﻿ 风浪流联合作用下软钢臂系统的受力研究
 舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (11): 65-69,79 PDF

Studies of the loads of the single mooring system due to wind, current and waves
ZHENG Kai, LIN Zhe, SUN Lei, ZHENG Jin-tao
Dalian University of Technology, School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dalian 116000, China
Abstract: The ocean's environmental load is a complex and changeable, and the load imposed of mooring system depends on the ocean's environmental conditions. As a result, the security of mooring system is becoming important. Aiming at the design of the soft yoke single mooring system in Bohai Sea area, and based on the software AQWA, this thesis calculates the hydrodynamic parameter of ship based on the frequency, then concludes the analysis of the time-domain coupling dynamics of the mooring system. The thesis focus on the influences of the angles between wind, wave and current on the stress of mooring system to forecast the most dangerous load case, so that it can provides foundation for the subsequent strength and fatigue verification. Also, the thesis can provide reference for similar mooring systems.
Key words: soft yoke single mooring system     AQWA     angles     loads calculation
0 引言

1 计算方法和理论 1.1 计算流程

AQWA-LINE模块用于计算在船体周围由于波浪辐射和衍射作用而产生的波浪力，同时也可以求解出船舶的附加质量和附加阻尼。

AQWA-DRIFT模块通过调用AQWA-LINE结果文件中的幅值响应算子、附加质量、辐射阻尼等数据，计算在给定的随机风浪流条件下系泊系统以及船舶之间的受力随时间变化的情况。最后利用AQWA的后处理模块AGS读取分析结果。

1.2 理论基础

AQWA基于三维势流理论，不考虑粘性，假设为不可压缩的理想流体，因此整个流体可以用势函数来表示。并且速度势满足拉普拉斯方程，解出速度势$\phi$

 ${\nabla ^2}\phi = 0(\mathit{\boldsymbol{V}} = \nabla \phi ),$ (1)

 $\frac{{\partial \varphi }}{{\partial t}} + \frac{p}{\rho } + \frac{1}{2}{v^2} + gz = f\left( t \right),$ (2)

 $\phi = \varphi {e^{ - i\omega t}} = \left[{\left( {{\varphi _i} + {\varphi _d}} \right) + \sum\limits_{j = 1}^6 {{\varphi _j}} {x_j}} \right]{e^{ - i\omega t}},$ (3)

 $P = - \rho \frac{{\partial \varphi }}{{\partial t}},$ (4)

 ${F_j} = - \int {^P} {n_j}{\rm{d}}s,$ (5)

 $\mathit{\boldsymbol{M}}s\left( \omega \right)\dot X + \mathit{\boldsymbol{M}}\alpha \left( \omega \right)\dot X + C\left( \omega \right)\dot X + \mathit{\boldsymbol{K}}s\left( \omega \right)X = F\left( \omega \right),$ (6)

 $\begin{array}{*{20}{l}} \begin{array}{l} S\left( f \right) = {\beta _J}H_{1/3}^2T_p^{ - 4}{f^{ - 5}},\\ {\rm{exp}}\left[{ - 1.25{{({T_p}f)}^{ - 4}}} \right]{\gamma ^{exp[- \left( {{T_p}f - 1{)^2}/2{\sigma ^2}} \right)}} 。 \end{array} \end{array}$ (7)

2 单点系泊系统模型 2.1 船舶有限元模型

 图 1 单点系泊系统的水动力模型 Fig. 1 Hydrodynamic model of the tower soft yoke single mooring system
2.2 系泊系统参数

