准动态分析法在工程船舶锚泊定位系统设计中的应用研究

工程船舶在海上作业时都需配备定位系统,如何配置安全可靠、满足作业要求和具有市场竞争力的锚泊定位系统已成为探讨热点。通过对现行锚泊定位系统分析的几种基本方法的理论特点及应用特性比较,确定应用准动态方法对工程船进行锚泊定位分析的可行性,并阐述了准动态分析方法的基本理论及特点,与全动态分析方法进行了理论对比分析,从而进一步体现了准动态方法应用于工程船舶锚泊定位的合理性。以某工程船为例,分别应用准动态分析软件ARAINE及全动态分析软件DEEPC进行锚泊定位计算对比分析,论证了应用准动态方法分析工程作业船舶锚泊定位的优势及特点。从理论分析及实际应用角度充分证明了,应用准动态方法对工程船进行锚泊定位分析既保证工程精度要求,又可显著提高计算效率,具有明显优势。     

浅水中OSV锚泊定位分析研究

本文采用数值计算方法对浅水中海洋平台支持船(OSV)的锚泊定位性能开展研究.首先,基于三维频域势流理论,对一艘OSV不同水深的水动力性能开展分析,计算了水动力系数、运动幅值响应算子、一阶波浪力和二阶波浪力.由于浅水中非线性效应显著,本文采用中场公式计算了该OSV全二阶波浪力传递函数(Full Quadratic Transfer Function,简称全QTF).然后,本文对不同水深下锚泊系统的水平刚度开展了分析,计算了不同水深下锚泊系统的水平刚度,研究了水深对锚泊系统水平刚度的影响.最后,采用准动态方法对不同水深下的OSV和锚泊系统开展时域分析,研究了水深对船体运动性能和锚索张力的影响.     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全尺寸锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明：浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全水深锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明:浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

深海工程船锚泊仿真系统研究

为了实现工程船定位和控位快速模拟仿真,本文以45000DWT海洋工程船为例,采用均匀设计试验方法,确定深海船舶工作不同的工况组合,基于Ansys-Aqwa软件对工程船深海锚泊动态响应进行仿真分析,对仿真结果进行回归处理,得到船舶位移和锚索张力与锚索长度、风浪流环境载荷变化的数学响应模型,再对位移数学响应模型进行求反函数处理,获取船舶控位调整锚索长度的方法,为深海锚泊软件仿真系统提供模型支撑。     

潜水作业支持船锚泊定位数值分析与模型试验研究

采用准动态方法对潜水作业支持船开展锚泊定位分析,并和模型试验结果比较.通过对数值计算结果和模型试验结果分析可知,数值模拟结果是可靠性,潜水作业支持船锚泊定位系统满足工程应用需求.     

深海工程船锚泊仿真系统

为实现工程船定位和控位快速模拟仿真,以45000载重吨海洋工程船为例,采用均匀设计试验方法,确定深海船舶工作的不同工况组合,基于Ansys-Aqwa软件对该船的深海锚泊动态响应进行仿真分析。对仿真结果进行回归分析处理,得到船舶位移和锚索张力与锚索长度和环境载荷(风、浪、流)之间的数学响应模型。对位移数学响应模型进行求反函数处理,获取船舶控位调整锚索长度的方法,为深海锚泊软件仿真系统提供模型支撑。     

作业水深对半潜平台气隙影响的比较研究

结合水池试验结果,对数值模拟粘滞曳力和辐射阻尼进行了修正。考虑平台所受的风、浪、流载荷以及全尺寸锚泊系统对平台运动的影响,基于锚泊和ATA定位方式,选取四种典型计算工况,对平台在不同作业水深下气隙和波浪砰击进行研究。研究结果表明:平台在同等工况下,工作水深对两种定位方式下平台运动响应能量谱、关注点气隙响应能量谱影响敏感。关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着工作水深的增加而加剧。ATA定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点相对运动。工作水深引起ATA定位下平台关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值优于锚泊定位。在平台设计过程中应该重视工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响。     

深层搅拌船的自动锚泊定位系统设计与实现

为满足国内首次研发的深层搅拌船的锚泊定位精度，充分考虑作业条件和工作效率，开发出一套全新的自动锚泊定位系统。将模糊控制与状态机控制思想相结合应用于锚泊定位系统，对船舶的当前状态进行模糊控制，状态机将锚泊定位过程划分为若干状态，不同状态采用不同的控制参数，保证船舶快速和精确地定位。结果表明，该系统在满足工程需要的同时，提高了施工效率，取得良好的效果。     

