工程驳船自存及作业工况下的运动分析

工程驳船自存及作业工况下的运动分析 天津大学 硕士学位论文 工程驳船自存及作业工况下的运动分析 姓名:王连成 申请学位级别:硕士 专业:船舶与海洋结构物设计制造 指导教师:唐友刚 20080501摘要 在恶劣海况下,工程驳船发生的摇荡运动严重影响驳船的作业,为防止摇荡 导致船舶作业时出现事故造成巨大损失,对近海工程驳船自存及作业工况下 的运 动响应进行分析有着十分重要的意义。 本文建立了悬链线方程,分析了悬链受力及方程的解法,并采用系泊缆的悬 链线理论和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 预报单锚索系泊时系泊缆中的张力以及最小抛缆长度,完成 了驳 船风暴自存工况下的安全性计算分析。 对船舶在波浪上横摇、横荡运动进行了计算分析。考虑吊物、风、浪及海流 的作用,建立了八锚系泊状态船舶横摇及横荡运动分析模型,根据船舶在波 浪中 运动理论,开发了进行运动分析的计算机程序。考虑不同水深和不同系泊状态, 以及不同的海洋环境,计算了风、波浪以及海流等因素作用下驳船的运动响应, 得到了不同海域、不同风、浪、流作用下驳船的横摇、横荡运动响应幅值。 通过软件计算驳船的频域运动响应,建立了工程驳船运动响应计算的 命令流,对作业工况下船舶的运动响应进行了预报,得到了驳船不同海况下的运 动响应幅值。计算表明,按照本文方法计算得到的驳船运动结果与软件 计算结果基本一致。 本文研究表明:采用本文提出的方法,预报驳船系泊状态下的运动响应完全 可行。尤其对于多点系泊状态驳船运动响应的计算,本文方法计算简单,计算效 率高,数据处理方便,不失为一种有效的预报系泊状态下船舶运动的工程方法。 关键词:工程驳船悬链线方程系泊状态运动响应频域分析 . , . ’ , .. ’ 、,, , ’. ,, , . , . . ., . , : , ,, 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经 发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 册苍 签字日期: 年歹月弓/日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名: .导师签名: 瑷霸. 、 签字日期:立即年月 日 签字日期:加口影年歹月多日天津大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 .工程驳船简介及其发展现状 在船舶种类中,工程驳船是一种类型繁多,用途广泛的船型。在年修订 的国标“工程船术语”中的定义是:“工程船??从事航道保证、港口服务、抢 险救助、水域施工、水底开采、产品加工、船舶修理、疏浚挖泥等作业用船”。 《船舶工程辞典》的解释是:“按不同工程技术作业的要求,装备各种相应的专 用设备,从事各种工程技术业务的船。其类型繁多、设备复杂、专业性强、新技 术、新设备应用较多且各具特色【】。这充分突出了工程船型的开放性,反映了工 程船不断发展的特征。 近海工程驳船广泛应用于钻井平台守护、物资运输及消防等方面。在恶劣海 况下,工程驳船发生大幅摇荡运动,严重影响驳船作业,甚至引起驳船的倾覆。 随着人们对海洋资源利用与开发的日趋完善和成熟,对近海工程驳船的能力也有 了新的要求,同时由于工程驳船向外海发展,工程驳船必须在严酷的海况下 工作, 这对工程驳船的性能也提出了更高的要求。 进入年代以后,我国逐步加大了内河干支流河道的整治力度,以促进水运 的进一步发展。港口工程、水利工程、水域环保、桥梁建设等一大批工程纷纷上 马,这些工程急需技术性能先进、功能齐全的专用船舶。同时,海上运输和海 洋石油开采的发展也促进了海上救捞和海洋 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 技术的发展。海上救捞和海 洋工程施工都需要与之相适应的工程船,这样工程船不仅日趋大型化,船舶本身 的技术性能也有了很大的提高。 世纪世界各国纷纷加大了对海洋开发的力度,海洋工程的建设方兴未艾。 这是由于:全世界对能源的需求日益增加,海洋已成为各国新世纪能源战略的重 点;新技术在海洋工程上的应用,使得海洋能源的开采成本大大降低。作为海洋 工程建设中一种重要的建设设备,近海工程驳船也得到了飞速的发展,并且有着 广阔的发展前景。 .船舶运动响应理论的研究进展 船舶在海上航行或者作业时,都会受到波浪的扰动而产生摇荡运动。波浪引 起船舶的运动包括线位移的纵荡、横荡、升沉和角位移的横摇、纵摇、首摇, 这 些运动不仅影响船上人员工作和生活的舒适性,而且影响船舶在波浪中的航速、天津大学硕士学位论文 第一章综述 甲板上浪、船体弯矩等现象,同时也会影响到船上一些设备的使用。自从克雷洛 夫、傅汝德建立一整套船舶运动微分方程以来,至今已经一百多年,但是用理论 计算方法预报船舶在波浪中的运动性能,只是近二十多年才有突破性进展。主要 表现在:运动方程里的水动力矩系数的计算;海浪的不规则性。 世纪年代人们开始从理论和实验两方面进行耐波性的研究。