计简介
四、其他
常用规范：
1. API RP 2SK-Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures 2. API RP 2SM-Recommended Practice for Design, Manufacture, Installation, and Maintenance of Synthetic Fiber Ropes for offshore Mooring 3. DNV Offshore Standard E301-Position Mooring 4. ABS Guide For Building and Classing Floating Production Installation 5. NI493-Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units 6. GLND 0032-Guidelines for Moorings
根据求解范围的不同，可分为耦合分析与非耦合分析。
三、系泊系统分析方法
静力法，准静（动）力法，动力法
所谓静力是指不随时间变化的力，反映在系泊系统上，是指环境载荷 中的定常部分。 系泊系统的动力包括两方面来源： 1. 上浮体，包括水动力，波动风等 浮体振荡运动及水平漂移
2. 系泊系统，包括缆绳上的附加质量与阻尼，缆绳与海底的碰撞与摩 擦，系泊系统上配重与浮筒振荡运动 学与动力学状态，对上浮体也会造成影响。 改变系泊系统的运动
三、系泊系统分析方法
静力法，准静力法，动力法
静力法：计算浮体所受的平均载荷，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载 荷在系泊系统间进行分配。 准静力法：考虑上部浮体的定常和慢漂运动，忽略系泊系统本身的动态效应，忽略 浮体波频运动队系泊系统影响，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载荷在 系泊系统间进行分配。
系泊系统设计简介24页PPT
系泊系统设计主要包括： 1. 系泊系统的布置与选型 2. 强度分析 3. 疲劳分析 4. 间隙与干涉校核 5. 锚
三、系泊系统分析方法
容易混淆的定义：
在数值分析中， 根据平衡特性的不同可分为静力法，准静力法和动力法。 根据数值方法的不同，可分为有限元法和有限差分法。 根据运动特性的不同，可以分为频域法和时域法。 根据求解范围的不同，可分为耦合分析与非耦合分析。
系泊系统设计简介
单击此杨处小编龙辑20副19.标6 题
提纲
一、系泊系统作用与分类 二、系泊系统组成 三、系泊系统分析方法 四、其他
本讲义图片多来源于网络
一、系泊系统作用于分类
（一）系泊系统定义和作用（stationkeeping or positioning）
通过缆绳或其他机械装置将水面结构实施与固定点连接，使被系泊结构物具有抵御一定 环境条件的能力，保证设计环境下的作业需求，遭遇极端海况时，能够保证结构物 和系泊 系统本身安全。
三、系泊系统分析方法
静力法，准静力法，动力法
静力法适用于环境条件温和，系泊形式简单，水深较浅的系泊系统选型/初步设 计。随着系泊系统的复杂化，系泊结构物的大型化，油气开发的深水化以及计 算软件和工具的飞速发展现已基本弃用。 准静力法：计算速度快，可满足大部分工程设计需要，但忽略了缆绳上的惯性 力和拖曳力的影响。 动力法：广泛应用于深水或超深水系泊系统设计。
改变系泊系统的运动
Hale Waihona Puke 学与动力学状态，对上浮体也会造成影响。
三、系泊系统分析方法
静力法，准静力法，动力法
静力法：计算浮体所受的平均载荷，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载 荷在系泊系统间进行分配。 准静力法：考虑上部浮体的定常和慢漂运动，忽略系泊系统本身的动态效应，忽略 浮体波频运动队系泊系统影响，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载荷在 系泊系统间进行分配。 动力法：考虑上部浮体的动力效应，也考虑缆绳上的动态效应。
