1、我國(guó)開發(fā)海洋資源迫在眉睫，近年來(lái)我國(guó) 系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要在沿海地區(qū)建設(shè)了多個(gè)海洋工作站組成了完善的近淺海觀測(cè)網(wǎng)。以便觀測(cè)天氣、海風(fēng)、海水流速等的情況變化。近淺海觀測(cè)網(wǎng)的傳輸節(jié)點(diǎn)由浮標(biāo)系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)和水聲通訊系統(tǒng)組成， 本文就在海洋觀測(cè)中在不同風(fēng)速、鋼桶的傾斜角度的情況下研究鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域的問(wèn)題。針對(duì)問(wèn)題一，首先建立直角坐標(biāo)系對(duì)系泊系統(tǒng)的浮標(biāo)、鋼管、鋼桶、錨鏈等進(jìn)行受力分析列出靜力學(xué)方程，引入重力、浮力、拉力、張力、摩擦力、支持力、角度七個(gè)參數(shù). 松弛與緊繃、拖地與不拖地，錨鏈的不同狀態(tài)要求了區(qū)別的受力分析，根據(jù)相應(yīng)的錨鏈狀態(tài)，我們結(jié)合懸鏈?zhǔn)椒匠谭謩e建立

2、模型。然后依靠浮標(biāo)系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算算出各節(jié)鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。針對(duì)問(wèn)題二，在第一問(wèn)的分析中，已經(jīng)建立了一套適用于一般情況的模型選擇流程，考慮了四種不同的錨鏈狀態(tài)，我們將其應(yīng)用于對(duì)問(wèn)題二的求解，并得到了理想的求解結(jié)果。針對(duì)模型考慮之外的重物球質(zhì)量調(diào)節(jié)，我們結(jié)合已知條件構(gòu)造不等式，并利用線性規(guī)劃求解了小球的重力范圍。針對(duì)問(wèn)題三,我們結(jié)合分段外推的數(shù)值求解方法，對(duì)非靜海條件下的系泊系統(tǒng)求解控制方程，在考慮潮汐，不同風(fēng)力和水深情況下鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。首先，根據(jù)第一二問(wèn)的基礎(chǔ)模型再考慮外加因素來(lái)確定所求各項(xiàng)的值。關(guān)鍵詞：懸鏈線理論、

3、浮標(biāo)系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算、動(dòng)態(tài)平衡一、問(wèn)題重述1.1 問(wèn)題背景向海洋進(jìn)軍，利用開發(fā)海洋資源已經(jīng)成為擴(kuò)展人類生存資源，提高資源儲(chǔ)備的主要方式。隨著人們對(duì)大海的研究越來(lái)越深刻，在近淺海海域人們需要實(shí)時(shí)觀測(cè)天氣、海風(fēng)、海水流速等的情況變化。這就需要人們建立大量的觀測(cè)站，而這些觀測(cè)站的傳輸節(jié)點(diǎn)是由浮標(biāo)系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)和水聲通訊系統(tǒng)組成。其中，系泊系統(tǒng)則是整個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。1.2 問(wèn)題提出在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)，要求錨鏈末端與錨的連接處的切線方向和海平面的夾角不超過(guò)16 度，以保證錨不會(huì)被拖行。為了使水聲通訊系統(tǒng)工作效果更好，鋼桶的傾斜角度應(yīng)小于5 度。 為了控制鋼桶的傾斜角度，鋼桶和電焊錨鏈鏈接處可懸掛重物球，

4、可以通過(guò)改變重物球的質(zhì)量來(lái)控制鋼桶的傾斜角。計(jì)算下面三個(gè)問(wèn)題：一、已知傳輸節(jié)點(diǎn)選用二型電焊錨鏈 22.05m、重物球質(zhì)量為1200kg?，F(xiàn) 將該傳輸節(jié)點(diǎn)布放在水深18米、海床平坦、海水密度為1.025 X03kg/m3的海域。 海水靜止，分別計(jì)算海面風(fēng)速為12m/s和24m/s時(shí)鋼桶和各界鋼管的傾斜角度、 錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。二、 在問(wèn)題 1 的假設(shè)下，計(jì)算海面風(fēng)速為36m/s 時(shí)鋼桶和各節(jié)鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。請(qǐng)調(diào)節(jié)重物球的質(zhì)量，使得鋼桶的傾斜角度不超過(guò)5 度，錨鏈在錨點(diǎn)和海床夾角不超過(guò)16 度。三、受潮汐因素的影響，布放海域水深在16m20m之

