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风浪耦合作用下超大型 船舶单点浮筒系泊系统受力分析法

阅读：875发布：2020-05-12

专利汇可以提供风浪耦合作用下超大型船舶单点浮筒系泊系统受力分析法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明为风浪耦合作用下超大型船舶单点浮筒系泊系统受力分析法，提出适合超大型船舶的单点浮筒防台系泊系统系泊力数学模型，对台风环境下非定常运动受力状态进行辨识建模，并对船舶在无动力及台风环境干扰作用下的受力运动进行数学仿真试验和实测验证。通过单点系泊船模在风、流、浪作用下的船舶运动物理模型试验，为数学模型辨识建模提供所需的输入输出数据；通过研究船舶-浮筒运动规律，基于悬链线和二次抛物线理论，推导浮筒式防台单点系泊系统系泊曲线，并分析各组成部分对系泊曲线的影响，解决单点浮筒防台系泊系统设计的关键技术难题。，下面是风浪耦合作用下超大型船舶单点浮筒系泊系统受力分析法专利的具体信息内容。

权利要求

1.风浪耦合作用下超大型船舶单点浮筒系泊系统受力分析法，其特征在于：构建单点系泊和双点系泊数学模型，根据设计风速、设计流速、设计波浪和设计船型等设计条件，在系泊系统中各种设计工况组合下，分析船舶的可能的运动状态；并确定船舶在最不利状态下，作用在船上的风荷载、水流力、波浪力以及由其组合而取得的系缆力和相应的锚链；通过锚链力的实测，与数学模型进行比对，确定单点系泊和双点系泊数学模型计算的科学性和合理性。
2.根据权利要求1所述的受力分析法，其特征在于：所述的数学模型确定风对船体作用力、流对船体作用力、波浪力的作用、海底作用力、船舶系缆力、船舶撞击力以及冲击载荷。
3.根据权利要求1所述的受力分析法，其特征在于：所述的单点系泊和双点系泊方式主要由浮筒、锚链和锚碇组成，单点系泊和双点系泊数学模型涉及以下基本力学模型：船舶风流作用力和系泊力模型；浮筒的垂向受力模型；浮筒的水平恢复力模型；锚碇受力模型。

说明书全文

风浪耦合作用下超大型 船舶单点浮筒系泊系统受力分析法

技术领域

[0001] 本发明涉及防台单点浮筒系泊领域，特别涉及超大型船舶的防台浮筒式风单点系泊设施的配置。

背景技术

[0002] 1991年颁布的国家军队标准《防风系船水鼓》(GJB1119.91)对军用单点浮筒防台系泊系统的设计和使用作了规定，但由于理论缺憾和适用性差，特别是针对超大型船舶的适用性差的原因一直未能得到推广使用，致使我国针对大型和超大型船舶的防台浮筒式风单点系泊设施的配置一直处于不适应的局面。

[0003] 《防风系船水鼓》(GJB1119.91)作用是保证超大型船舶防风系泊安全。目前，我国最新的防风系船水鼓国家标准GJB1119A-2006在GBJ1119-91的基础上进行了修订，不过仍然缺乏针对超大型船舶的浮筒式单点系泊抗台标准，致使沿海地区抗台的防风单点系泊设施建设仍处于一种比较困难的状态，相当一部分设施存在安全隐患。原标准暴露出的问题越来越严重，存在诸多理论和应用上的问题，主要表现在：

[0004] (1)现有的防台浮筒式单点系泊系统研究多限于对非极端海况的小中型船舶或海军超大型船舶，未见对大型尤其是超大型船舶在以高风速为主要特征的台风状况下的单点浮筒防台系泊系统的研究。

[0005] (2)随着我国船舶的大型化和造船业发展，原标准已经不能满足使用要求。原标准提供的超大型船舶系泊力表达式不全面，系泊力与船长和船宽成正比，而与型深有关的超大型船舶受风、受流面积等并无直接关系。

[0006] (3)对台风作用下船舶运动规律、受力特征以及不同水文气象条件对系统的响应缺乏科学的认识。

[0007] (4)由于受到海域风载荷、波浪力、水流力等随机因素的综合影响而引起的锚链拉力的随机动态变化，尤其是在风浪突变和灾害天气下引起的最大瞬态拉力，上述受力的模型复杂，模型参数需要通过实测数据检验和修正，在缺乏台风作用下的实测数据情况下，难以建立准确、科学的单点系泊和双点系泊数学模型。

