系泊響應(yīng)
關(guān)注創(chuàng)建者：海上追風(fēng) 創(chuàng)建時間：2023-02-16
系泊響應(yīng)的實例教程
而系泊1與8位于背風(fēng)側(cè)，在其它任何一根系泊失效的情況下，系泊1與8仍無需提供恢復(fù)力。
圖4 系泊失效前后Barge平臺平動響應(yīng)
垂蕩方向上，在系泊失效前后，風(fēng)浪來流方向都與垂蕩方向垂直，風(fēng)浪載荷的分力基本為零。故垂蕩響應(yīng)曲線在系泊失效前后無顯著變化，僅發(fā)生小幅波動。
3.2 轉(zhuǎn)動響應(yīng)
圖5中三個時域圖分別為Barge平臺在橫搖、縱搖及艏搖三個自由度上不同系泊失效前后的響應(yīng)曲線，得出系泊失效對平臺橫搖與艏搖響應(yīng)影響很大，對縱搖影響很小。在艏搖和橫搖方向，失效系泊的位置不同，平臺動態(tài)響應(yīng)差異明顯。
分析數(shù)據(jù)得出，在縱搖自由度上，8根系泊失效后的響應(yīng)幅值在14.6°左右，與失效前相比，變化范圍在6%以內(nèi)，影響很小。縱搖是由風(fēng)載荷對下部平臺的作用力矩產(chǎn)生的，這個力矩可由葉輪偏航等控制方法來減小，從而增強了風(fēng)力機的穩(wěn)定性。
橫搖自由度上，系泊4與系泊5失效后，平臺橫搖偏轉(zhuǎn)角分別由1.8°增大至7.0°與5.0°，為失效前的3.9倍與2.8倍，與橫蕩類似，系泊4與系泊5位于平臺迎風(fēng)側(cè)，失效后對平臺動態(tài)響應(yīng)變化很大。
艏搖響應(yīng)是因為平臺側(cè)向和縱向受力不均，產(chǎn)生軸向扭矩所致，用來描述漂浮式風(fēng)力機繞塔基發(fā)生的軸向運動。系泊4與系泊5失效后，平臺橫搖偏轉(zhuǎn)角由1.8°分別增大至17.5°與17.5°，為失效前的9.7倍，平臺艏搖響應(yīng)最大。這是因為此時平臺發(fā)生最大側(cè)向與縱向失穩(wěn)。此時因平臺橫縱向受力不均而產(chǎn)生的軸向扭矩最大，故對平臺艏搖響應(yīng)影響最大。
圖5 系泊失效前后Barge平臺轉(zhuǎn)動響應(yīng)
4 結(jié)論
漂浮式風(fēng)力機平臺因其特有的浮動特性，造成其比固定式基礎(chǔ)有較顯著的六自由度搖蕩運動，且對環(huán)境載荷更為敏感。風(fēng)浪較大時，漂浮式風(fēng)力機的搖蕩運動所帶來的響應(yīng)與載荷的增大會影響葉片、塔架及系泊等結(jié)構(gòu)的安全。
展開 為創(chuàng)造更有利于平臺鉆井作業(yè)的外部環(huán)境，袁培銀等[9]提出一種新型多浮體系泊系統(tǒng)，在1500m水深，風(fēng)、浪、流同向作用下，對平臺－連接體－錨鏈－張力筋腱組成的多浮體結(jié)構(gòu)進行完全時域耦合分析，并將新型多浮體系泊系統(tǒng)和傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)計算結(jié)果進行對比分析，結(jié)論充分體現(xiàn)新型系泊系統(tǒng)設(shè)計的合理性、優(yōu)越性。白雪平[10]以半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了相應(yīng)的規(guī)則波，模擬了該平臺在規(guī)則波中的時域運動響應(yīng)。其先根據(jù)錨鏈參數(shù)設(shè)計系泊系統(tǒng)，然后采用8根和12根不同的纜繩布置形式，研究其動力響應(yīng)的差異。童波等[11]以工作水深為1500m的半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了系泊纜直徑、長度、預(yù)張力角度等相關(guān)變量，從而進行平臺系泊系統(tǒng)的動態(tài)特性研究。該研究還以纜繩數(shù)量、纜繩布置角度為變量，進行了系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析。系列研究結(jié)果表明，適當?shù)?em>系泊系統(tǒng)設(shè)計，即合適的纜繩數(shù)量、合理的纜繩布置角度，對平臺的運動響應(yīng)特性起到積極影響，能夠提升系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)性能。
影響平臺及系泊性能的因素很多，如系泊纜數(shù)目、系泊纜的松弛度等，本文研究這些參數(shù)對非對稱半潛式起重平臺的運動響應(yīng)和纜繩張力的影響規(guī)律。
1 系泊系統(tǒng)布置
考慮作業(yè)水深為200m，選取懸鏈線式系泊方式。系泊纜經(jīng)常采用放射型均勻布置，朝向各個方向，這樣可以提供給平臺任意角度的回復(fù)力，保證平臺平穩(wěn)正常作業(yè)。在系泊系統(tǒng)的布置上使用8根或12根鋼纜材質(zhì)的系泊纜繩，選擇傾斜波浪方向中預(yù)計的較大環(huán)境負荷的系泊纜繩布局方案，如圖2和圖3所示。平臺坐標系為o-xyz，原點位于平臺方向。圍繞平臺均勻間隔對稱布置，8根系泊纜分為4組，每組由2根構(gòu)成，每組內(nèi)系泊纜夾角為45°；12根系泊纜分為4組，每組由3根構(gòu)成，每組內(nèi)相鄰系泊纜夾角為30°。