船舶耐波性分析的 起始得益于在年发表的具有里程碑意义的两篇论文。年代初期,纽 曼和皮尔逊应用通讯工程中研究不规则讯号理论研究了海洋波浪。年,丹尼 斯和皮尔逊发表了“不规则海浪中的船舶运动”,成功地应用概率统计理论处理 海浪和船在波浪中的不规则运动问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,随后便是将数值计算应用于此领域求解响 应幅值算子的飞速发展。由于海洋开发力度的加大,使得人们对船舶的耐波性的 研究更加深入。 对船舶在波浪中的运动性能进行研究有船模试验、实船试验和理论分析方法 三种途径,但三者之间并非完全孤立而是具有一定的联系和依存关系。下面着重 介绍一种理论分析方法一切片理论: 切片理论实质上是一种近似方法,它充分利用了船体细长这一特点,把船体 看作水平放置的细长物体,沿船长方向划分为多个横向分段,即切片,认为至少 在船体的相当部分,流动主要局限于横向截面内,从而把围绕船体的本质上的三 维流动简化为绕各横截面的二维流动。按照二维流动求得各横剖面遭受的流体作 用力后,再沿船长方向积分以求得船体上总的作用力【】。 切片理论可以在大范围内解决各船型和海况的耐波性能的预估,它是从上世 纪年代开始应用的。尽管推导一整套描述船在波浪中运动的微分方程是由克雷 洛夫于年开始的,但一直至年和等人在理论上获得成功, 并在几个水池建立了耐波性试验设备后,船舶运动才变为一个积极的研究领域。 五十年代中期【 ,科文.克劳科夫斯基.建立了计算纵摇、 升沉运动的切片理论,首先提出船舶在规则波中运动的理论。年,雅各布斯 在此基础上计算了船舶波浪外荷。之后,卡普兰,、格瑞斯 马,.等学者完善和发展了这一理论,称为“原始切片理论” 法, 【】。年代末、年代初,又出现一种切片方法,并 且是几乎同时在四个国家以四种语言出现。田才一高木, ,., 萨尔维森.、塔克,..、福尔廷森..等学者 又提出用势流理论解决船舶在规则波中运动和计算波浪阻力、弯矩的新方法,称 为“新切片理论” 。 原始切片理论的特点是物理概念清楚,数学推导比新切片理论简单。而新切 片理论则在理论上更完善。它们的共同点是在求流体作用力时,对船体施行切片, 使三维的问题二维化,故都称“切片理论”。切片理论的方程最初是各个单自由 度的振动方程,世纪年代后出现了较复杂的耦合的“对称运动”和“反对称天率大学硕士学位论文 第一章综述 运动”方程。在规则波中,遭遇频率是影响船体响应的重要因素。在计算船体的 波浪响应时可取一系列的渡浪频率值,得到一系列的船体遭遇频率,从而又得到 一系列的船件运动响应。这种方法又称为频域方法.甩这种方法计算船体的运动 响应大体分为以下三个阶段: 将船体分为若干个横截面.一般分为个,计算各段二因次水动力 系数:附连质量、阻尼以及波浪力力矩和恢复力力矩; 沿船长方向将第一阶段所得的数值进行积分,从而得到船体的耦合运动 的总系数。通常将船体垂直面和水平面的运动区别开来考虑,它们是升沉和纵摇 的耦合?一对称运动;横摇、横荡和首摇的耦台?一反对称运动; 最后对运动方程进行计算求解。 .工程驳船系泊状态下的运动分析方法 随着以油气资源为主的梅洋开发工程的进展,海洋工程驳船得到了前所未有 的发展,其应用范围也进一步拓宽.比如,海上油气开采过程中,海洋工程驳船 用于各类平台的支持.包括为平台提供钻井服务,提供生活物品,提供钻井渡. 为平台进行守护。这类船舶在为平台提供钻井或采油支持时,必须实旄抛锚定位 在海上,一般系泊缆有根或根,其中首尾缆的根数相等。通过抛锚和缆绳的适 当收紧控制工程驳船在个自由度上的运动在允许的范围内。 图为平台服务的工程船天津大学硕士学位论文 第一章综述 为平台提供支持的作业驳船,基本的安全分析状态有两个: 、作业工况 、风暴自存状态 ..作业工况的安全分析 为保持作业工况下的船舶不出现较大的摇荡,进而确保船舶平稳、顺利的完 成作业,必须对船舶进行多自由度的约束,多点锚泊系统应运而生,这也成为现 代海洋工程船舶常用的定位设施。锚泊点的数目及设备的配置主要取决于船型、 环境条件及海上作业要求。普遍采用的系泊方式有四根锚索系泊、六根锚索系泊 和八根锚索系泊等方式,而且锚索多为对称布置。 一般说来,任何一艘作业工况下的船舶都能按两种要求布设锚位:一种是“全 向迎浪”的形式,或称为“对称形式”,即锚点的布设能够承受任意方向来的最 大环境力:另一种是“单向迎浪”形式,或称为“不对称形式”,即考虑锚点的布 设对于承受有一方向环境力较其他方向强时更为有利,对于“不对称形式”,一 般将受风面积较小的一面对准这一环境力较强的方向,同时这一方向上锚索之间 的夹角也较小一些,以期能有较多的锚索承受环境力的作用。合理的锚点布置方 式对船舶的作业安全性具有重要的影响。 船舶在作业过程中受到环境力的作用,引起船舶的偏移,起定位作用的锚泊 系统产生了抵抗这一环境力的反作用力,反作用力竭力使船舶回复原位,并 且随 着船舶偏移量的增大而增大,当锚索沿环境力方向的合力与环境力大小相等时船 舶不再继续偏移,同时这一作用力也显示了锚泊系统承受环境力的能力。实际上 环境力在不断变化,特别是波浪周期性的对船舶产生作用,使船舶始终处于运动 状态。 