[0008] (5)不同船型对浮筒系泊系统要求不一样，模型存在一定的差异，而现有模型没有针对具体船型，针对性差，给实际运用带来诸多不便。本发明主要针对超多型船舶，以30万吨油船为代表，针对性明星增强，模型的实用性也相应加大。

[0009] 在防风单点系泊系统中，船舶在风浪流作用下产生的系泊力是实际应用中最重要的问题之一，如何合理地确定系泊力是研究的关键问题。关于单点系泊力计算，欧、美、日等国都有各自的行业标型，这些标准与论著都是以一定的水域环境为适用条件的，考虑因素不一，计算公式迥异，计算结果也不一致，难于直接应用，需通过物理模型进行必要的验证或修正。

[0010] 综上，鉴于目前大多数有关单点系泊系统的研究局限于靠泊装卸作业，较少涉及到防风状态的单点系泊，而已有的防风单点系泊系统的研究成果不能满足使用要求，尤其是对于超大型船舶的防风单点系泊的研究资料少之甚少。因此，有必要在充分借鉴已有相关研究成果的基础上，对防风单点系泊系统进行系统研究。

发明内容

[0011] 本发明的目的进一步采用实测试验、数学仿真和物理模型试验相结合的研究方法对于超大型船舶的防风单点系泊的系统加以研究；自主开发船舶在台风等极端环境条件下、在浮筒系泊作用下超大型船舶运动受力数学模型。

[0012] 技术解决方案：构建单点系泊和双点系泊数学模型，根据设计风速、设计流速、设计波浪和设计船型等设计条件，在系泊系统中各种设计工况组合下，分析船舶的可能的运动状态；并确定船舶在最不利状态下，作用在船上的风荷载、水流力、波浪力以及由其组合而取得的系缆力和相应的锚链；通过锚链力的实测，与数学模型进行比对，确定单点系泊和双点系泊数学模型计算的科学性和合理性。单点系泊和双点系泊方式主要由浮筒、锚链和锚碇组成，单点系泊和双点系泊数学模型主要涉及以下基本力学模型：

[0013] (1)船舶风流作用力和系泊力模型

[0014] 该模型主要通过计算风流对船体的作用力确定船舶通过锚链或缆绳向浮筒施加的水平系泊力。

[0015] (2)浮筒的垂向受力模型

[0016] 该模型主要根据防台浮筒使用要求，确定浮筒所受浮力随其吃水的变化率和变化范围的要求，从而为浮筒的尺度设计提供依据。

[0017] (3)浮筒的水平恢复力模型

[0018] 该模型借助垂链线方程，确定浮筒的水平恢复力与水平位移之间的对应关系，并分析锚链长度、重量、水深等要素对上述关系的影响。

[0019] (4)锚碇受力模型

[0020] 该模型用于确定锚链对锚碇的水平力、上拔力，锚碇的重力，海底摩擦力和岩土弹性力的作用。其作用是为锚碇的重量和埋深等设计参数提供依据。

[0021] 通过运用上述模型，分析风流耦合作用下大型船舶单点浮筒系泊系统受力，为防台浮筒设计提供参考依据。

[0022] 具体步骤如下：

[0023] 1)受力模型系统及平衡力系的组成

[0024] (1)风对船体作用力及力矩Xa、Ya、Na的计算

[0025]

[0026] 以上各式中，θa、为相对于船的风压角和风速，AL、AT分别为水线以上船体正投影面积和侧投影面积；CK，ZG分别为侧投影面积形心位置到船首柱和水线距离；而Loa为船3
舶总长，ρa为空气密度(1.226kg/m)。

[0027] (2)流对船体作用力及力矩XH、YH、NH的计算

[0028]3 3

[0029] 其中，ρ为水密度(海水取1025kg/m，淡水取1000kg/m)，L为船长，m；d为吃水，m；V为船舶运动的合速度，即相对流速，m/s；Cx，Cy，Cn为流体动力系数，一般船模试验结果都是将之表达成漂角β的函数。

[0030] (3)波浪力的作用

[0031] 波浪力可分为一阶波浪力和二阶波浪力。一阶波浪力一般可忽略，二阶波浪力是一种定常的持续性的作用力，对船舶的系泊系统会产生明显的影响。

[0032] (4)海底作用力

[0033] 防台系泊系统与海底接触的部分为锚碇和可能存在的锚链卧底部分。在水平方向，经锚链传递的水平系泊力有卧底锚链的摩擦力和锚碇所受的岩土作用力平衡。而锚链上的垂向力则形成对锚碇的上拔力，由锚碇重力和摩擦力平衡。如锚链有卧底长度，则不存在上拔力。