组块浮托系泊系统设计分析
组块浮托系泊系统设计分析提纲：1. 组块浮托系泊系统的概述2. 设计分析中需要关注的主要因素3. 不同类型组块浮托系统的优缺点分析4. 如何选择适合的组块浮托系统5. 未来的发展方向和趋势1. 组块浮托系泊系统的概述组块浮托系泊系统是一种新型的建筑物水下支撑系统，它将浮动式建筑物直接系泊在海底，以充分利用水下空间，提高海洋开发的效率。
这种系统通常由由浮动块、系泊线、承载系统和支撑平台等部件组成，经过合理的设计和施工后，可以强化建筑物对水下环境的适应能力，并增加其稳定性和可靠性。
2. 设计分析中需要关注的主要因素设计组块浮托系泊系统时，需要关注的主要因素有以下几点：（1）环境因素：如海洋环境的波浪力量、流速、水位变化等，都会对浮体的稳定性及系泊系统的整体性能产生影响。
（2）建筑物因素：包括建筑物的质量、形状、高度、重心等因素，之间的关系都会影响系泊系统的稳定性。
（3）系泊系统因素：系泊线、浮动块、锚链、各种连接器等的材料、尺寸和数量，以及布置方式和锚固深度等，都会影响系泊系统的整体性能和分布特征。
（4）施工安装因素：包括浮体和系泊系统的安装过程中的质量、精度和安全性等因素，都会影响系统的最终性能和寿命。
3. 不同类型组块浮托系统的优缺点分析目前，市面上有许多不同类型的组块浮托系统，主要分为以下几种：（1）金属独木舟式浮体：通常由单一的金属浮筒、液压调节器和系统控制板组成，具有重量轻、稳定性好、灵活性高等特点，适用于较小规模的建筑物。
（2）水下框架式浮体：由一系列金属或塑料的框架和浮筒组成，可以根据海洋环境和建筑物的特点灵活调节每个部件的尺寸和间距，适用于较大规模的建筑物。
（3）模块化浮动体系：由一系列模块化的浮体、可调系统和角铁组成，可适应不同规模、形状和高度的建筑物，是目前使用最为广泛的组块浮托系统之一。
（4）混凝土或钢铁球形浮体：球形浮体在水下具有较小的阻力和良好的稳定性，但制造和安装难度较大，适用于较大规模的建筑物。
海船系泊系统的设计与安装研究
安装研究
海船系泊系统的安装是一个重要的环节，直接关系到系统的性能和安全性。 本次演示以实际安装工程为例，阐述海船系泊系统的安装过程。首先，确定安装 位置和高度，以确保系泊设备的实用性和安全性。其次，进行基础工程和设备安 装，包括船体安装、缆绳安装、浮筒安装等。最后，进行设备的调试和测试，确 保整个系统的性能和可靠性。
在安装过程中，可能会遇到一些问题，如设备损坏、安装误差等。对于这些 问题，需要采取相应的解决措施。例如，对于设备损坏，需要进行修复或更换； 对于安装误差，需要重新调整设备的安装位置和高度，以确保整个系统的精度和 可靠性。
结论与展望
本次演示对海船系泊系统的设计与安装进行了深入研究，从发展历程、国内 外现状、系统设计、安装研究等方面进行了详细阐述。通过本次演示的研究，可 以得出以下结论：
为解决上述问题，本次演示提出以下措施：首先，在系泊结构设计过程中应 充分考虑海洋环境的复杂性和不确定性，采用有限元分析等方法对结构进行优化 设计；其次，应选用高强度材料和耐腐蚀材料，提高系泊结构的耐久性和可靠性； 最后，应建立健全的维护保养制度，定期对系泊系统进行检查和维护，确保其安 全可靠运行。
四、极浅水单点系泊系统的设计 研究方法
本次演示将采用理论分析、实证研究和案例分析相结合的方法，对极浅水单 点系泊系统的设计进行深入研究。首先，将通过理论分析建立极浅水单点系泊系 统的力学模型，对其结构稳定性和可靠性进行评估；其次，将采用实证研究方法， 对不同海域、不同水深条件下的极浅水单点系泊系统进行测试和分析，以验证理 论模型的正确性；最后，将结合具体工程案例，对极浅水单点系泊系统的设计过 程进行详细阐述，为类似工程提供实践指导。
五、极浅水单点系泊系统的主要 发现及解决措施
经过深入研究和实证分析，本次演示发现极浅水单点系泊系统在设计过程中 存在以下问题：一是系泊结构的稳定性问题，系统在复杂海洋环境下的变形和振 动可能影响其安全性；二是系泊结构的强度问题，长时间使用和恶劣环境可能对 系泊结构的强度产生影响；三是系泊系统的可靠性问题，部分系泊系统在运行过 程中可能存在故障和失效的风险。