采用多点系泊进行作业的船舶,各个方向不可能都受到相同的环境力,这就 导致锚索中的受力是不一样的,但在抛锚时,每根锚索被施加了相同的预张力, 这便导致受到较大环境力方向的锚索中张力相对于其余方向锚索增加的要快一 些,所有锚索中,有时真正起到保持船位作用的锚索数量不%,而且其中甚 至只有根根保证大部分复原力,因此,在恶劣海况下,还需要人为的放松下 风锚索,以减少上风锚索的负担,进而保证船舶作业安全。 ..自存工况安全分析 风暴自存工况指极端环境条件下,工程驳船不能继续作业,但可通过调整可 变载荷或放弃部分载荷及其他措施以达到某种较为安全的状态。当海况特别恶劣 时,为防止缆绳断裂除了放松下风锚索外还需将上风锚索尽可能的放出,一切作 业停止,这时就不再考虑船位的保持,只留下上风方向根根锚索承受单方天 津大学硕士学位论文 第一章综述 向环境力,使船舶处于相对安全的自存状态。 圈风浪中船舶的运动 本文的主要工作 随着我国的经济发展,在航道整治、港口建设、农田水利、矿藏开采、海 缆通讯、险情救助以及海洋开发等领域中经常会见到工程船舶的身影。工程 船作 为一种特种作业船,在国民经济现代化建设中发挥着越来越重要的作用。 本文以海洋石油驳船为倒,以其四个工作海域:南海东部、南海西部、 渤海海域、车海春晓油田海域为海洋环境,对该艘船舶的运动响应进行了计 算. 以下是本文的主要工作: 计算了船舶在风暴自存工况下处于不同海洋环境时的环境载荷风载荷、 波浪载荷、海流力及导缆处锚索中的张力;计算了该驳船在风暴自存工况下 处于不同海域时的最小抛缆长度:利用语言编程实现上述计算过程: 分析了定位锚泊系统和起吊重物对船体运动响应的影响; 采用语言编制程序,计算不同海洋环境下船舶的横摇运动响应, 得出海洋石油驳船作业工况下在不同海域的静倾角和横摇角: 计算了海洋石油勰工程驳船作业工况下在不同海域的横荡运动幅值; 利用软件建立了海洋石油驳船模型,并编译计算语句.对作 业工况下该艘船舶的运动响应进行频域分析,同时对前述所计算的数值进行 桂 核,增加前述结果的可信度。天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 .锚泊设备及船舶系泊方式简介 ..锚泊设备概述】 锚泊又称抛锚系留,是船舶的一种停泊方式。 根据船舶使用要求,锚泊设备主要有三种,即:临时锚泊设备、定位锚泊设 备和深海系留锚泊设备。 临时锚泊设备通常称为航行锚泊设备,供船舶在锚地、港内或遮蔽水域内等 待泊位或潮水时临时停泊之用。而并非设计成供船舶在恶劣天气中处于完全敞开 的远离海岸的水域中或在航行或漂移中系住船舶之用。因为在后者情况下,锚泊 设备所承受的巨大负荷,特别是大型船舶,会使设备的某些部件造成损坏甚至失 落。临时锚泊设备通常按船级社 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 配置。 定位锚泊设备是在作业时需要控制船位,或在有限范围内改变船位的船舶所 配置的锚泊设备。通常以船舶本身为中心,向四周抛出若干个锚及锚索系住船舶。 因此,又称为多点锚泊系统或辐射状锚泊系统。这种锚泊设备通常用于起重船、 打捞船、潜水作业船、各种非自航挖泥船、钻探船等需要定位作业的船舶。定位 锚泊设备根据作业水域的水深及作业要求的环境条件配置。如果定位锚泊设备中 有两套满足临时锚泊设备的要求,则此定位锚泊设备可以代替规范要求的临时锚 泊设备。 深水锚泊设备是指某些需要在深水域进行系留作业的船舶,诸如海洋调查 船、海洋测量船等,根据作业水域的水深和环境条件配备的专用的锚泊设备。 锚泊设备由下列主要部分组成:锚、锚索、锚链筒、锚架、掣锚器、导链滚 轮、导索链器、起锚机械、锚链管、锚链舱和弃锚器。 ..系泊方式简介【】 多点锚泊系统是海洋工程作业船舶常用的定位设施,锚泊点的数目及设备的 配置主要取决于船型、环境条件及作业要求。常见的几种锚泊布置形式有:天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 、对称的根锚索; 、对称的根锚索; 、对称的根锚索 、。。,根/根锚索; 、。~。,根锚索 图.常用的辐射状锚泊布置示意图 .环境载荷计算方法 船舶在锚泊状态下受到风、波浪及海流等环境力的作用。这些力按其不同的 作用方向组合构成作用于船舶的外力,由锚泊系统承受,风、浪、流分别产生 一 个定常力,将这些力迭加得到一个总的定常环境力,该环境力为: 只,‘出只 ...风力 在海上航行或者作业的船舶会受到风力的作用,风力作用于船舶水线以上部 分,其大小可通过试验获取,也可以用下式计算: . 只.?曙四 式中,.一风力; 。一形状系数,按所计算的构件的形状查表.;第二章环境载荷及系泊锚索特 性分析 天津大学硕士学位论文 一高度系数,按所计算的构件中心至设计水线的垂直距离查表; 一受风构件的正投影面积; 一有效风速以; 在计算受风面积时应遵循下列原则: 、可以用成群的甲板室总的投影面积取代对于每个甲板室面积的计算, 但形状系数。取为.; 、孤立的结构,如起重机,应单独计算; 、桅杆、起重吊臂等开式桁架结构,可近似地取一侧投影面积的%。 