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深海单点系泊海洋气象浮标水动响应深海单点系泊海洋气象浮标水动响应摘要海洋中蕴含着丰富的资源,不仅包括非可再生的石油、天然气等能源,也包 含大量的可再生资源,如波浪能、太阳辐射能等。随着陆地资源的逐渐枯竭,对 海洋资源的开发早已成为时代热点,近年来人类的目光开始逐渐走向深海,因为 近海浅海的开发已不能满足人类发展的需求,由此带来的海洋环境问题也逐年突 出。深海气象浮标因其全天候、全天时稳定可靠获取深海海洋环境及资料的能力,寸深海资源的开发和海洋环境保护极具意义,因而其应用越来越广泛。深海气象 浮标工作环境相比一般海洋观测设施更加恶劣,为保证其工程作业顺利进行,对 其进行水动特性的研究具有重要的意义。本文基于国外大型商业水动分析软件OrcaFlex,通过建立2000m水深的 深海单点系泊气象浮标的简化数值模型,在动力学分析的基础上,分别计算了在 不同海况参数下,如海流速度、波浪方向,以及浮标系统不同结构参数下,如 spar浮标质量、中线浮标体积,浮标系统的水动响应特征,计算结果可以得到 气象浮标在实际工程作业中出现跑锚、走标、缆索发生断裂的海况条件以及浮标 系统的结构特征。我们通过不同海况及结构参数下的数值模拟计算结果,在气象浮标实际作业 过程中,能够对该浮标工程作业的海况提出些建议,在对浮标系统进行结构设 计时,能够分别给出spar浮标质量和中线浮标体积的最佳的质量和体积设计范 围。我们还考虑到了该气象浮标在某些特别恶劣的海况条件下工程作业时,为防 止浮标系统在工作中出现跑锚、走标、缆索发生断裂,在spar浮标质量与中线 浮标体积最佳设计范围内,如何进改进。研究成果能够给气象浮标的实际工程 作业提供相关的建议,并提供一定的指导。关键词:深海气象浮标,单点系泊,动力学分析,OrcaFlex,海况及结构参数II万方数据宁波大学硕士专业学位论文Hydrodynamic response of the single point mooring metocean buoy in deep seaAbstractThe ocean contains rich resources,not only including non renewable,such as oil,natural gas and other energy,but also a large number of renewable resources,such as wave energy,solar radiation and so on.As the land resource depletion,nowadays,the deep sea exploitation is paid more and more attention by human beings,because the development of ofehore shallow sea can not meet the needs of human development.Since then,the marine environmental problems is becoming more and more serious.Due to its ability of all-weather and all-day stable and reliable access to deep-sea marine environmental data,extremely significance for the development of deep sea resources,the metocean buoy is used more and more widely.The working environment of deep-sea metocean buoy is more severe than that of general ocean observation facilities.In order to ensure it can work smoothly,the study on its hydrodynamic characteristics is of great significance.Based on the foreign commercial and hydrodynamic software OrcaFlex.the model