内转塔式单点系泊系统介绍
１概 述
环及光纤 滑环 于一体 的旋 转传输装 置 ，其 中与单点 系
Ｏ Ｇ 为典 型 ；产 海洋 油气装 备 制造业 是 国家 战略性新 兴 产业 的重 泊 系统 旋转 接头 配套 厂家 以德 国 的ＭＯ 要 组成部 分 ，是 高端装 备制 造业 的重点方 向 。单 点系 品涵盖 范 围广 、技术 成熟 ，国际上大多 单点 系泊 系统 Ｏ Ｇ Ｊ ￣行配套 。 泊 系统是 海洋 油气工 程领域 的关键 装备之 一 ，它主要 旋转 传输装置均是从ＭＯ ２ ． ２ 国内发展 现状 包 括两大 部分 ，一是 实现介 质传输 功能 的浮式装 置 ，
较大距 离 。２ ０ ０ ６ ～ ２ ０ ０ ７ 年 ，受 中海油 （ 中国 ）有限公 司
单点 系泊 系统 的关键装置之～
主要由挪威的ｍ Ｍ Ｏ 公 司和荷兰的Ｂ Ｒ ｕｃ Ｋ 公 司垄断。
单 内转塔 式单 点 系泊系 统用 多功 能旋转 接头 已经 具 的委 托 ，我院 又完成 了也是用 于 近海油 田开发 的 “ 有多元 化 的产品和技 术 ，包括集 流体旋 转接 头 、电滑 点 系泊系统 流体旋 转接 头专题 研究 ”项 目，设计 了与
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ＆ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ设计与研究
内转塔式单点 系泊 系统介绍
刘 生 法
（ 广州船舶及海洋工程设计研 究院，广州 ５ １ ０ ２ ５ ０）
摘 要 ：本文描述 了内转塔式单点系泊系统的发展、组成和功能，探讨 了内转塔式单点系泊系统设计 、 制造和试验 中涉及的主要关键技术，最后给出了装置国产化的一些建议。 关 键 词 ：单 点系 泊： 内转塔； Ｆ Ｐ Ｓ Ｏ ； 主轴承： 旋 转接 头： 密封： 立 管 系统； 水动 力分 析 中 图分 类 号 ：Ｕ ６ ７ ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ
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
数学建模系泊系统的设计
数学建模系泊系统的设计系泊系统的设计摘要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，其中系泊系统由钢管、钢桶、重物球及锚链共同组成。
此种系泊系统承受风、浪、流的作⽤及锚链的作⽤⼒，运动特性⼗分复杂。
因此，针对海洋环境中⽔声通讯系统的要求，分析风浪中浮标的动⼒问题并设计出既安全⼜经济的系泊系统，对保证⽔声通讯系统的⼯作效果来说意义重⼤。
本⽂运⽤了两种⽅法对锚链进⾏了受⼒分析，⾸先对单⼀材质的锚链进⾏分析，从⽽得出了经典悬链⽅程，对不同段不同材质的锚链进⾏分段受⼒分析，得出了不同段不同材质的悬链⽅程，该⽅程的得出极⼤的⽅便了计算浮标锚泊系统的初始状态，为动⼒分析奠定基础；其次利⽤⽜顿法对锚链受⼒问题进⾏了数值求解，得到当海⾯风速为12/m s 加⼤到24/m s 时，每节钢管的倾斜⾓度也随之变⼤，浮标的吃⽔深度也不断增⼤，浮标的游动区域增加的更为明显。
当风速加⼤为36/m s 时，钢桶的倾斜⾓已超过5度，为使钢桶倾斜⾓⼩于5度，须将重物球的质量增加⾄1783kg 。
再考虑风⼒、⽔流⼒、潮汐（波浪）等动⼒因素时，可以将问题进⾏简化，即直接考虑在⽔深18m 的情况下由于波浪的作⽤（准确的说是2m 波浪的作⽤），可使整个浮标漂浮于⽔⾯上（20m 情形），也可使整个浮标沉于⽔⾯下（16m 情形）。
最后通过对浮标的受⼒分析，可得到浮标的动⼒控制⽅程，采⽤数值⽅法，可以得到在风速为36/m s ，⽔流速度为1.5/m s 时，倾斜⾓、吃⽔深度的数值解。
关键词：浮标；系统；设计；动⼒分析⼀．问题重述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1所⽰）。
