系泊浮箱运动稳定性影响因素分析superboost
汽车门把手罗若;刘祚秋;彭泽宇
【摘 要】对于水上系泊系统,系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响,有必要分析不同系泊方式对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响,揭示系泊方式对系泊系统的作用和影响机理.基于势流理论,结合大型水动力学软件AQWA,以一种简单的矩形浮箱式结构物为典型示例,根据浮箱基本参数及相关技术要求,考虑系泊半径、 预张力、 张开角度等影响系泊性能的主要因素,建立系泊系统动力分析计算模型.分析结果表明:随着缆绳系泊半径的增加,系泊半径对最大系泊力的影响逐渐减少;增加系泊缆的预张力能够有效减少浮体纵荡偏移,提高系泊系统工作的稳定性;增加系泊缆张开角度能够更好地抵抗横向环境载荷,提高平台定位能力. 【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2018(000)009
【总页数】8页(P42-48,90)
【关键词】系泊方式;系泊系统;浮箱;水动力分析
【作 者】罗若;刘祚秋;彭泽宇
【作者单位】中山大学工学院应用力学与工程学系,广东 广州510006;中山大学工学院应用力学与工程学系,广东 广州510006;江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏 南京211800
【正文语种】中 文
【中图分类】U656.6
自20世纪90年代以来，伴随着水运工程的不断发展，主体结构为浮箱式的各式装备和设施越来越多地应用于港口码头、跨海桥梁隧道、海上人工岛等近海工程设施的建设过程中。例如，以沉管隧道、码头浮箱基础、浮箱式防浪堤等为代表的各类基础设施[1]。与浮箱结构相配套的系泊系统对浮箱结构的正常安全工作起着至关重要的作用。就水上系泊系统而言，系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响[2]。因此，有必要分析系泊方式的变化对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响，研究和总结浮体结构不同系泊方式的特点、优缺点以及适合情况，提出并建立水上浮体系泊系统系泊方式的
选择依据和准则，为进一步选取最优的系泊方式提供指导意义。
目前，国内外对于单点系泊系统的系泊方式、系缆刚度确定、系泊力计算及其应用已经做了相应的研究，取得了一定的成果。马春青[3]用单点系泊系统，将油轮装卸的港口设施有效扩展到较深海域，缓解港口拥挤，降低了建设专用码头的成本，提高油品输送效率；冯俐[4]对单点系泊运动分析技术及其柔性立管系统的整体设计和分析技术进行整理，重点对单点系泊立管系统的结构形式、荷载特征、失效模式等进行研究；A.N.Simos[5]分析单点系泊系统受洋流影响的动态不稳定性，确定了影响整个系统的水动力参数，分析小扰动下这些参数的变化。由于多点系泊应用非常广泛，且作用机理相对更复杂，也逐渐引起了国内外研究者的关注。袁梦等[6]对于海上定位采用的系泊系统，采用时域有限元法建立缆索方程的数值模型，并以单点系泊和多点系泊的模拟比较为例；刘文玺[7]等在浮体和系泊系统的时域耦合分析中，研究并提出一种预报浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的分析技术；唐友刚等[8]总结深海系泊系统关键理论和技术研究的前沿问题，重点分析系泊系统非线性动力学问题的研究进展，并且提出了深海系泊系统需要深入研究的若干动力学问题；S.A.Mavrakos等[9]运用频域和时域分析方法研究水下钢缆的动力学响应，计算缆索的动态张力及运动，并且分析附着潜标对系泊缆的动力学特性的影响。可以看出，目前国
阳光天井内外学者集中于系泊计算方法、数值建模、环境参数敏感性分析等方面的研究。但对于多点系泊系统，由于其系泊方式多样化，浮体结构体形较大，容易受到风、浪、流的扰动，同时建模方式也并不统一，因此目前研究的深度和广度还比较欠缺。系泊方式是浮体结构受力及运动响应最为关键的影响因素，但是目前缺乏系统性的研究，特别是对于系泊点数、系缆布置形式等的影响作用，目前还鲜见相关报道。
本文基于势流理论结合水动力分析软件AQWA，应用非线性时域分析方法建立了系泊系统动力仿真分析模型，针对影响系泊性能的主要因素如系泊半径、缆绳预张力、缆绳张开角度、系泊点数、系泊布置形式，分别建立不同的分析模型，为工程设计提供依据。
1 理论基础