5、間。布放海域的實(shí)測(cè)水深介于16m20m之間。布放點(diǎn)的海水速度最大可達(dá)到 1.5m/s、風(fēng)速最大可 達(dá)到36m/s。請(qǐng)給出考慮風(fēng)力、水流力和水深情況下的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析不同 情況下鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。二、模型假設(shè)1、假設(shè)錨鏈末端和海平面的夾角 a <16° o2、同時(shí)認(rèn)為鋼桶的傾斜角度B050。3、浮標(biāo)一直處于豎直狀態(tài)，并且認(rèn)為浮標(biāo)質(zhì)地均勻，中心明確4、設(shè)系泊系統(tǒng)中所有物體都在一個(gè)平面內(nèi)。5、設(shè)鋼管兩頭是封閉的。6、設(shè)風(fēng)的方向平行于海平面，且其方向與速度均保持不變。7、設(shè)重力球與錨鏈的體積不可忽略。三、模型的建立與求解3.1 問(wèn)題一的分析：

6、因?yàn)楹Ｋo止，海水對(duì)傳輸節(jié)點(diǎn)的各部分的流體拖拽力可以忽略不計(jì)，傳輸節(jié)點(diǎn)選用II型電焊錨鏈22.05m,漂浮在自由海平面的浮標(biāo)在一定風(fēng)力的作用下 產(chǎn)生漂移，由于鋼管系留作用，浮標(biāo)漂流一定距離后，某一時(shí)刻浮標(biāo)處于平衡狀 態(tài)，然而風(fēng)向不斷變化，所以浮標(biāo)只能在某一特定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。 選用的重物球的 質(zhì)量為1200kg，現(xiàn)將該型傳輸節(jié)點(diǎn)布放在水深18m海床平坦、海水密度為1.025 x 103kg/m3的海域。錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)確定系泊鏈在靜止情況下的形狀 及張力分布。研究系泊鏈的靜力學(xué)問(wèn)題主要通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)方法來(lái)完成，也就是浮標(biāo) 在緩慢移動(dòng)的過(guò)程中，忽略錨泊線因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，計(jì)算浮標(biāo)在運(yùn)動(dòng)到最大

7、位移時(shí)的系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。本文的第一步計(jì)算即是采用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法， 在計(jì)算過(guò)程中，輸入根據(jù)錨與導(dǎo)纜孔的初始水平距離算出來(lái)的水平預(yù)張力，然后選擇適應(yīng)浮標(biāo)的錨的位置，意即浮標(biāo)位置不動(dòng)，而錨根據(jù)伸出長(zhǎng)度來(lái)自動(dòng)調(diào)整其 與浮標(biāo)的相對(duì)位置。3.2 問(wèn)題一、二的符號(hào)說(shuō)明：符號(hào)意義Fw近海風(fēng)福載Fs物體在風(fēng)向法平向的投影面積P海水的密度V排浮標(biāo)排開水的體積G浮標(biāo)的重力G第一根鋼管的重力G2第二根鋼管的重力G第三根鋼管的重力G第四根鋼管的重力F2水對(duì)第一根鋼管產(chǎn)生的浮力F3+水對(duì)第二根鋼管產(chǎn)生的浮力F4水對(duì)第三根鋼管產(chǎn)生的浮力F5水對(duì)第四根鋼管產(chǎn)生的浮力g重力加速度mg浮標(biāo)的質(zhì)量Ti第一根鋼管對(duì)浮標(biāo)的拉力T2對(duì)

8、第一根鋼管的拉力T3對(duì)第二根鋼管的拉力T4第四根鋼管對(duì)第三根鋼管的拉力T5鋼桶對(duì)第四根鋼管的拉力a 1第一根鋼管的傾角a 2第二根鋼管的傾角a 3第三根鋼管的傾角a 4第四根鋼管的傾角3.3模型的建立3.1.2浮標(biāo)的受力分析:3.1.3浮標(biāo)的平衡方程:G +Cosa = 5浮Tisin 二二Fw一 一 一 2Fw =0.625SVF浮=p海水gv排3.1.4第一根鋼管的受力分析：3.1.5第二根鋼管的受力分析:F33.1.6第三根鋼管的受力分析:F43.1.7第四根鋼管的受力分析F53.1.7 鋼桶的受力分析:F6r3.1.8 鋼桶的靜平衡方程：丁6 + mg+TcoS6 = F6 + T5c