有效风速: ?.. 式中,。一施平均风速/可按蒲氏风级表查取,通常取该风级的中值; ?平均风速/,在缺乏资料时可取.巧。。 表 风力形状系数 表风力高度系数构件形状高度 . 不大于 圆柱形 大于 . . . 船体水线以上表面、甲板室 . . . 甲板室群 . . . . . 孤立的结构起重机、角钢等 桁架结构起重机、吊臂、桅 . . . . 杆等 . . . ...海流力 海流力作用于船体水线以下部分,其大小可以通过模型拖曳实验获取也可以 ’ 用计算方法确定,目前海流力计算方法有: 、按《美国石油协会浮式钻井装置辐射状锚泊系统分析》 推 荐的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算: 船体首向或尾向的海流力只。: .天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 . 船体侧向海流力只: ‘. 式中,?包括附属体在内的船体湿表面积: 圪一设计流速/。 、按经验公式计算海流力 .首向海流力 哆咱针纠譬抖。 式中,孝,一摩擦阻力系数按式计算; /一系数,查表?; ~;对于双桨船 乞一突出体阻力系数,对于单桨船可取.加. 可取.加.×。; 。;对于坞修 舅一船外板粗糙度系数,对于新油漆的船可取.. 后~个月,船外板已有锈蚀的船可取..×一; 一水的密度,淡水为/;海水为/; 圪一设计流速/; ?船体湿表面积; 衄一螺旋桨阻力,按式计算。 善,.,。 式中,徽:型。 。 螺旋桨阻力按下式计算: 曙 式中,一螺旋桨盘面比; 一螺旋桨直径; 圪一设计流速/。天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分 析 表系数玎 叩 % . . . . . . . . 注:一船长.船宽 .侧向海流力: 占,,, 式中,.,?侧向海流力系数; 一海水密度,/; 圪一设计流速; ?船体水下部分面积。 湿表面积的计算: 谢米克公式: 三丁.. 穆勒根公式: :... 式中,三一设计水线长;丁一吃水;?船宽;一方形系数。 海流速度?的确定: 海流速度巧/应为潮汐流及风生流之和,虽然海流速度随着水深的增加 而减小,但对于水面船舶可不计水深的影响。 ?%巧 式中,%??海面上风生流的流速“,按式计算; 以??海面上潮生流的流速/。 对于敞开海面,在缺乏统计资料的情况下,静水面的风生流的流速吃可按 ’ 下式确定; 圪.式中,。一平均风速州,见式。天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 ...波浪力 船舶在波浪作用下引起一个平均偏移,并在偏移的范围内做摆动运动:纵荡、 横荡及首摇等。使船舶产生平均偏移的波浪力即波浪平均漂移力,可视作定 常环 境力: 由首向或尾向波浪引起的平均漂移力‰: ‰.乙埘; 由侧向波浪引起的平均漂移力: 乙。厶删; ? 式中,巳幽?平均波浪漂移力系数/; 口一型宽; ?船舶水线长: 日,一设计波高。 ‰值按及瓦查图?、图.求得。 一有义波周期; 瓦一波浪周期。 对于首向或尾向波浪: 乃.?%. 对于侧向波浪: 瓦蝴??% 式中,见?船舶吃水。天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特 性分析 憾.、 娜 玷 ? 王嚣匠臻髫双懈 ? ‘.飘’ 有义渡高/ 图 图.有义波高与有义波浪周期关系曲线 正、瓦与‰关系图 .锚索悬链状态特性分析【】】 船舶在抛锚系留时,锚索呈悬链状态。无论是锚链还是钢丝绳都具有良好的 柔性和均匀的质量,因此采用单一的锚链或钢丝绳的锚索可视作简单悬链 线。 图.锚索悬链状态受力图 作用于船舶的环境力的合力日为水平方向,该力通过锚索作用于锚。在不 发生走锚的时候,锚的水平抓力日。与环境力日平衡,即:。。 锚点处的垂向力%及锚索张力为:? 天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 且司得出歹一组万程式: 一 ? 罢少 ‘ 旦:竺里?塑皇 【 ? 一 或万肛 】 式中,?一锚索在海水中单位长度质量负荷,锚链为其空气中质量负荷的., 钢丝绳为空气中质量负荷的.; ,石,,及一见图?。 锚链筒出处么点的锚索张力丁及其垂向分力为: 协四 丁厅万月詈 一般情况下,锚索应有足够的长度,使得悬链线在锚点处与海底相切 。在这种情况下,锚仅仅受到水平力日。的作用。由此,上述 式子可简化为: ?? 旦 旦一 ?? 一 ’ . 争酬百? 仍 , 或 一 百舻【 ?? \ 罢?一 由式?、?可得:一 .竺 一 .一 ? 一竺/一詈?一 由式?和式?可得: .天津大学硕士学位论文 第二章环境载荷及系泊锚索特性分析 ? . ??,一一 或以习惯的方式表示: 国 .做. ??,??一 ? ..嫩 ???? 