所谓势流，即不可压缩理想流体的无旋流动，势流理论在研究机翼升力、波浪力等方面均取得了令人满意的结果，所以势流理论在航空及海洋工程领域得到迅速发展。其速度势满足拉普拉斯方程，即：
2Φ(x,y,z,t)=0
(1)
解出速度势后，由方程:
v=φ
(2)
得到速度分布，根据拉格朗日方程(3)得到浮体表面的压力方程:
(3)
在线性理论中，不定常速度势可分解：
Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+
ΦR(x,y,z,t)
(4)
式中：ΦI为入射势；ΦD为绕射势，由于物体的存在而产生。其中，绕射势ΦD与辐射势ΦR合称为扰动势ΦP，即ΦD+ΦR=ΦP。
速度势Φ(x,y,z,t) 是一个非定常量且与时间有关，如果将时间因子分离出来，则得出一个只与空间位置有关的量φ(x,y,z,t)，称之为空间速度势，对其求解就变为了求解定常问题。
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Φ(x,y,z,t)=Re{Φ(x,y,z)e-iωt}
(5)
速度势Φ(x,y,z)也可以分解成入射势ΦI绕射势ΦD和辐射势ΦR，即
Φ(x,y,z)=ΦI(x,y,z)+ΦD(x,y,z)+ΦR(x,y,z)
(6)
在动坐标中，锚泊浮体时域运动方程为：
Fω(t)+Fwind+Fc+Fsn(t)+Fm(t)
(7)
式中：M和m分别为浮体广义质量阵、附加质量阵；K(t-τ)为系统的延迟函数阵；C为浮体的静水恢复力系数阵；Fω(t)为一阶波浪力；Fwind为风阻力；Fc为水流力；Fsn(t)为二阶波浪力，Fm(t) 为锚泊力。
目前规范上已有成熟的水流力、风力计算经验公式。
风力Fwind计算经验公式如下：
Fwind=0.5ρwAwCdwu2
(8)
式中：Fwind为风阻力；ρw为空气密度；Aw为迎风面积；u为管节与风的相对速度；Cdw为风阻力系数。
水流力Fc计算公式如下：
Fc=0.5ρcACCdcv2
变径套
(9)
式中：Fc为水流力；ρc为海水密度；AC为迎流面积；v为浮体与水流的相对速度；Cdc为水阻力系数。
对系泊系统是否能够安全可靠地工作，主要受力缆绳受力情况最为关键，因此选择其中受力最大的缆绳进行研究，主要考察不同系泊方式下主要受力缆系泊力最大值、平均值的变化情况。浮体遇到大位移、大载荷后能够在更短的时间内达到了稳定状态，系泊系统的相对稳定情况及受力均匀性也很重要。各根缆绳之间的受力均匀，增加了浮体在恶劣环境中的自持能力。多点系泊系统对系泊浮体有较强的束缚作用，浮体无法顺着外载荷较自由地移动，导致缆力大小分配不均。另外由于系统无法自身调节，一些缆绳的拉力角较大，产生很大的内耗缆力。
2 数值计算模型及基本参数
本文对一结构简单并具有典型代表意义的矩形浮箱式结构物系泊系统进行计算分析，其具体几何参数见图1，质量41 512 t，质量惯性矩Ixx=4.531 6×1010 kg·m2，Iyy=4.274 8×10
10 kg·m2，Izz=4.887 7×1010kg·m2。基于相关规范及文献[10-13]，计算时选用的基准水深设为45 m，基准系泊半径设为138 m，基准预张力为100 kN，考虑水深、风浪流等环境要素对系泊系统造成的影响，参考相关文献，结合我国南方海域典型环境条件，计算要素为水深45 m、 流向90°、流速0.4 m/s、浪向90°、周期4 s、浪高0.4 m、风向90°、风速13.8 m/s。
图1 浮箱计算实例的几何尺寸
系泊系统计算坐标系定义见图2，取浮体纵向方向为X轴，横向方向为Y轴，吃水方向为Z轴，以浮体尾部指向浮体头部、浮体左侧指向右侧、水底指向水面分别为X、Y、Z轴正向，风浪流方向角度是指风浪流传播方向与X轴逆时针方向的角度。
图2 系泊系统计算坐标系定义
基于上文建立的动力学分析理论及方法，结合大型水动力学软件AQWA，以矩形浮箱式结构物为典型示例，根据浮体基本参数及相关系泊技术要求，建立系泊系统动力分析计算模型，见图3。
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图3 数值计算模型
为了研究影响系泊性能的主要因素如系泊半径、缆绳预张力、缆绳张开角度、系泊点数、系泊布置形式，分别建立不同的分析模型，计算要素为：系泊半径138、148、158、168 m，预张力100、200、300、400 kN，张开角度35°、45°、55 °。
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