水下拖体和拖缆运动模型研究探讨

水下拖体运动研究是水下拖曳系统研制的重要内容。文章结合工程实际,基于Newton-Euler方法建立了水下拖体的运动模型,基于有限差分法建立了拖缆的运动模型,在此基础上结合拖缆运动的边界条件建立了系统的运动模型,并给出了相应的仿真算例。从仿真结果可以看出,通过该运动模型,可以很好地研究水下拖体受拖船干扰下的运动情况。该模型的建立对水下拖曳系统的研制来说有重大的参考价值。     

基于AQWA的水下大尺度拖缆空间形位仿真分析

为充分发挥水下大尺度拖缆在应用过程中的声学性能,准确地对其深度进行调控,需预先知道其在水下拖曳状态下的空间形位。由此,对拖缆的力学模型进行分析,结合某水下大尺度拖缆的参数,基于有限元仿真软件AQWA对该拖缆进行4种典型航速的仿真分析,获得稳态和叠加四级海况动态环境下拖曳阵缆的空间形位分布、波高响应、下沉深度、拖曳张力和倾斜角等重要参数,为该拖缆的海上试验和应用提供参考。     

潜水器水下拖带航行运动响应数值计算与性能分析

基于三维势流理论,采用多体水动力学分析技术,使用典型的格林函数法求解波浪力,对耦合拖缆的潜水器水下拖带航行进行频域与时域数值模拟计算,分析波浪周期、浪向角、拖缆形态、拖缆长度等因素对水下拖航过程中潜水器拖缆张力,以及纵摇、横摇、横荡等运动响应的影响,为潜水器水下拖航系统设计提供参考。     

拖曳系统运动传递计算

由母船、拖缆和拖体构成的拖曳系统,在拖航作业中,母船受风浪扰动发生升沉和纵摇运动,水面扰动沿缆传递至拖体,影响探测设备性能。文中研究的合理简化的母船波浪运动预报模型、结合已有的拖缆动力学计算模型耦合拖体空间运动模型,构造衔接条件和转换关系式,建立较为完整的水下拖曳系统运动传递模型。编制相应计算程序,计算了二段式拖曳方式对扰动的传递,归纳其扰动传递特性。表明该模型可应用于拖曳运动稳定的设计分析。     

计及空气介质的水下拖曳系统运动模型及其数值计算

为进一步提高水下拖曳系统运动仿真的准确性,本文建立了计及空气介质的拖曳系统运动模型,并提出了改进的有限差分方法来保证数值计算时的稳定性.仿真和试验表明,考虑空气介质后将进一步改善拖曳张力和缆形的计算精度,以及提高对双拖安全性分析的准确性.     

水下拖缆隔振段隔振性能的试验研究

介绍了水下拖缆隔振段隔振性能的测试装置和试验方法;分析了测试系统中隔振段两端串联弹簧对隔振性能的影响,隔振段的固有特性,不同拉力与激振量情况下的隔振效果以及轴向与横向的隔振性能.这些试验数据和分析结果,为线列声纳阵水下拖缆隔振段的设计提供了技术依据.     

缆船非线性拖带系统及数值仿真

基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程,提出了被拖带船舶拖点位置匹配的方法,建立了缆-船非线性整体的拖带动力学模型,采用数值计算法实现了时域内拖带运动的模拟.对一艘具有航向稳定性船舶进行了拖带运动数值计算,拖带船舶采用PD控制方法较真实地模拟了拖带船舶航向改变的运动过程.数值计算讨论了拖点位置、拖缆长度、拖带航速对拖带航向稳定性的影响,结果表明：拖带航向稳定性与线性拖带理论一致,即拖点位置在水动力作用点之前拖带航向具有稳定性,拖缆长度和拖带航速对拖带航向稳定性无影响.拖缆长度和拖带航速可以影响拖带的航行品质,增加拖缆长度能有效抑制拖缆张力的振荡,拖带航速影响到航向角的响应快慢和超调量.     