由于,则可得: 扣『四 弘扭等 锚链筒出口处彳点的锚索张力丁为: //:铆 则可知: 锚缆长度: 一 乒丐 锚链筒出处锚索中张力: 第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影响 天津大学硕士学位论文 第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影响 .海浪 据统计,海面上%左右的时间都有不同大小的波浪,船舶在海上摇荡主 要是由海浪引起的,为了了解船舶在海浪中的性能,必须对海浪进行分析研 究。 海面上发生波浪的原因有很多,诸如风产生的风浪,日月吸引力的改变产生 的 潮汐波,海底火山或地震产生地震波等等。海浪大致可分为类:风浪、涌、混 合浪。 风浪:它是在风直接作用下产生的,表面看起来极不规则的海浪,也叫不 规则波,是船舶航行、作业中最经常遇到的一种海浪。 涌:它是由其它风区传来的波,或由于当地的风力急剧下降、风向改变或 风平息之后形成的海浪,涌的形态和排列比较规则,涉及的区域也比较大,在 一个海区内常见风暴未到而涌先到,或者风暴已过涌仍存在。 混合浪:它是风浪和涌同时存在的海浪【】。 自然界的波浪,其波型是不规则的,波面升高是随机变化的,不可能用一 个简单的数学公式来描述,需采用概率分析方法给出它的统计特征,或者用 波 浪谱表示,亦可从研究规则波即用经典流体力学方法进行简化的波浪入手, 用 若干规则波迭加描述。自年圣.丹尼斯.把迭加原理引进船舶运动 学之后,在线性范围内,船舶对规则波的响应得到了迅速发展。 本文研究的是海洋工程驳船在规则波中的运动响应。 规则波的波面方程是 。 表征二因次规则波的要素有: 波长一相邻波峰或波谷间的水平距离; 波高厅一从波谷到波峰的垂直距离; // 波幅。等; ,., 波数竿; 无 , 波浪陡度或称波陡艿掣;天津大学硕士学位论文 第三章定位锚钢缆对船舶 运动响应的影响 波浪周期丁一相邻波峰或波谷经过海上同一固定点的时间间隔; 波浪频率?:娶; 波速芸/。? 从流体力学中可知,对于水深超过的波,其波长、周期及波速具有下 。 列关系: 卜荐一.瓜 万璧.万 允:筻 船舶在海上航行或者作业时,必然会受到海浪的扰动产生摇荡运动。将船 体看作刚体则其六个自由度为:船体沿、、轴的线性运动和绕工、、轴的 转动。为描述船舶运动情况,首先对坐标系及航向角进行定义。所取坐标系 以 船舶重心位置为原点, 轴垂直向上为正,轴位于水平面内以船首为正如 图所示,其中,、、分别为纵荡、横荡和升沉;,、。、:分别为横 摇、纵摇和首摇。 图.坐标系 航向角即为船舶前进方向与波浪传播方向之间的夹角。如图?,。, 表示船舶前进方向与波浪传播方向相反,称为迎顶浪;芦。表示船舶前进 方向与波浪传播方向一致,称为顺随浪;/。,表示船舶前进方向与波 浪传播方向垂直,称为横浪。 遭遇频率定义为波浪相对于船舶的频率,用眈表示。 ? 吐?卢 式中,表示波频;为波数。天津大学硕士学位论文 第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影响 当工程驳船处于自存或作业工况时,有和晚国。 图.航向角 .定位锚钢缆对船舶的约束作用 随着人们对海洋石油开发与利用的不断深入,移动式海洋结构物,特别是 采油平台数量的增多使工程驳船作业范围越来越广,为满足作业要求,必须对 工程驳船进行定位,使其在海洋中处于相对固定的位置。 精确的计算定位锚钢缆的约束作用是非常困难的,多在试验或实践中取得 数据。工程船在作业时可以通过仪器测量定位锚钢缆的作用力,但并不是对所 有工作环境和工况下都能进行测量。定位锚的布置方法有很多种,本节为了便 于研究由于船舶的运动导致定位钢缆的长度变化,进而讨论钢缆对船舶的约束 作用,选取模型如图.所示,并假设连接定位锚的钢缆在单向受力拉伸时具有 线性弹性关系,既符合胡克定律仃。 ??过 图‘.船舶作业工况系泊形式示意图第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影 响 天津大学硕士学位论文 ..对纵荡的约束 设船舶在纵荡自由度上有位移,.,当。时,船体有向向的正位移, 。此时船艏的定位缆不变长,对船体 船艉的定位钢缆变长为 ;一,。如图。此时船艏的定位缆不变长,对船体 船艉的定位钢缆变长为 ,。如图 ‘ 没有作用力。船艉受钢缆作用力大小为,方向为负。所以将船体受到钢 缆的作用力记为丁一;当,时,船艏的定为缆变长为 一叩。,对船的 ’ 作用力大小为,方向为正。容易看出船体受到作用力的方向与船体位移 方向是相反的。所以这里为了便于推导,将 赋予叼。的符号。所以当,时也 可以将船体受到的系泊缆作用力记为一,于是一端锚受到拉伸对船体的作 用力互’为: ” 隆, ’ 互‘一髓一丢等”一言等叩 毛,” 聒 船体受到的水平分力为: 互。争 曲 图船体水平运动锚缆长度变化示意图 ..对横荡的约束 当船舶在横荡自由度上有位移叩:时,系泊缆变长为 ;:,单个侧锚受到 ‘ , 矗伸产生对船体的作用力《为: ‘ ;?争二』等:‘第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影响 天津大学硕士学位论文 ..对升沉的约束 当船舶在升沉自由度上有位移町,时,系缆长度变化需要分情况来讨论:当。 为正时,四锚同时受到拉伸产生作用力正,当。