[0034] (5)船舶系缆力：船舶系缆力是船舶通过锚链或缆绳向系泊浮筒传递的作用力。

[0035] (6)船舶撞击力：船舶撞击力是指系泊操作过程中船体可能承受的冲击力。

[0036] (7)冲击载荷

[0037] 动态平衡所对应位置的水平张力即船舶带加速后退过程中受到的最大冲击载荷。

[0038] 2)尺度和载况对单点系泊力的影响

[0039] 迎流面积或流体作用表面与船舶主尺度的平方成正比，同一条件下，风、流合力会随着船舶主尺度的增大而迅速增大。

[0040] (1)浮筒——浮筒浮力

[0041] 浮筒不同的尺寸和型号，具有不同的浮力，供系留不同吨位的船舶，此时浮筒处于不工作时的自然平衡状态，浮力等于重力。

[0042] (2)锚链的结构和重力

[0043] 锚链按链环结构分为有档链和无档链两种。尺寸、材质相同时，有档链的强度比无档链的大，变形小，且堆放时不易扭曲，故海船上广泛采用。无档链一般只用于小船。

[0044] (3)悬链线方程的求解

[0045] 锚链主要承受张力T(弯曲刚度一般可忽略)，故悬链线方程的一般形式为：

[0046]

[0047]

[0048]

[0049] 式中：S——F点与E点间的锚链长度，m；

[0050] T——锚链所受拉力，N；

[0051] W——单位长度锚链的重量，kg/m；

[0052] (4)锚碇——系留力

[0053] 埋于海底泥面以下的锚碇，只要不被拔出泥面，就不会相对于海底移动。因此，工程上锚碇的系留力用破土力Ft表达：

[0054]

[0055] 其中：H——锚碇埋深，即锚碇顶面在泥面下堵塞深度(m)；

[0056] a——锚碇下底边长(m)；

[0057] b——破土边宽，b＝a+0.66H；

[0058] γ——水下泥沙重(kN/m3)。

[0059] (5)锚链拉力试验

[0060] 抽出样品进行锚链拉力试验可以确保锚链成品安全使用。

[0061] (6)船舶偏荡

[0062] 船舶偏荡是指锚泊中的船舶，因受风动压力、水动压力和锚链拉力的变化而导致的首摇、纵荡和横荡相复合的周期性运动，称为船舶偏荡。

[0063] (7)浮筒——浮筒浮力

[0064] F浮＝G排＝ρ液V排g

[0065] (8)锚碇——系留力

[0066] 在动态系统中，锚碇所受的系留力TH为：

[0067]

[0068] 式中，TLMax——水平方向的最大冲击张力(kN)；

[0069] φ1——锚链与浮筒连接处的垂直角(°)。

[0070] 3)综合效应

[0071] (1)风、浪、流单独及相互作用下单点系泊船的受力计算

[0072] 风流联合作用下船舶最终的平衡位置以风流合力与锚链水平张力的平衡为条件。因此，风流合力的作用线的延长线将通过锚链孔，合力作用线的反方向即锚链的方向。锚链的方向通常与船首向不一致。

[0073] (2)船舶运动与系船锚链的关系分析

[0074] 在静平衡状态下，船舶运动向由风、流合力作用线的反方向决定。在动态模型下，船舶运动由当前船舶锚链孔的位置与浮筒的位置决定。

[0075] (3)船舶运动和系船锚链对浮筒运动的影响

[0076] 当水平系泊力大于浮筒锚链水平张力时，浮筒向外侧(远离锚碇的方向)运动；当水平系泊力小于浮筒锚链水平张力时，浮筒向内侧(接近锚碇的方向)运动。

[0077] (4)实测数值和数学模型比对(参见图3)

[0078] 锚链系缆力测试采用应变计电测法。测试采用温度自补偿方法，首先通过应变单元把结构应变转换为电量信号，再通过半桥测量电路、四路应变适配器和信号放大转换电路输出电压信号。本次锚链系缆力测试主要对浮筒与锚碇块之间的锚链进行动态张力的测试与分析。定量分析被测点动态应力/拉力的最大峰谷值应力/拉力，如最大拉应力/拉力(即峰值，用“+”表示)或最大压应力/拉力(即谷值，用“-”表示)。