船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真

研究拖航作业操纵运动对于提高拖航作业的安全性有重要意义,采用MMG分离式船舶运动数学模型,结合拖缆的悬链线张力计算模型,建立由拖轮、拖缆、被拖轮组成的拖航系统六自由度操纵运动模型,编制仿真程序,通过数值计算,对该系统操纵运动进行仿真模拟。以拖轮和导管架驳船的拖航运动为例,分析拖缆长度、拖航速度对拖航系统操纵运动及拖航航向稳定性的影响,模拟该系统在风、浪、流影响下的操纵运动,运动数据实时解算,为在视景模拟平台上进行作业预演,规避拖航作业风险提供理论指导。     

船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真

研究拖航作业操纵运动对于提高拖航作业的安全性有重要意义,采用MMG分离式船舶运动数学模型,结合拖缆的悬链线张力计算模型,建立由拖轮、拖缆、被拖轮组成的拖航系统六自由度操纵运动模型,编制仿真程序,通过数值计算,对该系统操纵运动进行仿真模拟。以拖轮和导管架驳船的拖航运动为例,分析拖缆长度、拖航速度对拖航系统操纵运动及拖航航向稳定性的影响,模拟该系统在风、浪、流影响下的操纵运动,运动数据实时解算,为在视景模拟平台上进行作业预演,规避拖航作业风险提供理论指导。     

水下拖缆隔振段隔振性能的试验研究

介绍了水下拖缆隔振段隔振性能的测试装置和试验方法；分析了测试系统中隔振段两端串联弹簧对隔振性能的影响，隔振段的固有特性，不同拉力与激振量情况下的隔振效果以及轴向与横向的隔振性能。这些试验数据和分析结果，为线列声纳阵水下拖缆隔振段的设计提供了技术依据。     

A stability analysis of tandem offloading systems at sea

In this article, we analyze the linear stability of tandem offloading systems in wind, current, and waves. The wind and current forces are evaluated with the help of published experimental data, while the hydrodynamic coefficients and wave drift forces are rigorously estimated by using a three-dimensional singularity distribution method based on potential theory. The bow hawser and mooring lines are described quasistatically by elastic catenary equations. In order to examine the linear static and dynamic stability of the system, the equations for surge, sway, and yaw are linearized. The effect of design parameters such as turret position, mooring stiffness, and hawser length and stiffness on stability is investigated based on linearized model. The stability analysis clarifies the mechanism of the limit cycle for tandem offloading systems, which is known as fishtailing motion. The theoretical results of the shape and amplitude of the limit cycle are found to be in good agreement with those of simulations and experiments.     

大缆材料对旁靠外输系统的动力响应影响分析(英文)

In order to provide a theoretical guide for choosing the material for the hawsers for the FPSO side-by-side offloading system, which is moored by the yoke system, the 3D potential flow theory and full coupled time-domain analysis are presented to study the dynamic response of the offloading system. The Ming Zhu FPSO offloading system in the field BZ25-1 is simulated here; and four different characteristic fiber ropes are used as the material for the hawsers. To acquire an accurate hawser line tension, the polynomial fitting method is used to calculate the nonlinear stiffness of the hawsers. By comparing the hawser lines' tension and the relative motion between the FPSO and the shuttle tanker, a suitable material for the hawser lines is chosen and discussed in this paper. The results indicate that the nonlinear stiffness characteristic of the fiber rope has a small effect on the relative motion of the vessels, but the hawser lines' tension is greatly influenced by the different characteristics of the fiber ropes. The hawser lines' tension with nonlinear stiffness is in accordance with the one with the upper and lower bound linear stiffness, which proves this method of fitting the fiber ropes' nonlinear stiffness is reasonable and reliable.     