of the single point metocean buoy in deep sea at 2000m depth was established.On the basis of dynamic analysis,with the change of buoy system parameters and some sea condition parameters,such as the current speed,the wave direction,the spar mass,the mid-line volume.The dynamic reponse of metocean buoy can be calculated.The sea conditions and the structural characteristics of the buoy are calculated when the metocean breakage,such as running anchor,the buoy running away and cable breaks.Some optimized design ideas for the buoy system and some suggestions for its work conditions can be provided by the numerical simulation results.The optimal design range can be given when the quality of spar buoy and the volume of mid-line buoy are designed by the actual calculation results.Whats more,it can also propose the best design idea within the optimal design of spar buoy and the volume of mid-line buoy while the sea conditions are especially bad in order to avoid the buoy system failure,such as running anchor,the buoy running away and cable breaks.Some guidance has been given to improve the buoy system for its practical application and production design by the research results.hi万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应Keywords:metocean buoy in deep sea,single point mooring,dynamic analysis,OrcaFlex,sea condition and buoy system parametersIV万方数据宁波大学硕士专业学位论文目 录!绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 国内外深海气象浮标的发展现状.21.3 本文研究的主要内容.52单点系泊浮标系统的静力学分析及动力学分析.72.1 单点系泊的介绍.72.2 单点系泊系统的力学分析.72.3 单点系泊浮标系统的静力学分析.72.3.1 水上浮标的受力分析.82.3.2 海洋缆索的受力分析.92.3.3 锚的受分析.102.4 深海单点系泊气象浮标系统动力学计算理论.112.4.1 柔软分段理论.112.4.2 外界水动载荷的计算.122.4.3 S段静平衡关系.132.4.4 集中质量法解析.142.5 本章小结.183深海气象浮标系统在OrcaFlex中建立及建模理论.193.1O RCAFLEX 软件介绍.193.2气 象浮标水动简化模型.193.2.1模 型参数.203.2.2环 境参数.223.3理 论的选取.223.3.1 6D浮标理论.223.3.2波 浪理论.233.3.3线 性波理论.233.3.4风 及流载荷理论.253.3.5冯 氏应准则.273.3.6海 床理论.273.3.7 Spar浮标在OrcaFlex中运动方程及影响因素.293.4本 章小结.324深海气象浮标水动计算结果分析.33万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应4.1 海洋流速对浮标系统的水动特性的影响.334.2 波浪方向对气象浮标系统的水动特性的影响.374.3 Spar浮标质量寸浮标系统的水动特性的影响.424.4 中线浮标体积对浮标系统的水动特性的影响.464.5 本章小结.515总结与展望.525.1 总结.525.2 展望.53参考文献.54附录.57在学研究成果.59致 谢.60万方数据宁波大学硕士专业学位论文1绪论1.!