深水复合锚泊线动力特性比较分析

为了研究复合锚泊线的动力特性,文章对完全相同的两根复合锚泊线,保持其他条件不变,用聚酯纤维系缆代替钢索,使锚泊线顶端张力-静位移特性曲线基本一致,然后采用数值模拟的方法对整根复合锚泊线的动力特性进行比较分析。比较两种复合锚泊线的自振频率、复合刚度和锚泊阻尼。建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于Del Vecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度,比较上部平台分别发生慢漂和波频运动时刚度的变化。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,给定上部平台运动时程后在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析,通过计算锚泊线从平台运动中吸收的能量,得到锚泊系统的阻尼,比较上部平台分别发生慢漂和波频运动时阻尼的变化。     

A survey on modeling and control of thruster-assisted position mooring systems

This review presents a systematic summary of the state-of-the-art development of technological solutions, modeling, and control strategies of thruster-assisted position mooring (TAPM) systems. The survey serves as a starting point for exploring automatic control and real-time monitoring solutions proposed for TAPM systems. A brief historical background of the mooring systems is given. The kinematics and a simplified kinetic control-design model of a TAPM system are derived in accordance with established control methods, including a quasistatic linearized model for the restoring and damping forces based on low-frequency horizontal motions of the vessel. In addition, another two mooring line models, i.e., the catenary equation and the finite element method model, are presented for the purpose of higher-fidelity simulations. The basic TAPM control strategies are reviewed, including heading control, surge-sway damping, roll–pitch damping (for semisubmersibles), and line break detection and compensation. Details on the concepts of setpoint chasing for optimal positioning of a vessel at the equilibrium position are discussed based on balancing the mooring forces with the environmental loads and avoiding mooring line failure modes. One method for setpoint chasing is the use of a structural reliability index, accounting for both mean mooring line tensions and dynamic effects. Another method is the use of a lowpass filter on the position of the vessel itself, to provide a reference position. The most advanced method seems to be the use of a fault-tolerant control framework that, in addition to direct fault detection and isolation in the mooring system, incorporates minimization of either the low-frequency tensions in the mooring lines or minimization of the reliability indices for the mooring lines to select the optimal directions for the setpoint to move. A hybrid (or supervisory switching) control method is also presented, where a best-fit control law and observer law are automatically selected among a bank of control and observer algorithms based on the supervision of the sea-state and automatic switching logic.     

自动系泊系统简化设计方法

相比传统缆绳系缆,自动系泊系统具有系泊离泊作业速度快、安全可靠等优势。目前,自动系泊系统在国外已有较多工程实例,但世界各主要港工规范尚未纳入有关自动系泊系统的具体设计方法。现阶段,自动系泊系统的计算一般须通过较为复杂的数模来进行,不利于项目前期阶段的设计。针对此情况,分析了自动系泊系统受力特点,根据其受力特点假定力学模型,并结合现行国际、国内规范有关船舶外力的计算方法,推导出自动系泊系统的简化受力计算方法。该方法可供设计人员在项目前期对自动系泊进行受力计算。     

内河船舶系泊布置设计研究

内河船舶因其营运环境条件和系泊布置存在特点,其设计应根据规范要求、匹配限制条件、按照设计方法开展并完成。文章以三峡升船机船型滚装船的系泊布置为例,探讨了内河船舶系泊布置的设计方法和设计要点。     

浙江LNG接收站船舶系泊试验研究

通过船舶系泊物理模型试验,分别对浙江LNG接收站项目码头设计方案中的两种船型26.6万m3和21.7万m3进行了研究,试验中对系泊状态下不同船型的运动量、系缆力、撞击力和撞击能量等进行了分析。同时针对设计船型26.6万m3,在设计方案的基础上调整了泊位长度,分别对比了440m、420m和400m3种泊位系泊条件,指出短泊位有利于减小运动量和均化各缆力,并进行了系缆墩位置调整的优化试验,有效降低了最大缆力,改善了倒缆受力过大的情况。     