9、os 5Tssin 5 = T6sin 6丁+ Pgv=mg3.1.9 錨鏈的靜平衡方程:心: cos 6 ds婦 dx dy ds dT、ds1=-w cosT=sin 當(dāng)風(fēng)的速度為12m/s時(shí)：由以上聯(lián)合可得：第一根鋼管傾斜角度： a 1=1.1。第二根鋼管傾斜角度：a 2=1.5°第三根鋼管傾斜角度：a 3=2.4。第四根鋼管傾斜角度：a 4=3.6°浮標(biāo)的吃水深度為：h=0.74m。浮標(biāo)的游動(dòng)區(qū)域?yàn)椋阂?.42m為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。當(dāng)風(fēng)的速度為24m/s時(shí)：由以上聯(lián)合可得：第一根鋼管傾斜角度：a 1=1.5°第二根鋼管傾斜角度：a 2=2.0。第三根鋼管傾

10、斜角度：a 3=2.8°第四根鋼管傾斜角度：a 4=3.9°浮標(biāo)的吃水深度為：h=0.81m。浮標(biāo)的游動(dòng)區(qū)域?yàn)椋阂?.42m為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)3.2問(wèn)題二的分析：在第一問(wèn)的條件下，當(dāng)海面風(fēng)速為 36m/s時(shí)，請(qǐng)計(jì)算鋼桶和各節(jié)鋼管的傾 斜角度、錨鏈形狀和浮標(biāo)的游動(dòng)區(qū)域。當(dāng)海面風(fēng)速為36m/s時(shí)，錨鏈在錨點(diǎn)和海 床的夾角會(huì)超過(guò)16°。鋼桶的傾角會(huì)超過(guò)5°。這時(shí)，需要調(diào)節(jié)重物球的質(zhì)量使 傳輸節(jié)點(diǎn)正常工作。下端點(diǎn)與當(dāng)風(fēng)速達(dá)到36米每秒時(shí)，傳輸節(jié)點(diǎn)拋錨。根據(jù)經(jīng)典懸鏈線方程，海底相切的錨鏈滿足:y=acoshX.1 一 asa sinh-= J：v y 2aa ,由

11、上述兩個(gè)式子和圖中不躺底錨鏈線的幾何關(guān)系可知:yoD a coshwSod =Th sinhwwxO,DTTWXO，DTh-cosh-sinhwxOOThwxo,oTh現(xiàn)在定義：二竺也羋=絲吧，兒=竺也 將其代入上式得:ThTh2ThyCDXCDcosh 工 cosh :Scdsinh 二一sinh :XCDXCD聯(lián)立，可得2.2WXc，c,和B。又P =一絲，就可Thsinh , s cd - y od當(dāng)XoD、y°D、sod和Th代入式中，我們可以唯一確定a 以求得o點(diǎn)的垂向張力Tvo=wso,o以及水平夾角6 對(duì)于od之間任意一點(diǎn)Q,滿足TVI =TvowSoiXiTh .&#

12、39; 1 + sin 6I )' 1 + sin 6o j Ihn -ln w - cosI js sin oo JJf、Th11w <cosI cos6o 由此可以得到錨鏈的基本形狀以及張力分布 由以上綜合可得：第一根鋼管傾斜角度：a 1=1.6°第二根鋼管傾斜角度：a 2=2.2。第三根鋼管傾斜角度：a 3=2.9° 第四根鋼管傾斜角度：a 4=4.5° 浮標(biāo)的吃水深度為：h=0.91m。浮標(biāo)的游動(dòng)區(qū)域?yàn)椋阂?.52m為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)，重物球增加200kg。3.3問(wèn)題三的分析問(wèn)題三要分析在考慮潮汐，不同風(fēng)力和水深情況下鋼桶、鋼管的傾斜角度、