研究背景及意义世界对石油和天然气的需求仍在增长,新能源仍无法取代它们,尤其是金砖四国经 济发展的现状,从早期的海洋石油和天然气开始勘探开发中,使用的海洋平台直接放在 上面浅水区的海床已经完全饱和。随着勘探工作正在向深水区域推进,需要更先进的技 术,寸深海远洋资源的开发近几年也开始逐年增快,我们对海洋的油气资源实际使用只 占有总产量的30%左右,而目前可供我们人类开发的陆地油气资源却占不到油气总储量 的三分之一,但却提供了总产量的70%。因此加快对海洋油气资源的开发迫在眉睫,否 则未来陆地油气资源供应紧张的局面将会更加严重,很多人认为海洋能源除了海洋石 油,天然气以外别无其他,其实海洋能源除了石油天然气这些非可再生能源,还包括可 再生能源(MRE),如海洋的波浪、水流、温度和盐度,太阳辐射和月球潮汐力以及其他 天体。还包括波、潮汐、潮流、海洋热、盐度梯度能量中国正面临着能源需求供 应紧张的持续挑战,以目前的速度,到2020年,将至少达到40亿吨标准煤。在世界范 围内,温室气体排放的最大贡献者还是美国,因为其对化石燃料等一次性能源的消费仍 占主导地位,陆地资源以及传统能源面临着相当大的短缺风险,因为其储量是有限的。为了解决这些问题,中国政府采取积极的政策应对能源短缺的问题,第一阶段目标是到 2020年能源的年消费量将达到标准煤7.4亿吨以及非化石能源比重占一次能源消耗的比 重2030将达到20%c6-7o无论是在中国还是在世界范围内,不管是经济还是社会发展的 需要,迫切改变能源短缺现状,对开发和利用深海非可再生和可再生能源都迫在眉睫,我国能源业的发展未来必将走向深海,但长期以来,由于西方国家的技术的封锁,很 多关键的核心的技术我们并没有掌握,都需要从其他国家引进,这使得我国在对海洋资 源的开发过程中束手束脚,我国拥有黄海、南海、东海、渤海及其漫长的海岸线,具有 丰富的海洋资源,这些都为我国开发海洋能源创造了得天独厚的优势,但是实际对这些 资源的利用目前只是冰山一角,以前因为技术的限制我国对海洋能源的开发都只是点到 为止。随着世界经济的持续增长,世界人口的不断增长、资源的匮乏和环境污染的问题越 来越严重,我们将目光逐渐由大陆转向了深海,很多时候我们虽然说开发海洋,但是并 没有真正的了解大海。正确认识海洋,了解大海,把握好海洋环境的变化,如气象的变 化等越来越受到世界各国的重视,这些重视伴随着各种海洋技术的发展。正确把握好海 洋环境气候等变化至关重要,首先从海洋资源开发方面,了解所开发的海洋区域的水文 气象的大致规律,掌握水文气象的常规参数,对海洋资源的开发十分有必要的,如果把 握不好,可能对各种开发海洋平台,勘探船等海洋装备产生破坏,轻则造成难以估计的、不可挽冋的经济损失,重则会造成人员伤亡。一方面这些海洋环境气候信息是海洋开发 必须具备的条件,另一方面也是保护海洋环境所需要的重要参考资料。近几十年来,环 1万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应境问题早已成为全球性的问题,很多人只知道陆地环境存在破坏,殊不知海洋环境问题 当前十分严峻,对于海洋气象数据的把握,能够比较准确把握当地海洋环境的变化,从 而去合理改善海洋环境。在以上种种情况影响下,海洋气象浮标应运而生,它不仅仅只 用于获取海洋表面的水文参数和洋面气象参数,也可以对某片海域的整个生态环境、海 水的物理化学特性等进行系列的监测,而这一点是常规的海岸观测站和海洋调查船不 能实现的,因此海洋气象浮标的应用更加广泛。另方面随着世界各国的对深海的勘探 和发展,人类在海洋的活动逐年增多,近几年来发生的海洋地质灾害不计其数,海洋环 境也不断的遭到破坏,而这种破坏早已不仅仅是近海、浅海区域,目前逐渐延伸至更远 更广阔的深海领域,些海洋生物生存面临着极大的威胁等这些情况。