基于拖曳锚轨迹方程的拖曳锚系泊优化分析

拖曳锚系泊作为目前海洋工程使用最为广泛的系泊方式，因其较低的制造和安装成本使其成为小型浮式平台系泊方式的首选。目前拖曳式系泊设计大多根据以往工程经验进行选择设计，由于经验设计中并没过多的泥面表面及以下锚链安装信息，因此在设计之初很难对系泊材料用量准确计算。不同重量的拖曳锚在同样的嵌深和同样的锚倾角条件下，所能提供的系泊力大不相同。同时，不同重量的拖曳锚的在相同土壤条件下拖曳嵌入轨迹不同，因而最大埋深不同。上述两方面原因导致不同重量的拖曳锚提供的系泊力不一样。因此，需要达到同样的系泊效果，泥线以下反悬链线和卧底链的长度在不同重量锚的系泊系统中是不同的。参照系泊成本各个分项在其生命周期各阶段的占比，材料制造成本与安装成本占据系泊成本的大部分，且安装成本往往正比于材料成本。因此降低系泊锚链的材料成本对整个系泊系统的成本降低起到了巨大的优化作用。通过结合拖曳锚的极限平衡法拖曳轨迹理论方程，以不同重量的拖曳锚在粘性土壤中的不同拖曳距离下提供额定系泊力时所需要的材料重量为系泊成本评价依据，从而得到浮式结构物系泊系统的一种设计优化方法。     

考虑防波堤失效状况的超大型海洋浮式储油船系泊系统安全性评估

本文首先阐述了建立我国战略石油储备的必要性,选取了超大型浮式储油船作为海上石油储备方式.系泊系统是整个海上储油系统中最重要的设施,对系泊系统的概念、分析、设计和可靠性等作了较详细的描述.用失效概率来评估系泊系统的安全性,是衡量储油系统是否安全的重要手段之一.文中提出了考虑防波堤遭受破坏状况下计算系泊系统失效的数值模拟方法,用时域系泊模拟法求解储油船运动方程并对系泊系统进行了可靠性分析.模拟结果表明,系泊系统的年可靠性为0.999 997.所提出的方法能有效地对超大型浮式储油船系泊系统进行定量的安全评估.     

大型非自航绞吸挖泥船锚泊能力分析方法

针对大型非自航绞吸挖泥船的防台问题,建立了绞吸挖泥船的水动力模型,采用准静力分析法和时域动力分析法分别计算不同工况下绞吸挖泥船的锚链波频张力和锚链最大张力。对比两种方法的计算结果,科学地评估绞吸挖泥船的系泊承载能力。结果显示,准静力分析法和时域动力分析法都可以较好地用于绞吸挖泥船系泊能力的计算,绞吸挖泥船所配备锚链和锚可满足15级台风下的防台定位需求,保证该锚泊定位安全。     

极浅水多体波浪能发电装置锚泊系统设计

采用三维势流理论对多体波浪能发电装置进行频域水动力计算,分析极浅水效应和多体间相互作用对单体发电装置的水动力性能的影响。利用Orcaflex软件建立多体波浪能发电装置数值模型,浮体间采用铰接进行连接,并利用弹簧单元模拟发电液压缸的弹性阻尼作用。为极浅水多体波浪能发电装置设计合理的锚泊方案,采用时域动态耦合方法进行分析,同时考虑极浅水效应、多体影响和二阶低频力,根据API规范对自存工况下的锚泊缆强度进行校核,并对确定选用的锚泊方案进行敏感性分析。通过对计算结果进行分析,发现在进行浅水多浮体锚泊设计时,低频波浪载荷、多体相互作用和海底摩擦不可忽视;对于极浅水的锚泊系统设计,Lazy wave 型锚泊形式优于传统悬链线式锚泊。上述研究工作为近海极浅水海域新型海洋能发电装置锚泊系统的设计提供了新的参考和思路。     

大型船舶系泊模式设计及优化研究

通过理论设计、仿真计算及模型试验的方法,开展设有岛式上建和外飘舷台的大型特殊船舶的系泊模式设计过程及优化研究,基于对缆绳张力、船体运动等试验结果分析,最终形成风浪流环境下某特殊船型的码头系泊模式方案,大幅度降低了因依靠传统舾装数设计无法考虑波浪影响。而在实际系泊作业中带来的风险,为船舶码头系泊作业提供科学可靠的技术支撑。     

LR2型油船系泊与拖带设计研究

以某LR2型油船实船系泊、拖带设备选型及技术方案确定过程为依据,结合设计过程中针对该船特殊甲板结构区域系泊设备布置及为完全满足新规范要求改进舾装设备所采取的优化措施,对此类油船实船设计如何更好地满足近年来新生效的系泊、拖带相关规范和规则要求进行研究。对LR2型油船系泊、拖带设计相关的重点内容、关键技术及为获得最优设计方案所采取的技术措施进行解析和归纳。所得成果能为以后此类油船的系泊、拖带设计提供参考。