系泊系统设计简介剖析

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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 动分析中考虑系泊系统的阻尼和惯性效应；
系泊系统设计简介
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杨小龙 2014.6
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。
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
四、其他
系泊系统适用的水深范围：
1. <500m，可选用全锚链的悬链线系泊 2. 500—1500m，全锚链的系泊系统已经不经济，可选用chain-wire-chain的悬链 线系泊或合成纤维缆绳 3. >1500m，一般选用张紧式或半张紧式的合成纤维缆绳 4. 动力定位系统理论上可以适用于任何水深 随着海洋油气开发向深海发展，悬链线式系泊系统总重量增加，动力效应显著，深 水浮式平台甲板可变载荷的需要和设计浮力的限制使深水聚酯缆张紧式系泊系统的
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。
Full Load Ballast
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Excursion(m)
三、系泊系统分析方法
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
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
应用更为普遍。
四、其他
公司现有的分析软件：
海工目前的系泊分析软件包括Moses，Orcaflex，Sesam-DeepC。 Moses可以进行水动力计算及系泊耦合分析计算，但海工未购买耦合分析计算模块， 目前的采用准静态分析的方法。 Orcaflex不具备水动力计算功能，需要外部导入。Orcaflex进行系泊分析采用耦合 分析方法，缆绳或立管上的动态效应采用有限质量法。 Sesam软件中的HydroD可以为DeepC的时域耦合分析提供上浮体水动力输入，动 态计算采用有限元法。
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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。
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。
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。
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。
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，曲面或不确定的属性。 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。
Restoring Force(t)
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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
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
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。
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。
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