某型传输节点的浮标系统可简化为底⾯直径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，近浅海观测⽹的常⽤型号及其参数在附表中列出。
系泊系统的设计
系泊系统的设计引言系统设计是软件开发中的重要环节，它涉及到对系统的整体架构、模块划分以及数据流向等进行详细规划。
本文将对一个系泊系统的设计进行介绍，包括系统的功能、设计原则以及关键模块的实现细节。
系泊系统的功能系泊系统是用于管理船只的停靠与起锚过程的系统。
其主要功能包括：1.记录船只的进港与启航时间：系统能够记录船只进港与启航的时间，方便管理者了解各个船只的停靠情况。
2.船只管理：系统能够对不同船只进行管理，包括船只的基本信息、停靠记录等。
3.系泊位管理：系统能够管理系泊位的使用情况，包括空闲状态、船只类型限制等。
4.船只调度：系统能够根据船只的进港与启航时间，进行船只的调度，确保系泊位的充分利用。
设计原则在进行系泊系统的设计时，需要遵循以下原则：1.模块化设计：系统应该进行模块化设计，将不同的功能拆分为独立的模块，提高系统的可维护性与可扩展性。
2.数据一致性：系统中的数据应该保持一致性，在进行船只调度等操作时，需要保证系泊位的状态与船只的状态一致。
3.异常处理：系统应该能够处理各种异常情况，如船只进港时间冲突、系泊位已满等情况，给出合理的提示与处理方案。
系泊系统的设计实现数据模型设计在设计系泊系统时，首先需要确定系统的数据模型。
以下是一个简化的数据模型示例：数据模型示例数据模型示例1.船只(Ship)表记录了船只基本信息，包括船只的名称、类型等。
2.系泊位(Berth)表记录了系泊位的基本信息，包括编号、状态等。
3.停靠记录(DockingRecord)表记录了船只的进港与启航时间，以及相关联的船只与系泊位信息。
系统架构设计系泊系统的整体架构可以分为以下几个模块：1.前端界面：负责与用户进行交互，展示船只与系泊位信息并提供相应的操作界面。
2.业务逻辑层：负责处理用户请求，进行船只调度、系泊位管理等操作。
3.数据访问层：负责与数据库进行数据的读写操作。
4.数据库：存储系统的数据。
系泊系统的关键模块实现细节1.船只进港与启航时间记录：当船只进港或启航时，系统会记录相应的时间并更新相关信息。
浮式生产装置系泊系统设计
第48卷第1期2019年2月船海工程S H I P & O C E A N E N G I N E E R I N GVol.48 No.1Feb.2019D O I：10.3963/j.issn. 1671-7953.2019.01.036浮式生产装置系泊系统设计刘旭平，周楠，张阳，杜娟#李俊汲(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)摘要:针对用于浅水海域作业的浮式生产装置(F P U)设计多点式系泊系统，分析F P U在位期间在风浪 流环境条件综合作用下系泊系统系泊链的疲劳特性，结果表明，所设计的系泊系统能够满足F P U在位期间的 寿命要求，可保证油田长期生产开发对系泊系统可靠性的要求。
关键词:浮式生产装置;系泊系统;疲劳分析中图分类号:U674.38文献标志码:A文章编号$1671-7953(2019)01-0154-4浮式生产装置(FPU)是一种重要的海上油气 开发装置，相较于FPSO，FPU缺少储油功能。
FPU在油田开发过程中需要通过系泊系统在海上 定位，其系泊系统为永久式系泊。
FPU在位期间 会受到复杂多变的风、浪、流等环境载荷的作用，系泊系统的设计需考虑FPU全生命周期内的各 种影响因素，以达到设计要求。
其中，系泊系统在 不断变化的海洋环境载荷作用下会产生交变应 力，而交变应力周期性的累积效应会造成系泊系 统的疲劳破坏。
目前国内外对系泊系统的疲劳分 析多采用疲劳累积损伤的分析方法，由于该方法 发展比较成熟，因此在海洋结构物的疲劳评估中 得到广泛应用，当前各大船级社采用的疲劳评估 方法也大都以此为基础。
这里，介绍为FPU设计的系泊系统的特征和 疲劳分析理论，基于疲劳累积计算原理对系泊系 统进行疲劳寿命评估。