深海气象浮标因 可以探测,观察更深更广阔的海洋环境,应用也越来越广泛,但深海气象浮标与一般的 海洋浮标工作环境不一样,其面临的工作环境更加恶劣、复杂,因而其浮标系统在受到 破坏会比一般海洋浮标更加严重。正因为浮标系统在工程作业过程中会受到各种外界载 荷（风浪流等）及力矩的作用,对深海浮标工作环境把握不准确或者设计的不够仔细,都 会对浮标的工程作业的顺利进行极其不利,因而对浮标系统进行动力学响应的研究,保 证浮标工程作业顺利进行,对能源开发安全性极具意义。一旦浮标系统受到破坏,就不 能实现对海洋环境的准确检测,资源的勘探等,这样人类对海洋资源的开发也无从谈起,海洋环境的破坏的问题也会越来越严重,因而对深海气象浮标系统进行水动分析就显 得尤为必要了,这为深海浮标正常高效的工作提供了保障,也为人类对海洋资源的开发 提供了保障,为人类走向深蓝开辟了一片天地。1.2 国内外深海气象浮标的发展现状海洋浮标技术发展起步是比较晚的,它是伴随着其他的海洋科学技术的发展,因为 传统的海洋技术已经不能满足人类发展的需求。在原来的海洋技术上,海洋浮标技术逐 渐发展起来,它也可以认为是种海洋气象环境勘测技术。世界范围内浮标技术发展始 于上世纪40年代,但是真正将海洋浮标技术应用于海洋资源开发这块是从上世纪80年 代开始。我国发展的更晩,从20世纪60年代开始有了对海洋浮标的研制,而这个发 展过程又有两个阶段。测试阶段是在1985年以前,局限于当时的科技水平及业发展还 比较滞后的现状,这个阶段主要只是一些简单的技术测试,浮标研制工作进行的还是比 较缓慢。我国浮标技术发展真正取得了巨大进展是在1984年,在当时大的技术环境下,三个中型圆盘形海洋资料浮标、HFB-!型、南浮1号和科浮2号网,雨后春笋般涌现出 来,这表明我们当时浮标技术已经取得了重大突破,也为我国当时深海开发作出了巨大 的贡献,取得了很多真贵的资料,虽然在世界范围来看技术还不够先进,但是这为后来 我国海洋浮标技术的发展阶段打下了牢固的基础。第二阶段:发展阶段,是从1985年到 当代,由于我国综合国力及科学技术的不断进步,对海洋资源的需求也不断的增多,和 预防海洋地质灾害的需要,进步促进了我国浮标事业的发展。并且在当时为了响应建 2万方数据宁波大学硕士专业学位论文设国家海洋资料浮标网的号召,我国开始了研制小型海洋浮标、大型海洋浮标的步伐,近几年人们将目光转向了更广阔的深海,从1986年开始,我国也开始了对深海浮标的 研制,这为海洋浮标事业的发展的创造了更加美好的前景。海洋气象浮标根据其自身结 构的特点可分为水上和水下两个部分,水上部分通常是些传感器构成,形状有圆柱 形也有的是圆盘形等,它能够在水面上不停的运动,实时观测。浮标的品种繁多,根据 是否有固定的装置分为锚定型和漂流型两种。本文所研究的海洋气象浮标就属于锚定型 浮标的种,这里采取锚定方式的原因是它需要获取某区域长时间的稳定的数据,所 以一般采取锚定型,后者主要有一些漂流浮标和各种小型漂流器等。长时间以来国内外 海洋工程领域相关专家对于各类浮标研究探讨有很多。但主要还是集中于浮标自身的探 测系统、供电系统等这块,比如会考虑到浮标工作过程中探测信息的准确性问题,浮标 长时间工作能量供应问题等,但是对于浮标系泊系统及其水动特性研究并不是随着浮 标研制技术一起发展的,考虑到气象浮标复杂的工作环境,尤其是深海浮标,在恶劣的 海洋环境下,会受到各种风浪流载荷（矩）的作用,要保证其长时间正常稳定的工作,保 证其缆线不发生断裂、不跑锚、走标等n”对其动力学的研究从上世纪末开始逐渐受到 专家学者们的重视。一般对类似海洋管线、缆索等进行动力学分析时,海洋工程界认为 其是具有挠性的结构部件,在进行计算时认为它们是不承受剪应,也不会传递扭矩。因而计算分析过程中只计算缆索轴向张、环境载荷（风、浪、流）作用、缆索上组件的 受力以及整个系统的耦合动态响应。根据实际情况,计算方法可分为静法和动法两 种。静法对系统受到的惯性忽略不计,通常采用悬链线法Um,但是海洋环境无时 无刻的不在发生着变化,海浪、海流运动的并不是按着一定的规则,缆索的几何形状非 线性等,这样导致作用在缆索上的载荷及其动态响应一般表现比较复杂的非线性动力学 问题 所以只采用静力学分析还不够,对浮标系泊系统及其缆索动力学分析,近几年 来也引起许多国内外学者的兴趣,他们为研究浮标系统及其缆索的动力学响应,寸此进 行了大量数值模拟和实验研究,得到的研究成果也大大促进了其动力学的发展。由于缆 索材料的非线性、外界载荷的时变性,直接从理论上对缆索系统动力学进行计算还比较 困难。