非對稱半潛式起重平臺進行時域仿真模擬的系泊纜參數(shù)如表2所示。
展開 表3 海洋環(huán)境參數(shù)
2 頻域計算結(jié)果及驗證
不規(guī)則的海浪可以簡化為無數(shù)個頻率、方向和波幅不同的規(guī)則波疊加[5]，因此對艦船的靜水力結(jié)果和規(guī)則波中的頻域進行了計算，通過頻域分析可以得到模型在不同頻率規(guī)則波下的運動響應(yīng)幅值算子，為后續(xù)時域錨泊計算做鋪墊[1]。
2.1 靜水力參數(shù)
該文對作業(yè)場進行了靜水力計算，計算結(jié)果見表4。計算排水量與實際艦船排水量誤差結(jié)果為2%，表明靜水力計算結(jié)果比較準確。
表4 靜水力計算結(jié)果
2.2 響應(yīng)幅值算子
搖蕩響應(yīng)幅值算子即單位規(guī)則波下艦船的運動幅值。AQWA軟件對艦船的橫搖、艏搖、縱搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩6個自由度下隨不同頻率規(guī)則波的搖蕩幅值算子定義如公式（1）所示[6]。
式中：Yyζ（ω）為艦船的響應(yīng)幅值算子；ζA為波幅；YA（ω）為艦船的運動幅值。
救撈作業(yè)場在橫向載荷下（90°浪向角）的橫搖響應(yīng)最嚴重，作業(yè)場在波浪作用下發(fā)生較大幅度或較高頻的橫搖運動，可能會加大船舶傾斜度和系泊纜繩受力，勢必會對作業(yè)場的作業(yè)效率和系泊安全造成不利影響，因此需要重點關(guān)注。作業(yè)場橫搖幅值響應(yīng)幅值如圖2所示。通過計算浪向角下艦船橫搖響應(yīng)幅值算子隨周期變化可以得出艦船橫搖運動響應(yīng)最大為3.56324°/m，對應(yīng)的浪向角為90°，對應(yīng)的周期為13.84s，與作業(yè)場實際周期誤差在0.7%，進一步驗證了計算的準確性。
3 時域計算結(jié)果
取錨泊角為45°下，分別計算船舶在不同浪向角下作業(yè)場運動響應(yīng)最大值和錨纜張力最大值，見表5和表6。
從表5和表6可以看出，船體的橫搖、艏搖、橫蕩運動在浪向角為90°時達到最大值，這是由于作業(yè)場橫向載荷的受力面積最大，導(dǎo)致了在橫向浪向下其運動響應(yīng)最明顯。4個纜繩受力中3號和4號纜繩受力較大，1號和2號纜繩受力較小。
展開 整個系泊系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮浮體的運動，還需要考慮系泊材料的屬性等性能。本文將對比純錨鏈方案和錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式系泊方案，系泊材料參數(shù)見表3。
根據(jù)海洋牧場形式，浮體的固定系泊點設(shè)置在結(jié)構(gòu)物浮箱底部，每個系泊點連接兩條錨鏈并與海底錨點連接。錨鏈對稱分布，并且兩兩平行。海域水深為100m。設(shè)海洋牧場水平面中心為坐標原點，系泊線布置方式及系泊點數(shù)據(jù)具體坐標見圖7和表4。
2.5 系泊設(shè)計要求
系泊系統(tǒng)的設(shè)計不僅要滿足浮體所規(guī)定的位移要求，還需要滿足系泊線的強度要求。在作業(yè)工況和生存工況下需要保證浮體不會發(fā)生傾覆，系泊系統(tǒng)不會斷裂等情況。中國船社級的《海上移動平臺入級規(guī)范》對錨鏈不同狀態(tài)下張力的安全系數(shù)要求見表5。
由于海洋牧場上并沒有長期居住的作業(yè)人員，也沒有對運動響應(yīng)有嚴格要求的裝置，因此運動響應(yīng)只需要保證在作業(yè)工況下裝置的正常工作，生存工況下系泊達到規(guī)定的安全系數(shù)即可。而對于合理的位移偏移量，也沒有具體的設(shè)計規(guī)范，因此通過查數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗，要求作業(yè)工況下，平臺的縱蕩和橫蕩運動限定在水深的10%左右。由于風(fēng)力機具有自動偏航功能，橫搖和艏搖對發(fā)電效率影響小，僅考慮縱搖影響。限定作業(yè)工況下縱搖角度小于5°。
03
算例分析
在作業(yè)工況和生存工況下，分別對海洋牧場的載體及其系泊系統(tǒng)進行時域耦合分析。在作業(yè)工況下，海洋牧場需要考慮風(fēng)力機和水輪機作業(yè)時所受推力和力矩。
展開 整個系泊系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮浮體的運動，還需要考慮系泊材料的屬性等性能。本文將對比純錨鏈方案和錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式系泊方案，系泊材料參數(shù)見表3。
根據(jù)海洋牧場形式，浮體的固定系泊點設(shè)置在結(jié)構(gòu)物浮箱底部，每個系泊點連接兩條錨鏈并與海底錨點連接。錨鏈對稱分布，并且兩兩平行。海域水深為100m。設(shè)海洋牧場水平面中心為坐標原點，系泊線布置方式及系泊點數(shù)據(jù)具體坐標見圖7和表4。
