浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性

海底坐标点
海底坐标 3 海底坐标 4
y， z） 也可分解成入射势 φ ， 绕射 速度势 （ x， R 势 φ 和辐射势 φ ，即 y， z ） = I （ x ， y， z ） + D （ x ， y， z ） + R （ x ， y， z） 。 （ 6 ） （ x， 在动坐标中，锚泊浮体时域运动方程为：
根据浮箱的尺寸参数 （ 见表 1） ，在 Solidworks 中完 成单浮箱模型建立，将其导入 Ansys 中进行网格划分。
表1 Tab. 1
长 /m 30 宽 /m 4
浮箱基本尺寸 Basic size of pontoon
高 /m 1 吃水 / m 0. 3 排水量 / t 36
计算工况取其工作状态下的最高海况—3 级海 况，并取 0°这一典型的载荷方向。本文初步设计多种 系泊方案，比较运动响应的计算结果，选取最小响应 值的方案为最优系泊方案，进行下一步计算分析。其 中初步设计的系泊方式有八字型和交叉型，每个系泊 方式有 3 种设计方案，系缆材料采用锚链和聚酯缆。 当材料为锚链时，根据锚泊线形态，分为半张紧式和 悬链式系泊方式； 当材料为聚酯缆时，为张紧式系泊 方式。导缆孔位于浮箱上表面的 4 个顶角附近，表 2 列出了八字型及交叉型系泊方式海底的坐标点。轻载 浮式栈桥由多个单浮箱组成，当采用八字型系泊方式 时，系泊半径不宜过大，否则会产生一根系泊线与多 根系泊线相交的现象。系泊缆及锚链的参数如表 3 所 示，八字型及交叉型系泊方式的示意图如图 3 所示， 1 ～ 6 分别表示交叉型半张紧式系泊、交叉型张紧式 系泊、交叉型悬链式系泊、八字型半张紧式系泊、八 字型张紧式系泊、八字型悬链式系泊。
CHEN Jianwen1 ，WANG Zhidong1 ，FU Jia1 ，CHEN Xujun2 （ 1． College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003 ，China； 2． Field Engineering College， PLA． University of Science and Technology，Nanjing 210007 ，China） Abstract ： This article was based on threedimensional potential flow theory， software AQWA was used to
2 R y， z， t） 。 （ 4） Φ （ x， I D 式中： Φ 为入射势； Φ 为绕射势， 由于物体的存在 R 而产生； Φ 为辐射势，由于物体的运动扰动流场所 D R 产生。其中，绕射势 Φ 与辐射势 Φ 的和称为扰动 P D R P 势 Φ ，即 Φ + Φ = Φ 。 y， z， t） 是一个非定常量且与时间有 速度势 Φ（ x，
图1 Fig. 1
轻载浮式栈桥示意图
Display of lightload floating pier
1
理论基础
所谓势流，即不可压缩理想流体的无旋流动，势 流理论在研究机翼升力、波浪力等方面均取得了令人 满意的结果，所以势流理论在航空及海洋工程领域得 到迅速发展。其速度势满足拉普拉斯方程，即： y， z， t） = 0 ， （ 1） Φ（ x， 解出速度势后，由方程 v = φ， （ 2） 得到速度分布， 根据拉格朗日方程 （ 3 ） 得到浮 体表面的压力方程。 p 1 Φ 2 + gz + + （ 3） = C（ t） 。 2 Φ ρ t 在线性理论中，不定常速度势可分解为： y， z， t） = Φ I （ x， y， z， t） + Φ D （ x， y， z， t） + Φ（ x，
单位长度湿重 / kg·m － 1 22. 55 1. 74 22. 55 22. 55 1. 74 22. 55 破断张力 / kN 1. 46E3 2. 50E3 1. 46E3 1. 46E3 2. 5E3 1. 46E3 轴向刚度 / kN 1. 10E5 7. 00E4 1. 10E5 1. 10E5 7. 00E4 1. 10E5 长度 /m 49. 00 48. 77 51. 50 25. 85 25. 70 26. 50
0
引
言
目前，将浮式结构物用于海洋资源和海洋空间的 开发及利用得到了海洋工程界研究学者的关注。由于 海岸和近海工程场地及地基条件比较恶劣，交通运输 和物质装卸在施工前期存在较大困难，利用浮箱架设
收稿日期： 2014 － 01 － 13 ； 修回日期： 2014 － 04 － 02 作者简介： 陈剑文（ 1989 － ） ， 女， 硕士研究生， 从事船舶及海洋结构物流体力学性能研究工作 。
· 44·
舰
船
科
学
技
术
第 37 卷
ห้องสมุดไป่ตู้
0.10 0.05
浮箱
横荡/m
0
a）八字型 （
（ b）交叉型
图2 Fig. 2 表3 Tab. 3
系泊方 案编号 1 2 3 4 5 6 材料 无档锚链 聚酯缆 无档锚链 无档锚链 聚酯缆 无档锚链 直径 / mm 36 100 36 36 100 36