朱克强等老师14-18提出将水下缆索看成是由有限个质量不计且不可伸长的线性分 段,即海洋缆一体系统的三维模型,采用凝集质量法回的思路,在时域范围内図进行 动态性能的分析,每个分段都会产生两个节点,然后对每个节点进行分析,杨冰卡阳 在朱克强教授的研究成果的基础上对凝集质量法进行了大量的总结与扩展。王磊阳基于单点系泊系统的离散模型,利用迭代方程求解方法求出了各个节点的稳 态位置,并计算出了每段缆索受到的张,获取了系统的工作姿态及缆索张力分布情况。陈小红回教授提出将锚链动方程线性化的方式,在浮标静力学26计算基础上,采 用国外提出的三维势流理论计算程序对波浪力,附加质量（矩）和阻进行计算。3万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应缪泉明回教授也是应用了三维势流理论计算程序对自由浮标体的附加阻尼系数、附 加质量系数以及运动响应做出了大量的计算分析,并且他在原来的基础上提出了运用卡 明斯六自由度运动计算方程来模拟了极限海况下浮标动态响应特征,并取得了理想的成 果。吴家喜倒在经过多次对浮标锚系的受情况进行分析计算后,推导出了锚系曲线方 程,由此得出了浮标锚系的长度与受之间的数学关系。据此,吴老师对锚系在实际 程作业中出现的问题提出了良好的解决方法,骆寒冰网在时域范围内对浮标进行动态性能的分析,老师通过模型试验的方法,在 拖曳水池中对某单锚链3m浮标进行了大量的实验探究。他在进行实验过程中选择的波 浪是规则波,分别在有锚链系统和没有锚链系统两种情况下进行了试验,得到了浮标的 垂荡、横摇运动响应,并根据相关数据得到了对应的响应曲线。从而也得到了浮标锚链 张的响应情况。宋秋红30教授应用流体软件Fluent,模拟船型海洋渔业监测浮标在风浪作用情况下 的受情况。他们在试验过程中主要采用了流体体积模型（VOF）方法,并由仿真结果提 出了浮标结构改进方法,从而能够提高浮标体在海面上保持长期的稳定性。曲少春刈对在波浪中受到力（矩）,及浮标本身的转动惯量的影响下,根据圆柱 形浮标运动的特性,得到了一种系统传输函数模型。并通过了一些相关的实验,最终通 过函数计算再结合实验的数据,认为浮标重力、设计尺寸等因素会对浮标运动的产生影 响,他们由此对圆柱形通信浮标的设计方法提出了很多改进意见,因此也有效地提高 了圆柱形浮标的工程作业稳定性。王浩田针对适用于我国南海3000米海域的浮标情况,基于Hydrostar软件对浮标进 行水动分析计算,并在此基础上计结合APIRP2SK规范,寸深海浮标总体设计进行 了计算,最终提出套比较合适的设计方案。孙辰阳以孟加拉湾安达曼3000m水深的小型深海资料浮标-“白龙”为研究对象,通过浮标设计、仿真分析及实验测试等手段,完成一款性能较为理想的深海浮标的研制 工作。秦成四进行了一种拖曳式浮标的总体设计,并进行了仿真建模和分析,并推导出浮 标六自由度下动力学方程,仿真分析结果表明,在设计海况条件下,拖曳式浮标的稳定 性满足要求。朱玲阳针对中国短周期波浪海况的特点,对15种不同形状、浮标重量、形状参量 况中浮标体基于水动分析软件AQWA进行了计算,计算结果表明:在外界环境载荷相 同的条件下,平底柱形浮子!-3的随波性能较其它况中浮子为好。Russell.利用悬链线的方程的计算方法,对缆索组成的系泊系统进行了静力分析,将原来的静计算问题转化成一个多自由度的多项式方程来进行求解,然后利用计算机 4万方数据宁波大学硕士专业学位论文计算进行快速处理,也达到了单点系泊动特性研究的预期目的。MavrkosE同时在频域范围内和时域范围内的分析方法对深水缆索进行了动态分 析,得到水下缆索的动态张响应和运动方程,并且分析了水下缆索附着潜标时,系泊 缆索的动力学响应特征。Sarke/8在频域范围内进行了分析,他针对的是单点系泊方式的海洋平台在非定常 运动时,计算分析系泊缆动力学特征,对系泊缆索进行了线性化处理,过程中研究了水 流速度对拖曳力的影响以及海底摩擦阻尼效应。Tjavaras139基于质量模型建立了一组微分方程组来描述水下缆索的动态特征,在对 微分方程组进行求解时,利用有限差分法和隐式数值积分方法进行求解,大大的简便了 计算,通过仿真分析,研究了海洋管线发生断裂响应的主要外界影响因素和近水面潜标 在波浪激励下的动力学响应及稳态分析。