2.5 系泊設(shè)計要求
系泊系統(tǒng)的設(shè)計不僅要滿足浮體所規(guī)定的位移要求，還需要滿足系泊線的強度要求。在作業(yè)工況和生存工況下需要保證浮體不會發(fā)生傾覆，系泊系統(tǒng)不會斷裂等情況。中國船社級的《海上移動平臺入級規(guī)范》對錨鏈不同狀態(tài)下張力的安全系數(shù)要求見表5。
由于海洋牧場上并沒有長期居住的作業(yè)人員，也沒有對運動響應(yīng)有嚴格要求的裝置，因此運動響應(yīng)只需要保證在作業(yè)工況下裝置的正常工作，生存工況下系泊達到規(guī)定的安全系數(shù)即可。而對于合理的位移偏移量，也沒有具體的設(shè)計規(guī)范，因此通過查數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗，要求作業(yè)工況下，平臺的縱蕩和橫蕩運動限定在水深的10%左右。由于風(fēng)力機具有自動偏航功能，橫搖和艏搖對發(fā)電效率影響小，僅考慮縱搖影響。限定作業(yè)工況下縱搖角度小于5°。
03
算例分析
在作業(yè)工況和生存工況下，分別對海洋牧場的載體及其系泊系統(tǒng)進行時域耦合分析。在作業(yè)工況下，海洋牧場需要考慮風(fēng)力機和水輪機作業(yè)時所受推力和力矩。
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故垂蕩響應(yīng)曲線在系泊失效前后無顯著變化，僅發(fā)生小幅波動。
3.2 轉(zhuǎn)動響應(yīng)
圖5中三個時域圖分別為Barge平臺在橫搖、縱搖及艏搖三個自由度上不同系泊失效前后的響應(yīng)曲線，得出系泊失效對平臺橫搖與艏搖響應(yīng)影響很大，對縱搖影響很小。在艏搖和橫搖方向，失效系泊的位置不同，平臺動態(tài)響應(yīng)差異明顯。
目前，對海洋平臺的運動響應(yīng)和艦船單點系泊運動響應(yīng)的研究較多[1,2]，但是對艦船多點系泊運動響應(yīng)的研究較少[3,4]，尤其在探索布場參數(shù)變化對救撈作業(yè)場的影響方面研究較少，因此該文對布場參數(shù)對救撈作業(yè)場的影響進行了研究，對提高救撈作業(yè)場的穩(wěn)定性具有一定參考價值。
該研究還以纜繩數(shù)量、纜繩布置角度為變量，進行了系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析。系列研究結(jié)果表明，適當?shù)南挡聪到y(tǒng)設(shè)計，即合適的纜繩數(shù)量、合理的纜繩布置角度，對平臺的運動響應(yīng)特性起到積極影響，能夠提升系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)性能。
影響平臺及系泊性能的因素很多，如系泊纜數(shù)目、系泊纜的松弛度等，本文研究這些參數(shù)對非對稱半潛式起重平臺的運動響應(yīng)和纜繩張力的影響規(guī)律。
在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統(tǒng)時域耦合，分析了不同風(fēng)浪下的浮體運動響應(yīng)和系泊動力分析，并與試驗數(shù)據(jù)作對比。TANG等[5]通過建立網(wǎng)箱的時域數(shù)值模型，分析破損系泊系統(tǒng)下網(wǎng)箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統(tǒng)分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。
在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統(tǒng)時域耦合，分析了不同風(fēng)浪下的浮體運動響應(yīng)和系泊動力分析，并與試驗數(shù)據(jù)作對比。TANG等[5]通過建立網(wǎng)箱的時域數(shù)值模型，分析破損系泊系統(tǒng)下網(wǎng)箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統(tǒng)分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。
AQWA主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運動響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作業(yè)、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題，深入了解AQWA的基本理論、使用方法以及使用技巧對于提高船舶與海洋工程行業(yè)相關(guān)研究人員的技術(shù)水平，提高實際問題解決能力有重要的推動作用，基于此，特舉辦“ANSYS AQWA軟件入門與提高”專題培訓(xùn)。