1F P U主尺度及系泊系统设计FPU场址的水深为79. 73 1, FPU在位寿命 为20年，FPU可以采用半潜平台型式，也可以采 用船体型式，在本方案中FPU采用船体型式，其 主要参数见表1。
系泊系统的设计-
系泊系统的设计|系泊系统的设计摘要本文对系泊系统的设计问题进行了分析，给出合理的假设，建立优化模型，巧妙地解决了题目中所提出的问题。
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1.025×103kg/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/s和24m/s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。
系泊系统的设计
系泊系统的设计作者：谢佳桃刘欣怡彭裕轸来源：《卷宗》2016年第11期摘要：系泊系统的设计主要在于确定锚链的形状以及浮标的吃水深度，锚链有三种状态：1、全部离开海地面2、刚好脱离的临界点3、存在部分趟底链。
首先需要对锚链状态进行判断，再主要运用MATLAB对各相关参数进行循环迭代，使方程结果无限逼近已知确定值，从而确定各参数。
MATLAB关键词：系泊系统；悬链线方程；迭代法；循环；MATLAB航运的急速发展让系泊系统的重要性逐渐体现出来。
锚的设计重量，锚链长度的确定，重物体积大小的设计与浮标的选定，这些都是整套系统的核心。
而如何选定就成了最需要解决的问题，目前的方法各式各类，这里介绍一种十分简洁的方式来计算现有的系泊系统正常工作时的状态。
1 问题重述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1所示）。
浮标直径2m，高2m，质量1000kg。
锚的质量为600kg，钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。
钢桶长1m，外径30cm，质量100kg。
重物球控制钢桶的倾斜角度。
问题1 选定锚链22.05m，重物球质量1200kg。
现将该型传输节点布放在水深18m、海床平坦、海水密度为1.025*103kg/m3的海域。
若海水静止，分别计算海面风速为12m/s和24m/s 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2 在问题1的假设下，计算海面风速为36m/s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。
2 模型假设1.假设重物球、锚链和每根钢管的浮力忽略不计2.假设装置每部分不会发生形变（锚链不会被拉长）3.假设浮标始终处于竖直状态4.假设风向一直平行于海面5.假设水的波浪对系泊系统没有影响3 模型的建立与求解4.1.1问题一的分析对问题进行简化，不考虑重物球和锚链的浮力，在锚的平衡作用下，系统将会处于平衡状态。
利用浮力公式和平衡条件方程求解各个力。
4 单点系泊系统
6、固定塔式单点系泊装置
右图为我国南海某油田采用的一种固定塔式系泊。 塔身是圆柱形的，立径为5.7m。塔底座用钢桩锚固 在海床上。塔身水面上有一防碰圈。旋转接头安装 在塔顶，一端连接立管，另一端与软管相连。该系 泊的设计能抗南海的台风。当台风来时，系泊的储 油轮可迅速撤离，解脱后的软管靠自重沉于海底。
1）上部结构 固定部分是个直径为2.3m的圆柱体，是下部 结构的延长部分，焊装有转台轴承座和三层 固定平台，分别支承着流体旋转头、电仪设 备、管线系统、阀门、清管器收发装置和通 道设施等。 旋转部分包括系泊转台、防碰圈和转动框架 2）下部结构 下部结构是由一个直径为5.7m的圆柱体焊接 在一个基座上，该基座由三个各成120度的径 向箱形梁构成，用6根桩固定在海底，每根桩 长60m。 圆柱体内安装有三根用于输送油、水、气的 刚性立管，采用法兰跟海底管线连接。 3）系泊缆绳 一段耐磨链，通过挂钩连接在单点系泊臂上。 一条周径68.6cm(27in)，长60m的尼龙缆绳， 其最小破坏载荷为1700t。