[0079] 测点出的计算锚链受力。再把数学模型计算出的受力情况与实测的数据进行比较。在锚链正常受力时，锚链的实际受力和船舶受风流合力图形基本吻合。

[0080] (5)船体受力和锚链受力转换

[0081] 要根据水平系泊力求锚链上张力，首先须确定锚链出水点的垂直角Φ2和锚链在锚链孔处的垂直角Φ3。

[0082] (6)无动力船舶的浮筒系缆力优化计算

[0083] 当风大流小时，船舶应增加压载，减小受风面积；当风小流大时，应减少压载，从而减少受流面积。

[0084] (7)适用船型分析

[0085] 由于30万吨级船舶的代表船型是油船和散货船，两者总体差别较小，都能适用。

[0086] 有益效果

[0087] 通过本发明的研究，自主开发船舶在台风等极端环境条件下的在浮筒系泊作用下超大型船舶运动受力数学模型，得到船舶在无动力条件下和风、流、浪等环境干扰力耦合作用下的船舶运动模拟方法、浮筒受力分析方法以及超大型船舶单点系泊安全抗台策略，得到基于实船试验、计算机模拟试验和物理试验相结合的超大型船舶单点系泊系统受力分析方法和模型。附图说明

[0088] 下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。

[0089] 图1风向000、流向180时船舶单点系浮的受力图；

[0090] 图2风向000、流向270时船舶单点系浮的受力图；

[0091] 图3动态应力/拉力测试与分析方案示意框图。

具体实施方式

[0092] 下面通过一个实施案例，进一步说明本发明。

[0093] 30万吨油轮单点系浮船舶受力数值分析参见图1、图2；

[0094] 其他10万吨油轮单点系浮船舶受力数值分析、10万吨级散杂货船单点系浮船舶受力数值分析产生类似图1、图2的受力图，在受力图中，流速为2m/s和0.8m/s，压载状况选择排水量5万吨，13万吨，20万吨三种状况。

[0095] 当流速太大时，船舶所受合力服从流速，受流面积大，船舶所受风流合力越大，即船舶压载量越大受风流越大。

[0096] 1)对于常规情况来说。船舶所受流速为0.8m/s时，风速小于35m/s时，空船时受力比压载1/4时风流合力小，压载1/4船舶受力比压载1/2受力小。

[0097] 2)当风速大于35m/s时，船舶压载1/4受风流合力最小。所以，在台风季节，如果系浮水域流速不大，建议1/4压载，但是，此假定为船舶所受风流均来自正船艏，相关管理人员还是应该视具体风流情况定压载情况。

[0098] 根据物模船型资料，以及舟山浮筒系泊系统4个设置位置100年一遇的极限工况风浪流数据，计算出船舶在1/5，1/4，1/3，1/2压载状况下的风流浪合力；

[0099] 根据以上受力图，对于岱山、佛渡两处的极限工况分析；由于浪作用力与流的作用力方向相近与风的作用力方向基本相反，所以岱山、佛渡两处随船舶压载增加受力急增。对于马峙、五虎礁两处的极限工况分析，由于风、浪作用力方向相近与流的作用力方向基本相反，所以岱山、佛渡两处随船舶压载增加受力减小，进一步说明不同船型，不同风流浪的工况下，不同的压载状况对船舶受力的影响不同，管理人员更应充分考虑系泊船的实际情况及当时的实际风浪流情况，决定压载状况。从中可以看出1/4左右的压载对各种风浪流状况均比较适中。

[0100] 分别对10万吨散货船和30万吨油船的不同压载水量与吃水列表分析研究不同压载量对船舶负荷的影响。

[0101] 1)10万吨散货船

[0102] 表110万吨散货船不同压载水量与吃水关系表

[0103]1/2压载 1/3压载 1/4压载 1/5压载
排水量(t) 70000 53300 45000 40000
平均吃水(m)(m) 8.02 6.28 5.37 4.83
吃水差 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5
形心距艏柱距离 123.0 123.8 124.1 124.3
形心距水线距离 0.649 0.725 0.765 0.788

[0104] 2)30万吨油船

[0105] 表230万吨油船不同压载水量与吃水关系表

[0106]1/2压载 1/3压载 1/4压载 1/5压载
排水量(t) 190000 140000 115000 100000
平均吃水(m)(m) 13.55 10.39 8.75 7.75
吃水差 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5
形心距艏柱距离 154.3 154.9 155.2 155.4
形心距水线距离 0.63 0.73 0.78 0.80

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