1.3 本文研究的主要内容深海浮标的工作环境极为复杂,长期受到各种载荷（矩）的作用,海洋气象浮标作 为种现代化的海洋观测设施,要保证其长期稳定的在复杂的海域工作,对其动特性 的研究至关重要,前人的研究比较多的集中于浮标整体系统结构进行优化设计,而对浮 标自身结构的优化设计也是比较集中于系泊系统,锚泊系统等,而对于海洋浮标工程作 业过程中工况、布放环境的选取、浮标自身局部的结构优化设计研究却很少,本文通过 数值仿真的方法,利用国外大型海洋工程软件OrcaFlex建立深海气象浮标的理论简化模 型,该气象浮标采取的系泊方式为单点系泊,通过建立初始2000米水深的深海单点系 统海洋气象浮标的数值模型,在改变不同海况条件下,如海流速度、浪向等环境参数,对在深海作业的气象浮标进行水动特性的分析,以及对浮标自身结构参数进行定的 改变,得到不同结构参数下,深海浮标的水动响应特征,给深海气象浮标实际工程作 业的海况以及浮标系统结构优化设计进行定的指导,并能给出相关的建议。本文详细 内容如下:第一章,深海气象浮标的研究背景及意义,较为详细的介绍了国内外浮标技术以及 水动力学研究现状,重点介绍了国内寸海洋气象浮标水动研究进程的发展。第二章,主要介绍浮标所采用的单点系泊系统锚泊方式,并对单点系泊方式在静力 学和动力学基础上进行了一定的分析,分别在静力学分析了浮标受力,缆索受,锚的 受力,并通过柔性分段理论以及集中质量法的思路对本文中浮标系统动力学计算所使用 的理论进行了分析。第三章,基于国外大型商业水动力学分析软件建立了初始2000米水深的深海气象 浮标模型,并详细介绍了模型建立的各种参数的选取,以及模型能够实现的各种理论的 介绍,浮标的运动方程及影响因子等。5万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应第四章,结合我国某海域实际情况以及浮标数据表上的相关数据。分析比较不同参 数,如海况参数、气象浮标结构参数,通过数值模拟计算,得到了不同海况条件及浮标 系统不同结构特征下,气象浮标系统的动响应特性。主要包括水上浮标、系泊缆索、锚地端的水动响应特征。第五章,总结及展望,寸上文所研究的成果进行归纳与总结,并进行定的展望,为后续可能的研究提供一定的思路,并说明一些不足6万方数据宁波大学硕士专业学位论文2单点系泊浮标系统的静力学分析及动力学分析2.!单点系泊的介绍常见的系泊方式有单点系泊和多点系泊,单点系泊是相对于多点系泊而言的,通常 情况下我们定义多点系泊是在海上设置多个浮筒,便于船舶进行停靠和装卸作业。广义 来讲是指在海上提供多个点来约束海洋结构物的种方式。对于单点系泊而言,就是指 海洋结构物以单点的形式系留在另个固定式或者浮式结构物上,单点系泊系统因其结 构简单、经济效益高、方向性良好,成本相对多点系泊方式更加低廉,目前应用的最广 泛。海洋工程中应用比较广泛的单点系泊系统如下图1所示,从左至右依次为单点系泊 油轮、单点系泊浮/潜标观测系统、单点系泊网箱养殖系统等。图1常见的单点系泊系统Fig.l The common single point mooring system2.2 单点系泊系统的力学分析有上面的相关背景介绍以及相关文献的记录,可以发现单点系泊系统结构简单,但 是因为其工作条件十分的恶劣,其系泊系统极易受到破坏,在各种环境载荷作用下,如 何保证其系泊系统进行长期稳定的工作,对其进行力学分析十分必要,在对系泊缆索进 行计算分析时,因为海洋缆索本质上也是种海洋管线,对于一般的海洋管线在进行动 分析时都可假定他们为具有挠性特征的部件,不会承受剪应,也不会传递弯矩,因 而我们在浮标系泊缆索进行力学分析时只需要考虑轴向张、环境载荷作用、缆上部件 受力以及整个系统的风浪流等载荷作用下的耦合动态响应。目前常见的计算方法分为静 力学和动力学两种方法。2.3 单点系泊浮标系统的静力学分析对单点系泊系统而言,静力学分析主要用于计算系泊缆索的张,对于深海海洋浮 标来说,需要计算的更加详细,在对系泊缆索进行静力学分析时,一般需要对系泊结构 物进行必要的物理性质的简化和假设,忽略一些无关紧要的条件,具体如下:7万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应(1)在进行静分析时,波浪的作用是时域变化的,因而可不考虑,一般进行计算时 可忽略波浪载荷对系泊系统载荷的影响;(2)认为海流方向是维的,即只在水平上有速度分量,垂直方向速度为0,将分析模 型简化为维问题;(3)缆索为挠性结构物,即不承受剪应,也不传递扭矩。静力学模型的受力分析图2.1静力学坐标系Fig.2.1 Static coordinate system对单点系泊系统进行静力分析时上坐标系图如上,以水平面作X轴,以水上浮标的中心 作为原点。,并沿着垂直水平面的方向作y轴,以X轴右边作为X轴的正方向,y轴向 上作为y轴的正方向。