• 4、输油软管：单点系泊系统的输油软管，通常分为两段， 一段是从海底管道的末端管汇连接到浮筒上的流体旋转头， 称为水下软管（或者称为柔性立管）；另一段是从流体旋 转头连接到储油轮，称为漂浮软管。水下软管是由钢材和 塑性材料两部分组成，其钢材部分提供机械强度，而塑性 材料部分起防漏作用。它具有耐酸性、抗腐性、承受高压 的特点。漂浮软管是特制的压力橡胶管，为了便于安装制 成分节，用钢接头连成一串置于水中或浮于水面，漂浮软 管外层包有浮力材料，使其具有浮力以便漂浮安置；管端 栓有识别浮标，以便油轮发现和打捞，接通油轮管线。漂 浮软管内一般装有能自动关闭的截止阀，解脱时以防止原 油溢出。
系泊系统的设计
状 ，浮标吃 水深度 以及 游动区域等 物理 量的变化 情况 ，以及综合考虑风力、水流力和水深情况下的 系泊 系统的设计 。 ［ 关键词 ］ 受力分析 ；微元 法 ；迭代 法 ；多元 目标规 划模 型
［ Ｄ ＯＩ ］１ ０ ． １ ３ ９ ３ ９ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｚ ｇ ｓ ｃ ． ２ ０ １ ７ ． １ ８ ． １ ９ ３
Ｒ＝ ＋１ × （ ｓ ｉ ｎ ０ １ ＋ｓ ｉ ｎ ０ ￣ ＋ｓ ｉ ｎ ０ ３ ＋ｓ ｉ ｎ ０ ４ ＋ｓ ｉ ｎ ￣ ｐ ）
们采用 效用 最大化模型 ，进行多元 分析 ，先给出各个元素在
效用 函数 中所 占比例 ，然 后构 造 出效 用 函数 ，利 用 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ 求解
Ｆ标 浮＝ ｐ海 ｇ 底ｈ 底 ｚ ｒ ｈ
当风速为 ２ ４ ｍ ／ ｓ 时 ，同理我们解 得 ｈ＝ ０ ． ７ ６ ６ ８ ３ ｍ。此时
可得到 ｌ ＝ ２ ２ ． ２ ３ ｍ
用水深 ｈ ，建立方程组 ，将拉 力大小和角度 均用 ｈ表达 式表示 出来 ，最 后通 过 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ便可 以解 出水深 ｈ的大小 。
此时代入悬链线方程 中
１：ａ ｓ ｈ
０
ｚ ＝口 （ ｃ ｈ 三 一１ ）
ｒ 上
Ｌ ＝
＋２ａ ｈ
可得到 ｌ ＝１ ８ ． ５ ６ ０ ２ ｍ
＝１ １ ． ８ ２ １ ３ ｍ
此时 Ｚ ＜ ，故锚链处于 自由悬链状态 。 其落地长度为 Ａ ｌ ＝ ｆ 。一 Ｚ ＝ ２ ２ ． ０ ５—１ ８ ． ５ ６ ０ ２＝３ ． ４ ５ ９ ８ ｍ 要确定浮标活动区域 Ｓ就得确定浮标活动半径 。
葛悦琴，等：系泊系统的设计
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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
系泊系统的设计
其中，h 是浮标的吃水深度，v 是风速。 第二步：再对锚单独受力分析(图 2)： 水平方向： T cos θ1 = f 摩 ； 竖直方向： F锚浮 + T sin θ1 + F支 = G锚 ； 由受力分析得出两个方程： T 1.25 ( 2 − h ) v 2 cos θ1 = ② 2 G锚 F锚浮 + 1.25 ( 2 − h ) v tan (θ1 ) + F支 = 其中， F锚浮 是锚所受到的浮力，T 是锚所受锚链的拉力， G锚 是锚所受到的重力， f 摩 是锚受到海床对它 的摩擦力， F支 是锚受到地面的支持力。 第三步：锚以外的系统作总的受力分析(图 3)： 水平方向： T cos θ1 = F风 ；
2. 计算模型
问题一中，我们构造了 θ1 − F ( h ) 模型帮助计算吃水深度与各节钢管之间的倾斜角度。此处引用参考 文献[1] [2] [3]。 该模型是由以下三个受力分析部分综合而来： 第一步：首先对该系泊系统整体进行受力分析(图1)： 水平方向： F风 = f 摩 ； 竖直方向： F支 + F浮 = G总 ； 其中， F支 是海床对锚的支持力， F浮 为系泊系统中所有物体受到的浮力， F风 为浮标上半部分所受到 的风力， f 摩 为锚受到海床的摩擦力。