船闸输水过程闸室船舶系缆力数值模拟

文章基于“船舶—水流”耦合动力响应,建立了船闸闸室船舶纵向和横向受力方程及其运动控制方程。利用 FLUENT 软件,采用 RNG k-ε三维紊流模型,运用 VOF 法捕捉自由液面,阀门的开启过程及船舶运动利用动网格技术,船舶的运动控制及系缆力的并行计算程序采用用户自定义函数（UDF）进行编写。针对带格栅消能室的船闸集中输水系统,进行了灌水过程的闸室船舶系缆力数值模拟研究,通过与模型试验系缆力过程线的比较,证明了数值方法的正确性和有效性。数值研究了消能室内有无设置辅助消能工情形下的闸室船舶系缆力,并分析了辅助消能工的功能和效果。     

半潜式平台码头系泊系统设计

依据半潜式平台受到环境力、缆绳拉力和护舷反力的静态平衡方程,通过优化系船柱间缆绳的可行连接、每组缆绳数量以及每根缆绳的初始长度来提高潜式平台抵御环境条件的能力,并在此基础上建立码头系泊系统的设计方法。根据极限和常规海况码头系泊要求,完成系泊布置方案,并提供操作指导。     

连接缆形式对旁靠外输安全的影响分析

联合考虑FPSO与穿梭油船之间的水动力耦合效应,以及船体与软刚臂系泊系统、连接缆、旁靠靠球之间的相互作用,基于三维势流理论对软刚臂系泊FPSO旁靠外输作业进行多浮体水动力响应时域分析。针对耦合外输系统中的连接缆,分析缆绳刚度、绳长和布置形式的改变对缆绳安全系数的影响。通过不同环境组合下两种典型装载工况结果分析表明:加粗连接缆、交叉布缆、以及调整连接缆长度使得连接缆受力均衡可以有效地提高系统作业安全性。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发,提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法,实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上,设计基于立管运行响应的动力定位控位方法,实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明,所提出的方法可行,在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时,能更快地跟踪新的期望最优位置,保证钻井立管运行在安全界限内。     

Extreme hawser tension assessment for FPSO vessel during offloading operation in Bohai bay

The Floating Production Storage and Offloading Unit (FPSO) is an offshore vessel that produces and stores crude oil prior to tanker transport.Robust prediction of extreme hawser tensions during Floating Production Storage and Offloading (FPSO) operation is an important safety concern. Excessive hawser tension may occur during offloading operations, posing an operational risk. In this paper, AQWA has been used to analyze vessel response due to hydrodynamic wave loads, acting on a specific FPSO vessel under actual sea conditions. Experimental validation of numerical results has been discussed as well.This paper advocates methodology for estimating extreme response statistics, based on simulations (or measurements). The modified ACER (averaged conditional exceedance rate) method is presented in brief detail. Proposed methodology provides an accurate extreme value prediction, utilizing all available data efficiently. In this study the estimated return level values, obtained by ACER method, are compared to the corresponding return level values obtained by Gumbel method. Based on the overall performance of the proposed method, it is concluded that the improved ACER method can provide more robust and accurate prediction of the extreme hawser tension.Data declustering issue has been addressed. Paper highlights ability of ACER method to account for a set of varying sea state probabilities, as required in engineering long term statistical analysis.Described approach may be well used at the vessel design stage, while defining optimal vessel parameters that would minimize potential FPSO hawser tension.     

大型无动力船舶防台系泊系统系缆技术*

防台单点系泊系统是解决大、中型无动力船舶防台锚泊问题的有效途径,而实现防台系泊系统的关键之一是设计简易、实用、可靠的系缆技术.通过对系缆介质、系船环和系缆工艺等方面的综合论述,介绍一套适用于防台系泊系统的系缆技术.     

船舶交通动力系统安全突变研究

为揭示系统本质,建立船舶交通风险预控机制,基于突变理论对船舶交通系统的安全突变进行研究。首先定性分析了船舶交通系统的特性,并针对动态性与突变性特征,提出船舶交通系统的突变动力学研究方法,进而建立船舶交通动力系统安全突变模型,最后对系统的安全突变进行了定量的分析研究。     

FPSO串靠外输作业水动力耦合响应分析

FPSO与穿梭油轮串靠外输作业时两船体之间的相互作用较为复杂,基于多体水动力学方法对两浮体的运动响应进行分析.应用水动力学软件ANSYS-AQWA建立耦合响应分析模型,计算单点系泊FPSO与穿梭油轮之间的水动力影响.通过时域分析得到不同风浪流组合工况下系泊锚链与浮体之间系泊大缆的张力变化曲线,分析张力及大缆的变化特性,为串靠外输作业提供参考依据.