2.3.I 水上浮标的受力分析以下图所示浮标为例,假设水流方向沿X轴负方向,认为水流在垂直方向无分量,浮标的重力为方向水平向下,受到的浮力为Bi,方向沿y轴正方向,缆索的张 为方向斜向下,与水平方向的夹角为仇,假设浮标质量为mi。图2.2浮标受分析图Fig.2.2 The force analysis of buoy8万方数据宁波大学硕士专业学位论文浮标重力:GI=mI g(2.1)浮标的浮力与浮标自身排开的流体体积有关,一般水上浮标不是完全规则的形状,所以在垂直方向上,浮标的横截面积不一致,假设流体的密度为,纵向横截面为,对于圆柱形浮标,如果其直径为D,则七=(。2,对于球形浮标,其半径为L则 A=(),浮标浮力当可表示为:BI=PwgVy=pwg Aydy(2.2)水动阻Fdi,水动阻系数Cdi,浮标水平方向的速度,浮标在水平方向 的浸湿面积有如下关系:FDI=PDl AxUxUx(2.3)2.3.2 海洋缆索的受分析可将缆索分为连续的N段,第一段起点为第一个节点,可取第k-1个节点和第k个 节点这微段缆索进行计算分析,如果第k个节点受到的水动阻Fdi,重力为Gk。浮力为Bk,第k个节点缆索张为Tk,第k-1个节点缆索张为Tk。图2.3缆索受分析平衡图Fig.2.3 The schematic diagra of cable force balance9万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应Gk=mkg(2.4)缆索同一般的海洋管线类似,可看成细长圆柱体,假设其直径为D,第K个节点所 在缆索的长度为Lk,由此可得浮力Bk：Bk=pwgVp 冷 2(2.5)水动阻Fdi表示如下:Fdi=Pwdi AxkUwkUwk(2.6)上式中Cdi表示流体在第k段缆索处阻系数,为缆索沿水平方向浸湿面积,表示流体在第k个节点处的速度,如果第k-1个节点处缆索张的方向与水平方向 夹角为9k-i,第k个节点缆索张与水平方向夹角为9,由缆索由静平衡可知:水平方向:用-Q+如sin4，sin 4=0(2.7)竖直方向:q_isin4_+/_qsin4=0(2.8)如果已知Tk/,0k_b Bk,Gk已知,则可根据以上静力平衡方程就可求出第k个节点 处缆索张Tko2.3.3 锚的受力分析锚一般附着在海底,其受到自身重力G,浮力B,海底摩擦f,水动阻Fd，以及与它相连的缆索张T。假设锚的质量为m,则6=冲,体积为V,则=,流体对锚的水动阻系数为Cd,锚与海底库伦摩擦系数为,海底对锚的支持力为 F,锚与海底间的摩擦为：/V4尸,锚在海底沿水平方向浸湿面积为A,水动阻 FD=pCDAuU,缆索张与水平方向夹角为9,海底水流速度为U,一般海底水流速 度可视为,因而其水动阻Fd=o,同理由静平衡,可得方程:水平方向:+Teos8 7=0(2.9)10万方数据宁波大学硕士专业学位论文竖直方向:Tsmd+B+F-G=G(2.10)公式(2.9),(2.10)说明的是锚在平衡状态下受力情况,如果，V不成立,即存在FD+T cos 0juF,说明浮标系统可能会出现跑锚的现象。图2.4锚的受分析图Fig.2.4 The force analysis of anchorge2.4深海单点系泊气象浮标系统动力学计算理论2.4.1 柔软分段理论对于细长的海洋缆索可以是任何形状的,但为了简化问题,假设无外载荷作用在缆 索上时,缆索为长圆柱形,且直径远小于长度。当缆索被浮标拖拽或移动时,如图2.5 所示,被气象浮标拖拽的细长圆柱体具有较大的弯曲变形。在通常情况下,底部(本文 中OrcaFlex建立的气象浮标模型称为锚地端)被连接到细长体的下端。本文中进行动 学分析时,将缆索视为柔软的分段模型“。1如图2.6和2.7所示。在图2.6中,细长圆 柱体被离散成口个柔性段,可分別用Si、S2、y、Sn表示。这样分段的结果会产生n+1 个节点,可分别用N1、N2.Nn,Nn+l表示,N1表示第一个节点,Nn+1表示最后一个节 点。细长的圆柱体在外力作用下会发生变形。变形包括横向变形和轴向伸长,分别是通 过弯矩和轴向拉力引起的。为了说明这变形,我们以&段为研究对象,因Si段的实 际变形很小,在对Si段进行分析时,我们可对它进行放大,对于Si段,两端可分别用 Ni和Ni+1表示,Si段中点为Ci。一般寸Si段进行水动分析时,可建立局部坐标系,如 图2.7所示,作用在段上水动可假设作用于段中点G处。