为负时即船舶下沉响应,四锚 不会产生拉伸作用。但考虑到船舶在平衡位置时,四锚对船体有一定的作用 力, 并且船体下沉时该作用力会减小,将减小的作用力化作向上增加的作用力, 可 不考虑叩,正负时两种情况的差别进行计算。升沉位移为,,时,系泊缆变长为 , 此时 等,,,船体受到锚的总作用力: 五叫胁一孚 图.船舶升沉运动锚缆长度变化示意图 ..对横摇的约束 当船舶在横摇自由度上有位移叶?时,系泊缆变长为 等詈。,单个侧锚 受到拉伸产生的对船体的作用力为: ? 胎《警町。 ..对纵摇的约束 。 当船舶在纵摇自由度上有位移时,系泊缆变长为 等考,单个锚受天津大学硕 士学位论文 第三章定位锚钢缆对船舶运动响应的影响 到拉伸产生的对船体的作用力为《: ? 扭胎一言等叩 ..对首摇的约束 当船舶在首摇自由度上有位移。时,端锚受到拉伸产生的作用力矩很小, ? 。 锚 可忽略不计,侧锚受到拉伸产生作用力矩。。侧锚钢缆变长为 叩 丝‰ 缆产生的力矩: 柳 一言孚玎。 .作业工况下船舶的横倾角 船舶静止漂浮于水面某一位置时,会受到重力、浮力作用,并且二者大小 相等、方向相反、作用在同一铅垂线上,这时船体处于平衡状态,当船舶在起 吊货物时,重物会对船体产生一个倾斜力矩,使船舶产生一个倾斜角度。 船舶横倾某角度妒时,假设船上的货物未移动,其重心位置仍保持不 变,而浮心则自点移至点,因为船舶的重心保持在原来的位置,所以船的 排水体积的大小没有变化。水线位置的变化引起的只是船体水下部分的形状 的 改变。此时重力‘形的作用点和浮力?的作用点不在同一铅垂线上,因而产 生了一个复原力矩。,如图所示。 图船舶横倾时横剖面图天津大学硕士学位论文 第三章定位锚钢缆对船舶运 动响应的影响 复原力矩为: ??? 驴 式中,一复原力臂; 一横稳性高初稳性高。 当横倾角度很小时,驴。?,故式?可写成:??妒 本文研究作业工况下吊杆与艏向成。夹角时船舶的横摇运动响应,起吊重 物时产生的横倾力矩与回复力矩方向相反,横倾角度与重物产生的横倾力矩 的 关系为: ? 妒而 式中,。为重物产生的力矩,由起吊货物重量、吊臂的长度和吊机位置确定; ?为船舶的排水量:西为横摇角。天津大学硕士学位论文 第四章作业工况下船舶运动响应分析 第四章作业工况下船舶运动响应分析 当船舶在波浪上航行或者作业时,受到波浪的扰动产生摇荡运动。由于实际 海浪情况复杂多变,所以引起船舶的运动也是非常复杂的。 通常在研究船舶摇荡时,作如下假设: 波浪是微幅平面进行波; 船舶横摇运动是微幅的; 船舶在波浪中所作的六个自由度的运动是互相独立的。 在上面所述的假设下可认为:船舶在微幅平面进行波作用下,在其平衡位置 附近作微幅摇荡时,作用在船上的各种力均可以表示为船舶离开其平衡位置 的位 移、摇荡速度和加速度的线性函数,并且各种力是互相独立的。 .船舶横摇运动分析 早期有许多研究人员从事于确定船舶横摇运动的工作,虽然他们的最初目的 并非为了研究船舶稳性,但从后来的发展来看,船舶横摇运动与其稳性有着 密切 的关系。世纪是造船发展史上具有重要意义的时期,此时法国人首次 提出了稳心的概念,并且定义了稳心半径和初稳性高的概念。稳心半径,.定 义为: ,?? ,.鲁,式中,、分别为横向惯性矩和排水体积。初稳性高定义为: 。一%,式中,。、矗分别为浮心和重心的垂向坐标。通过对横摇运 动的研究,可以确定船舶倾覆的条件。在这方面最早做出贡献的是、 和等人。提出了静水中不计阻尼的船舶横摇运动方程式。基于 以下假定推导出了规则横浪上船舶横摇运动方程式:船宽和吃水与波长相比 是小量;船舶运动不改变波浪的形状;不考虑阻尼的作用。后来他又采用 最佳经验阻尼公式在横摇运动方程中引进了阻尼作用。提出了著名的 .傅汝德一克雷洛夫假设。这个假设认为:船体表面水压力分布不 受船舶运动的影响,浮力近似于在不受扰动的波浪中的值。在这一假设的 基础上进一步发展了横摇运动理论,他的无阻尼横摇方程的多了一项。 随着波浪中船舶稳性的研究,船舶横摇运动方程也得到了进一步的研究。 将波浪上船舶复原力矩的变化引入了船舶横摇运动方程式: 却?甜驴一天津大学硕士学位论文 第四章作业工况下船舶运动响应分析 式中,为初稳性高的变化幅值:为波浪频率。 方程.称为方程,通过对这一方程的求解可以画出船舶运动的不 稳定区域。接着,他又建立了这种横摇运动方程式的更一般的形式: . 埘?爹 式中,妒为复原力臂;为扰动力矩。 和等人提出了不解横摇运动方程而直接由方程式来判断稳定性 的方法,其理论基础是李雅普诺夫方法,这一理论曾经运用于自动 控制科学领域。 前面的研究方法基本上是利用线性模型来模拟船舶横摇运动,本文在计算时 也假设船舶线性横摇。理论上研究船舶在波浪上的摇荡运动时,归结为分析计算 船舶在波浪上摇荡运动的受力并建立和求解船舶横摇运动方程。 ..船舶横摇运动方程 船舶横摇运动分析采用的坐标系原点取在船舶重心,轴位于水平面内以 船艏方向为正,轴也位于水平面内以右舷方向为正,轴与水平面垂直取向上 为正。假定船舶在规则波中作小角度横摇,认为阻尼力矩与横摇角速度成线性关 系,恢复力矩与横摇角成线性关系,规则波浪对船体的作用相当于一作简谐角振 荡的波平面对船体的作用,受到拉伸的一侧缆绳产生的船舶横摇恢复力矩同横摇 角是线性关系,得到波浪中船舶的横摇运动微分方程为: /御妒妒尺矽 ?