系泊系统的设计 张妍
系泊系统的设计张妍摘要：本文针对最优系泊系统的设计进行研究，将系统上部浮标、钢管及钢桶视为刚体，将下部锚链视为柔软的绳索。
首先，基于整体隔离法，先对浮标、钢管、钢桶、锚链、锚依次进行受力分析，再对系泊系统整体进行受力分析，分别列出局部与系统整体的受力平衡方程。
之后，联立各方程组，计算出不同风速下钢桶、钢管与锚链倾角与浮标吃水深度。
最终得结论为：风速为12m/s时，钢桶倾斜角度为1.9644°，吃水深度为0.7121m；风速为24m/s时，钢桶倾斜角度为4.9466°，吃水深度为0.899dm。
关键词：系泊系统设计；整体隔离法；悬链线方程一、引言本文以2016年全国大学生数学建模竞赛A题为研究对象，建立数学模型求出海面风速为12m/s和24m/s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。
基于整体隔离法先对系泊系统进行隔离，对浮标、钢管、钢桶、锚链、锚依次进行受力分析，最后对系泊系统整体进行受力分析，分别列出各部分和系统整体的力的平衡方程，联立各方程组，计算出钢桶、钢管与锚链倾角与浮标吃水深度。
二、模型的求解与建立2.1局部受力模型的建立①浮标与锚1：对浮标与锚进行受力分析。
设风力方向沿轴正方向。
图1：浮标受力分析图图2：锚受力分析图2：当浮标与锚受力平衡，得受力平衡方程：2.3基于悬链线定理确定锚链形状、游动区域锚链在海中，形状多变，直接拟合锚链形状的难度较大[1]，故引入悬链线定理计算锚链上任意点的坐标和距离，进而通过不断迭代拟合出锚链具体形状。
悬链线分析图如图7所示：基于锚链高度和各个锚链节点的长度，得出锚链上任意点的坐标，通过不断迭代拟合出锚链具体形状。
联立公式（1）~（10），求解可得出风速为12m/s与24m/s时钢管、钢桶和锚链的各个倾角。
具体结果如下表：表1：风速为12m/s与24m/s时求解结果三、结语对比不同风速间差别可知，随着风速的加大，钢管、钢桶以及锚链的左右端点倾角都在增大。
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所谓线性，是指变量之间的数学关系是直线的属性。从数学意义上讲，是指方 程的解满足线性叠加原理，即方程任意两个解的线性叠加，仍然是方程的一个 解。
线性关系本质上说是指互不想干的相互关系，而非线性则是相互作用，这是这
种作用，使得整体不在是简单滴全部等于部分之和，而可能出现不同于“线性
叠加”的增益或亏损。
频域分析与时域分析
从数学上讲，频域分析与时域分析的区别在于方程中的变量是频率还是时间。 频域分析的本质是线性叠加原理，因此只能考虑线性或弱非线性的因素，系统 的非线性特性在频域中要进行线性化处理。频域计算结果通过谱分析后可得到 关心的特种统计量。 时域分析可以完整的考虑系统的非线性特性，真实反映系统实际状态，在同一 时刻求解系统平衡方程，并计及系统的前一时刻对当前的影响（或当前时刻对 后一时刻的影响），求得的结果是变量的完整时间历程。
设计内容：
系泊系统设计主要包括： 1. 系泊系统的布置与选型 2. 强度分析 3. 疲劳分析 4. 间隙与干涉校核 5. 锚
三、系泊系统分析方法
容易混淆的定义：
在数值分析中， 根据平衡特性的不同可分为静力法，准静力法和动力法。 根据数值方法的不同，可分为有限元法和有限差分法。 根据运动特性的不同，可以分为频域法和时域法。 根据求解范围的不同，可分为耦合分析与非耦合分析。
三、系泊系统分析方法
傅里叶变换
以时间为参照来观察动态世界的方法我们称之为时域分析。但如果换一个角度， 从频域的角度来看，世界又是“永恒不变”的，这个静止的世界就叫做频域。 通过傅里叶变换和逆变换，可以实现频域与时域的相互转换。
四、其他
常用规范：
1. API RP 2SK-Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures
系泊系统非线性的主要来源：