系泊系统俯视图 Platform of mooring system 系泊系统参数
关键词：
单浮箱； 浅水； 系泊系统； 运动响应 中图分类号： P753 文献标识码： A 文章编号： 1672 － 7649 （ 2015 ） 05 － 0042 － 05 doi： 10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2015. 05. 008
Research on mooring system and motion response character of pontoon in floating pier system in shallow water
［ 4 ］
∫
t
－∞
K（ t － τ） · x（ t） dτ + Cx（ t） = （ 7）
F w （ t） + F wind + F c + F sn （ t） + F m （ t） 。
提出一种频域分析方法，用于浮箱 6
个自由度之间协方差矩阵以及节点剪力和弯矩的确 ［ 5 ］ 定。Seif 和 Inoue 等 考虑浮箱之间的水动力干扰， 并基于三维源汇分布法处理水动力载荷问题。Welch S. 和 Oka S. ［6 － 7］ 对浮式栈桥进行实验研究。刘鲲［8］ 采用水池物理模型试验研究了浮式结构物在规则波下 振动响应算子 RAO 的变化规律。 浮式栈桥作业在浅水区域内，为了开展其在波浪 中的运动响应特性，现以浮式栈桥系统中的单一浮箱 为研究对象，设计多种系泊系统，挑选最优方案，并 分析其在规则波作用下的振幅响应算子 RAO。
Coordinate points of seabead
海底坐标 2
（ 30 ， 22 ， － 5 ） （ 30 ， － 22 ， － 5 ） （ － 30 ， － 22 ， － 5 ） （ － 30 ， 22 ， － 5） （ 15 ， 40 ， － 5 ） （ 15 ， － 40 ， － 5 ） （ － 15 ， － 40 ， － 5 ） （ － 15 ， 40 ， － 5）
第 37 卷第 5 期 2015 年 5 月
舰 船 科 学 技 术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 37 ，No． 5 May， 2015
浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性
1 1 陈剑文 ， 王志东 ， 付 1 2 佳， 陈徐均
（ 1． 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 ， 江苏 镇江 212003 ； 2． 解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007 ） 摘 要：
表2 Tab. 2
系泊方式 八字型 交叉型 海底坐标 1
关，若将时间因子分离出来， 则得出一个只与空间 y， z） ，称之为空间速度势， 通过 位置有关的量 （ x， 对其求解就变为了求解定常问题 。 y， z， t） = Re｛ （ x， y， z） e －iωt ｝ ， Φ（ x，
I D
（ 5）
基于三维势流理论， 利用水动力分析软件 AQWA 对浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应进
行研究。对初步设计的多种系泊系统进行优选， 并计算浮箱在最优系泊系统下的运动响应幅值算子 RAO。 结果表 浅水中交叉型半张紧式锚链系泊表现出良好的系泊性能 。 浮箱的振幅响应算子 RAO 明： 聚酯缆材料极易疲劳破坏， 与波浪周期变化及波浪作用方向有不可分割的关系， 当波浪入射角为 120° ～ 150° 时， 浮箱的纵荡及纵摇 RAO 较大。 为保证较小的垂荡值， 浮箱布置可沿入射波方向 。为保证较小的首摇角， 浮箱布置应避免与来浪呈 120° 的入射角。
式中： M 和 m 分别为浮体广义质量阵、附加质量阵； K（ t － τ） 为系统的延迟函数阵； C 为浮体的静水恢复 力系数阵； F w （ t） 为一阶波浪力； F wind 为风力； F c 为流 力； F sn （ t） 为二阶波浪力； F m （ t） 为锚泊力。
2
模型建立及系泊系统选取
本文分析的浮箱为轻载浮式栈桥中的单一浮箱 ， 作业水深 5 m， 为极浅水。 其中轻载浮式栈桥的示 意图如图 1 所示，每个浮箱之间的间距为 2 m。
第5 期
陈剑文， 等： 浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性
· x （ t） + （ M + m） ·
· 43·
（ MCS） 、海军栈桥码头 （ NL ） 及高级模块化通道系 ［ 1 ］ ［ 2 ］ 统 （ ACBL） 。Yujun Qi 等 指出稍宽、高度较小、 重心 较 低 的 浮 箱 有 利 于 浮 桥 的 稳 定 性。 Inglis 和 Price［3］利用二维、三维法计算了箱型浮体的水动力特 性。Hutchison