妒? 其中,妒为横摇角;为船舶自身的横摇惯性矩;峨为附加横摇惯性矩;“ 为横摇阻尼系数:为船舶排水量;为线性恢复力矩系数;,为钢缆的力矩 系数;为波浪干扰力矩;,为风力产生的力矩;。为起吊货物产生的力 矩。 ..动力学参数 ..横摇总惯性矩的计算 船舶的运动导致周围流体质点受到扰动产生相应的运动。根据作用力与反作 用力原理,流体作变速运动的惯性表现为作用在船体上的流体反作用力。把这一 来自流体的,大小与船的运动加速度成正比而方向相反的流体作用力矩,称为 惯性阻力矩。惯性阻力矩与对应的船舶运动的加速度的比例系数称为附加 质量或附加质量系数。这里讲的附加质量是广义的,根据它的不同因次而称为附 加质量、附加质量静矩或附加质量惯性矩或附加转动惯量。天津大学硕士学位论文 第四章作业工况下船舶运动响应分析 当船舶横摇时,有相应的附加转动惯量,因此产生的惯性力矩可用下式表示: 一?’妒 其中,为船舶自身的横摇惯性矩;峨为附加横摇惯性矩;?为横摇角加速 度。 横摇总惯性矩: ~%忐讹; 其中,是重力加速度;为船宽;。为船舶重心距基线的高度。 ...线性横摇阻尼系数的计算 在船舶横摇中,阻尼力矩的大小与横摇速度相关,其作用方向恒与船舶 的横摇角速度方向相反,阻尼力矩对船的功恒为负值。船的阻尼力矩按 物理性质大致可分为三类:兴波阻尼、旋涡阻尼、摩擦阻尼。 兴波阻尼是由于船舶运动使水面产生波浪,消耗船舶本身的能量所造成的阻 尼。傅汝德认为兴波阻尼与速度一次方成比例。 旋涡阻尼由水的粘性引起的,认为它与摇荡速度平方成比例,甚至有人认为 与摇荡速度更高次方成比例。 摩擦阻尼由水的粘性引起的,计算这部分力是很困难的。但试验证明,摩擦 阻尼在阻尼中占的成分很小,通常可以忽略。它可以通过模型试验得到,傅汝 德 认为摩擦阻尼与摇荡速度平方成比例。 横摇固有频率: 吼 其中,为初稳性高。 线性横摇阻尼系数: %种,伸?弹 。 ??哆“?弹 式中,?为横摇衰减系数;‰为无因次衰减系数,按巴浦连柯经验取 //坤.。天津大学硕士学位论文 第四章作业工况下船舶运动响应分析 ...线性恢复力矩系数: .? ...风力矩系数: 横向风力: 瓦.?。,圪 式中,是形状系数;是高度系数;是受风构件的正投影面积;圪为有效 风速,按下式计算: 圪.. 式中,巧。是平均风速,可按蒲氏风级表查取,通常取该风级的中值;巧是 平均风速,在缺乏资料的情况下可取为.。。 横向风力的力矩为: ‘ 其中,为计算风力作用力臂,的大小为所核算装载情况下船舶正浮时受风面 积中心至水线的垂向距离;受风面积中心用确定图形形心的方法求得。各海 域参 数如表.所示。 表海况参数 风级 风名 周期 波面角修正系数 风速/ 波高 波长 . 。 无风 . . . 轻风 .. 轻风 . . . 微风.. 微风 . . . 和风 . ? . . 清风 .清风 .. . .. 强风 注;表中考虑船宽和吃水影响的波面角修正系数按照巴甫连柯修正图谱查 得。 ...波浪力矩系数: 。耐 屈。面万百天津大学硕士学位论文 第四章作业工况下船舶运动响应分析 式中,。是波倾系数;是波高;是波长;?是波浪频率,取值如表.所 示。 表波浪参数 风级 波高 波长 波浪频率似/ 波倾系数% . 级风 . . 级风 . . . 级风 .. . 级风 . . . 级风 . 级风 . . . 级风 . . . . . 级风 . . . 级风 ...缆对应的总刚度系数计算 定位锚钢缆的弹性刚度为: ,:?? 。 , 式中,为定位锚钢缆的弹性模量;,为定位锚钢缆的横截面积;为定位锚钢 缆的长度。 当船舶发生痧角度的横摇时,根据前述几何关系求得钢缆变长近似为 ;丁妒,单个侧锚受到拉伸产生的对船体的作用力为: 五肛言半妒 式中,为水深;妒为横摇角;为型宽。 单个锚产生的作用力矩为: ?? ?卢‘ 其中,为锚缆和轴的夹角,卢为俯视图中缆投影方向同工轴的夹角,。,气 为系缆点在轴和轴上的坐标。 单个缆的刚度系数为: 言竿.叻妙眦 船体一侧所有缆对应的总刚度系数为:天津大学硕士学位论文 第四章作业 工况下船舶运动响应分析 ?, ..起吊货物作用在船上的横倾力矩的计算: 起吊过程中起吊货物平稳,可将货物视为静止,忽略其摆动。因此横倾力 矩可如下表示: ?, 其中,。是吊物的引起横倾力矩;是吊物重量;,是吊物到轴水平距离。 .船舶横荡运动分析 一艘系泊船要承受两种漂移力??引起船舶稳定偏移的平均波浪漂移力和 相对于船舶平均偏移的低频纵荡、横荡和摇艏运动的振荡漂移力。 低频运动可以由模型试验或先进的分析方法来推算。在缺乏这些手段时,低 频纵荡和横荡运动可以由下面的方法来估算。通常在系泊分析中摇艏运动可 以忽 略。 、有线型的船舶系泊船舶的单幅低频运动均方根值可由文献【】中图~ 来估算。图中的曲线是相应于长度为.的船舶,对于 长度超出这个范围的船舶可以用式?来计算有效波高进而来估算船舶低频横 荡运动。 . 训脚×争 图中曲线适用于系泊的弹性刚度为.//船的位移。对于其 他的系泊刚度,从相应图中得到的结果应有式.