1. 几何刚度：系泊系统的回复力-位移变化具有非线性效应 2. 水动力载荷：小尺度结构物受力的morison公式的二次拖曳力项 3. 三维空间的较大的旋转变形：结构物发生两个方向弯曲时的刚度 4. 材料非线性 5. 接触问题：系泊锚链与海底的接触，fender的作用等
三、系泊系统分析方法
二、典型系泊系统组成
典型的系泊系统组成可分为上浮体固定端，导向装置，系泊主体，海底固定端 组成。 经过多年的发展，系泊系统的每个组成部分都衍生除了N多变种。 动力定位系统
三、系泊系统分析方法
设计目的：
系泊系统的设计和复核是指在标准和规范的指导下，保证系泊系统的 选型设计满足工程功能需求，同时考虑经济性及后期维保便易性。
三、系泊系统分析方法
准静力法，动力法
三、系泊系统分析方法
非耦合分析与耦合分析
在深水中，平台、系泊系统和立管相互作用明显，评估动力相互作用的方法有两种： 1. 非耦合或传统的准静态分析，假设系泊系统和立管静态地影响平台的运动，仅
提供回复力刚度； 2. 耦合分析，将平台，系泊系统和立管作为一个整体，评估其相互作用，平台运
Restoring Force(t)
1800 1700
1600 1500 1400
1300 1200 1100
1000 900 800
700 600 500
400 300 200
100 0
0
Full Load Ballast
1234
5678 Excursion(m)
9 10 11 12 13
三、系泊系统分析方法
三、系泊系统分析方法
静力法，准静（动）力法，动力法
所谓静力是指不随时间变化的力，反映在系泊系统上，是指环境载荷 中的定常部分。
系泊系统的动力包括两方面来源：
1. 上浮体，包括水动力，波动风等
浮体振荡运动及水平漂移
2. 系泊系统，包括缆绳上的附加质量与阻尼，缆绳与海底的碰撞与摩
擦，系泊系统上配重与浮筒振荡运动
系泊系统设计简介
单击此杨处小编龙辑20副14.标6 题
提纲
一、系泊系统作用与分类 二、系泊系统组成 三、系泊系统分析方法 四、其他
本讲义图片多来源于网络
一、系泊系统作用于分类
（一）系泊系统定义和作用（stationkeeping or positioning）
通过缆绳或其他机械装置将水面结构实施与固定点连接，使被系泊结构物具有抵御一定 环境条件的能力，保证设计环境下的作业需求，遭遇极端海况时，能够保证结构物 和系 泊系统本身安全。
一、系泊系统分类
（一）典型分类依据-分类形式千差万别
按结构形式： • 多点系泊系统 ，单点系泊系统，动力定位系统，多种定位系统组合等
按回复力作用形式（软硬程度）： • 悬链线，张紧式系泊，半张紧式系泊，tendon，compliant tower，jacket等
按缆绳组成成分： • 纯锚链，纯锚缆，锚链+锚缆，高分子聚合材料，锚链+高分子等
改变系泊系统的运动
学与动力学状态，对上浮体也会造成影响。
三、系泊系统分析方法
静力法，准静力法，动力法
静力法：计算浮体所受的平均载荷，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载 荷在系泊系统间进行分配。 准静力法：考虑上部浮体的定常和慢漂运动，忽略系泊系统本身的动态效应，忽略 浮体波频运动队系泊系统影响，根据悬链线方程或系泊系统受力-位移曲线将载荷在 系泊系统间进行分配。 动力法：考虑上部浮体的动力效应，也考虑缆绳上的动态效应。
动分析中考虑系泊系统的阻尼和惯性效应； 两者的主要区别在于求解方程（组）的维数，耦合分析协同考虑船体与系泊系统的 相互作用
三、系泊系统分析方法
非耦合分析与耦合分析
三、系泊系统分析方法
非耦合分析流程图
三、系泊系统分析方法
耦合分析流程图
三、系泊系统分析方法
线性与非线性
非线性是指自变量与因变量的关系不是直线，而是曲线，曲面或不确法，准静力法，动力法
静力法适用于环境条件温和，系泊形式简单，水深较浅的系泊系统选型/初步设 计。随着系泊系统的复杂化，系泊结构物的大型化，油气开发的深水化以及计 算软件和工具的飞速发展现已基本弃用。 准静力法：计算速度快，可满足大部分工程设计需要，但忽略了缆绳上的惯性 力和拖曳力的影响。 动力法：广泛应用于深水或超深水系泊系统设计。