11万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应图2.5细长柔软分段理论Fig 2.5 Flexible Segment Model for slender body图2.6细长柱体的简化图Fig 2.6 The Simplified diagram of slender body图2Si段放大图Fig2.7 The Enlarge figure of Si2.4.2 外界水动载荷的计算本文在对浮标系统的锚泊线进行动力学分析时,将它看成一般的海洋细长柔性柱 体,其周围的流场复杂多变,学术界一般基于纳维斯托克斯方程或者离散涡模型DVM 的CFD数值模拟的方法来计算水动载荷,但是这种计算方法缺乏经济效益,一般综 合考虑来说的话。可忽略斡旋载荷的作用,一般采用半经验的莫里森方程来计算外界水 动载荷,根据上述柔性分段理论,以S段进行分析,外界水动载荷巳有如下数学 关系式:F1.i=Fnrl.i+月 1/(2.11)12万方数据宁波大学硕士专业学位论文其中丹山和分别表示为已在法向和切向的水动，并且它们都垂直轴工小二0-5GP4（V刖）除“广|+54Pg（孰1）4,（2.121九二。.5C/P4,”,匕）除M（2.131上式中Cd和Cm分別表示拖曳系数和惯性系数,d。表示S段外径,V和匕分別表 示段细长柱体速度为.在法向和切向的速度,它们都垂直于轴。计算方法分别如下:(2.14)Un=Uc,i+Uc-Ut-dRldt(2.15)2.4.3 S段静平衡关系上文中认为缆索结构物为光滑、在外力（弯矩）可发生的变形的柔性构件。考虑到 微段圆截面管线受到的外部载荷,以S段为例,可列出s段缆索静平衡和弯矩平衡 关系式:dT dV d2R(2.16)式”:,)Vx(4m4)+V%=(2.17)上式中为弯矩向量,，为扭转向量,T为有效张,这三个量分别与弯曲刚度EL 扭转刚度GIp,轴向刚度EA有关,并且他们之间有如下数学关系:13万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应T=EAs(2-18)MEI运驾ds ds 其中8为应变量,通过计算可以发现扭转向量J和分布载荷q存在如下数学关系8J/ds qx=0 此(2-19)244集中质量法解析集中质量法求解外界水动载荷思路和柔性分段理论相似,即任何的外部水动载 荷都视为集中作用在个节点上。本文中OrcaFlex建立的浮标锚泊线计算模型正是基于 凝集质量法的思路建立的。节点1图2.8集中质量法示意图Fig.2.8 The schematic diagram of lump-mass method真实的海洋锚泊线集中质量法模型基于集中质量法,上述方程式(2.16),(2.17)可写成如下关系式:/”+)+而/此V=-q dsc(2.20)14万方数据宁波大学硕士专业学位论文T dR、T(嬴)=%M=EI9d2R/ds2=EItk ds/(2.21)(2.22)对于方程（2.18）可继续化解为：（四左+1 _ mJ+;+=-Qk博ek(2.23)将方程（2.18）,（2.19）代入方程式（2.21）可得:/+1（+1）/（J I厶+也+-1-）2厶+匕=一%(2.24)上式可继续化简可得方程:X k Nsg(k+)Ns品 Kg(2.25)将上述方程式乘以向量九可得到如下方程式:X（义+丿 EI义（）十村X%X（左+1）X+xVx=x(2.26)又因为有如下关系式:x（hh）=-则有:As必A%（左+1）As灰 刀+x/=匕(2.27)15万方数据深海单点系泊海洋气象浮标水动响应经过数值模拟并分析后,若以k表示某个节点,现以管线上第i个节点来进行分析,结合静分析及动分析相关方程式,可得到管线第i个节点的运动方程表达式:MAi r=Tm%+心(2.28)其中第i个节点的有效张T&、弯矩MQ水动阻,、运动速度Vi分别可表示为:Tei=EAqM(2.29)%.=巾+Q 1)2,42 cj 0)(2.30)f叫。.54Ji+03.,以.，+，”叫）+:40。叱-）4y _ 七丄（i+l&X（1 X（，+D）_ 屋 X（J.1 X%）+X,+1）心宀 加(2.31)(2.32)根据数学中向量关系式:XX雪）=&X1据=嗝（印）+4+1 ）可令:（,力）Sesam-DeepCo OrcaFlex是有位于英 国Ulverston的Orcina公司创建的,该公司主要提供海洋工程结构及水动相关项目的 咨询,OrcaFlex是款世界领先的水动分析软件,其应用领域非常广泛,目前主要应 用于海洋工程学、地震防