或一公式修正。 四 铲魄,肼罕 四 麒半 式中,。脚为从图中得出的单幅低频纵荡运动的均方根值,单位:: 为系泊系统在船的平衡位置处的弹性刚度,单位:/; 苁.唧为从图中得出的单幅低频横荡运动的均方根值,单位:。 单幅低频运动的有效值为: ? 工,。第四章作业工况下船舶运动响应分析 天津大学硕士学位论文 似 ,,, 单幅低频运动的最大值为: 。,/×最 儿。,。,× 只为雷利数: 最.、// 式中,咒是系泊船的自然周期,由下式估算: 矗一.推 这里,?为船的排水量,单位为吨。 、半潜式船舶 半潜式船舶的单幅低频运动均方根值可由文献】中图 来估算,其有效值和最大值的计算方法与上述方法相同。 ....天津大学硕士学位论文 第五章工程驳船的运动响应计算 第五章工程驳船的运动响应计算 本章对海洋石油工程驳船运动响应进行了分析计算。首先计算单锚索系 泊方式下船舶风暴自存状态所受到的环境载荷及所需的抛缆长度,然后对作 业工 况下该艘船舶横摇、横荡运动响应幅值进行了计算。 .研究对象及海洋环境简介 ..海洋石油工程驳船相关参数 表.海洋石油工程驳船相关参数 . 总长 水线间长 . 满载排水量 . . 型宽 . 型深 . 满载吃水 . 起吊重量 主吊机 回转半径 . 起吊重量 辅助吊机 回转半径 锚缆直径 锚缆长度 .×/ 缆弹性模量 锚类型 锚 锚数量 . 单个锚重 ...锚泊分析工况及标准锚泊方式 本船的典型锚泊分析工况包括: 自存工况;天津大学硕士学位论文 第五章工程驳船的运动响应计算 起重和外输工况。 本船锚泊分析的标准锚泊方式为: 八锚系泊 八锚系泊用于起重工况和外输工况,见图。 图.八锚系泊方式 单锚系泊 单锚系泊用于自存工况,见图.。 瞄 鼙 眵 巨 图.单锚系泊方式 本船锚泊分析三种典型载况的技术参数见表。天津大学硕士学位论文 第五 章工程驳船的运动响应计算 表.三种典型载况的技术参数 全船重 吃水 载重量 空船重量 排水量 典型载况 心高度. . . . . 满载出港 %装载 . . . . . . . . . . . 压载到港 ..海洋环境 本船自存工况下锚泊分析的典型海域为渤海蓬莱海域、南海西部海域、南海 东部海域、东海春晓油田海域。 表.自存工况海洋环境数据 海域 水深 流速/ 风速/ . . 渤海蓬莱海域 . 南海西部海域 . . 南海东部海域 东海春晓海域 . 表作业工况海洋环境数据 海域 水深 流速/ 风速/ . 渤海蓬莱海域 . 南海西部海域 . 南海东部海域 东海春晓海域 . .自存工况下的锚索张力及缆长计算 风暴自存工况指极端环境条件下,工程驳船不能继续作业,但可通过调整可 变载荷或放弃部分载荷及其他措施以达到某种较为安全的状态。 下述计算过程以南海东部海域船舶处于满载状态下为例进行计算,当在其余 三个海域及相应装载状况下作业时计算方法与下述方法相同。天津大学硕士 学位论文 第五章工程驳船的运动响应计算 ..环境载荷计算过程 ...风载荷 风载荷: .?曙?.. 式中,形状系数,高度系数,受风构件的正投影面积经查表及对受风面积 的测量得?。,;圪,依据资料取为/。 表.吃水.米,船舶艏向受风面积 么 . . 船体和甲板室 吨 . . . 吊车面积 吊车 . . . 吊车面积 辅助吊车 总面积 表吃水.米,船舶艏向受风面积. . 船体和甲板室 吨 . . . 吊车面积 吊车 . . . 辅助吊车 吊车面积 总面积 表?吃水.米,船舶艏向受风面积么船体和甲板室 吨 . .? . 吊车面积 吊车 . . . 吊车面积 辅助吊车 总面积 天津大学硕士学位论文 第五章工程驳船的运动响应计算 穆勒根公式:三.. 甜×.. .. 其中, 一设计水线长;丁一吃水;?船宽;一方形系数。 方形系数。取值见表。 表不同吃水时的方形系数 . . . 吃水丁 . 方形系数 . . ..海流力 船体首向海流力: . 只.曙. 式中,?包括附属体在内的船体湿表面积; 圪一流速,根据资料取为/。 ...波浪平均漂移力 由公式瓦./.可求得波浪表征周期瓦.,有义波浪周期 可根据波高;查图.得到波高为时正,由瓦及正值可查图.求得平 均波浪漂移力系数‰.,进而可求得波浪力‰。 由首向或尾向波浪所引起的平均漂移力: .守 呐.啪:... ...环境载荷 环境载荷: 只.‰名. ..最小抛缆长度和锚索中系泊张力 资料已给定南海东部水深米;水面到导缆孔的距离取为型深与吃水的 差值米:锚索在水中的重量取为空气中重量的.倍,即: .×.. / 。 则: . 抛缆长度: 锚链筒出口处锚索中张力:缈...天津大学硕士学位论文 第五章工程驳船的 运动响应计算 ..自存工况计算分析流程图 图.自存工况计算分析流程图 .. 程序计算窗口 上述自存工况锚索张力及缆长计算过程可通过语言编程实现。天津大学硕士 学位论文 环境力计算参数”???一“ “即矿一 ”?一“ ”即一. “?一‘ ????一 矗?鼯一棚硼撒“似”。腿 ??‰ ????一 苎竺塑塑墅塑 生竺坚竺塑 能厂一茸 ?% %目?一? 圈 程序计算窗口 单点系泊时锚张力计算 ,?一 竺 “噻雩‘雨?一 鼎? 兰竺竺 计算结果 “。????一 ,“厂?一 竺竺 程序计算窗