 图 2 系泊系统计算模型图 Fig. 2 Calculation model plan of the mooring system

1）软钢臂前端点和系泊塔架依靠扼头和转盘连接，使之能够绕系泊塔架单点处自由转动，所以在AQWA中将它们之间的连接方式简化为球铰；

2）软钢臂和左右系泊腿之间以及左右系泊腿和船舶支撑结构之间通过万向铰连接，释放3个方向的转动自由度，所以在AQWA中将万向铰的连接方式简化为球铰；

3）船舶支撑结构和船体之间采用刚性固定。

2.3 环境载荷

3 单点系泊系统频域分析

 图 3 静水自由衰减实验示意图 Fig. 3 Test methods for damping of the ship

3.1 船舶幅值响应算子

 图 4 船舶幅值响应RAO曲线 Fig. 4 Response amplitude operator of the ship

3.2 船舶附加质量

 图 5 船舶附加质量曲线 Fig. 5 Additional mass and additional inertia of the ship
3.3 船舶辐射阻尼

 图 6 辐射阻尼曲线 Fig. 6 Radiation damping of the ship
4 单点系泊系统时域分析

1）确保船舶和系泊系统不发生碰撞或者极限拉伸的情况；

2）确保系泊系统在运动中所受载荷满足强度和疲劳校核。

 图 7 不同海洋环境条件下的系泊系统应力曲线 Fig. 7 Stress of the mooring system due to diffent ocean environment conditions

1）在未发生极限拉伸或者碰撞的情况下，风浪流的方向夹角对系泊系统单点处的水平力影响很大，且最大受力值并非发生在180°风浪流同向的情况下，系泊系统单点水平受力情况大到小排序如下：工况2>工况4>工况1>工况5>工况6>工况3。

2）在未发生极限拉伸或者碰撞的情况下，风浪流的方向夹角对系泊系统单点处的垂向力和系泊腿轴向力影响很小，变化量均在10%以内。

3）在未发生极限拉伸或者碰撞的情况下，系泊系统单点处的水平力幅值和垂向力幅值的变化呈现正相关趋势，并且从6种工况的时域曲线图上可以发现，水平系泊力出现极大值的时刻和垂向系泊力出现极大值的时刻也相近。

4）工况5和工况6下的分析时域曲线图上可以发现，系泊系统单点处的水平力在刚开始的时候出现较大波动，主要原因是此时的系泊力无法和风浪流合力进行平衡，在风向标效应的作用下，船舶和系泊结构绕塔架发生旋转，使得单点处Y方向水平力出现较大波动，直至船舶处于一个相对平衡的状态后，此波动消失。

5 结语

 [1] 范模. 软刚臂单点系泊系统分析[J]. 中国海上油气(工程) , 1992, 4 (1) :29–33. FAN Mo. The analysis for soft yoke single point mooring system[J]. China Offshore oil and Gas (Engineering) , 1992, 4 (1) :29–33. [2] 李欣, 杨建民, 肖龙飞. FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析[J]. 中国造船 , 2005, 46 (S1) :141–148. LI Xin, YANG Jian-min, XIAO Long-fei. Dynamic analysis on the tower-yoke mooring system of FPSO[J]. Shipbuilding of China , 2005, 46 (S1) :141–148. [3] 李欣, 杨建民, 肖龙飞. FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析[J]. 中国造船 , 2005, 46 (S1) :141–148. LI Xin, YANG Jian-min, XIAO Long-fei. Dynamic analysis on the tower-yoke mooring system of FPSO[J]. Shipbuilding of China , 2005, 46 (S1) :141–148. [4] 李淑一, 王树青. 基于多体分析的浅水FPSO和水下软钢臂系泊系统运动特性研究[J]. 中国海洋大学学报 , 2011, 41 (9) :95–102. LI Shu-yi, WANG Shu-qing. Coupled dynamic analysis of FPSO and underwater soft yoke SPM based on multi-body simulation method[J]. Periodical of Ocean University of China , 2011, 41 (9) :95–102. [5] 陈光. FPSO软刚臂系泊系统运动分析及减振研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2012. CHEN Guang. Research on motion analysis and reduction of vibration of FPSO with soft yoke SPM system[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1012394708.htm [6] 陈光. FPSO软刚臂系泊系统运动分析及减振研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2012. CHEN Guang. Research on motion analysis and reduction of vibration of FPSO with soft yoke SPM system[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1012394708.htm