13、錨鏈形狀、浮標(biāo)的吃水深度和游動(dòng)區(qū)域。首先，根據(jù)第一二問(wèn)的基礎(chǔ)模型再考慮外加因素來(lái)確定所求各項(xiàng)的臨界值。3.3.1 近海風(fēng)荷載和近海水流力的計(jì)算假設(shè)單一風(fēng)向?qū)Ω?biāo)在風(fēng)向法平面的投影面積S=2E2建定4n g2）；2風(fēng)速取最大值36m/s；2由近海風(fēng)載何近似公式 F =0.625 MSv得Fmax =10173.6N由近海水流力近似公式 F = 374 x Sv2得Fmax = 6.09父106 N3.3.2 錨泊系統(tǒng)的分析與計(jì)算如前所述，這一步之前的參數(shù)基本上都是初步估計(jì)的，因此檢驗(yàn)是否合 適的標(biāo)準(zhǔn)就是要進(jìn)行計(jì)算，先進(jìn)行靜力計(jì)算，然后做時(shí)域分析，再與實(shí)際情況做一比較。下面先介紹靜力計(jì)算過(guò)程：錨泊

14、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)確定系泊鏈在靜止情況下的形狀及張力分布。研究 系泊鏈的靜力學(xué)問(wèn)題主要通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)方法來(lái)完成，也就是浮標(biāo)在緩慢移動(dòng)的過(guò)程 中，忽略錨泊線因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力， 計(jì)算浮標(biāo)在運(yùn)動(dòng)到最大位移時(shí)的系泊 系統(tǒng)的響應(yīng)。準(zhǔn)靜力分析方法計(jì)算簡(jiǎn)便，與各種規(guī)范中較大的安全系數(shù)相配合后， 能夠滿足一定的精度要求。準(zhǔn)靜態(tài)分析法可以作為初步設(shè)計(jì)的依據(jù)， 也可以作為 動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。通過(guò)錨泊系統(tǒng)的準(zhǔn)靜力計(jì)算可研究在穩(wěn)態(tài)載荷作用下錨泊線的 受力和形狀，但是浮標(biāo)在實(shí)際工作環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)遇到極端惡劣天氣，這時(shí)需要 考慮風(fēng)、流等因素對(duì)系泊鏈的影響。準(zhǔn)確預(yù)估海洋浮標(biāo)在風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件 的作用下運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的錨泊線

15、張力變化的動(dòng)力特性對(duì)浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安全和操作都有著重要的意義。對(duì)錨鏈采用積分法可將計(jì)算域0E均分為2n等份，有:I = 02n f(x)cos(tx) =h二(th)( f2nSintX2n_f0SintX0)-“th)C2n (th) C2n (th) Gn2 th4S；n一Rn45(A-1)在（A-1）中nC2n ='、i衛(wèi)f2i,、1 一COS(tX2i )f2n COS(tX2n ) f0 COS(tX0) 2nC2n 1 - f f2i 1 cos(tx2i 1 ) i 1nS；nv f2(i3Lsin(tX2i) i 4Rn = 1 nh5f (4)( ) O(th7

16、)901 sin 2 2sin2i1 cos2 1u2sin 2I3當(dāng)0較小時(shí)有:二4亭cos廣2132152”-+45315 4725P)2 2孑 44 一 +315 105+對(duì)567+H315210 11340(A-2)(A-3)(A-4)(A-5)(A-6)(A-7)(A-8)(A-9)(A-10)(A-11)(A-12)(A-13)X2nI = 0 f (x)sin(tx)二h(th)(f0COStX0 - f2nCOStX2n)+ ：(th)£n(th)§n 2由七2口二-45式(A-12)中：c Jr .，、1 一 .，、，、S2n = f2i Sin(tX2i

17、) 一二f2nSin(tX2n)f0Sin(tx0)if2S2nl f2iSin(tX2j) i 1n(3) 一 、=；,f2iCOS(tX2iQi 1(A-14)(A-15)由以上推理可得：第一根鋼管傾斜角度：a 1=1.6° -2.3第二根鋼管傾斜角度：a 2=2.2。3.5第三根鋼管傾斜角度：a 3=3.1° -4.0第四根鋼管傾斜角度：a 4=39 4.8浮標(biāo)的吃水深度為：h=0.51m0.82m浮標(biāo)的游動(dòng)區(qū)域?yàn)椋涸谝?.52m 1.92m為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)四、模型的評(píng)價(jià)與優(yōu)化4.1 模型優(yōu)點(diǎn)在求解第一個(gè)問(wèn)題時(shí)，采用基本假設(shè)法，模糊數(shù)學(xué)、最大最小原則等相關(guān)的 知識(shí)，

18、先找出各個(gè)系統(tǒng)最合理的受力情況，然后利用畫圖軟件畫出受力圖，并進(jìn) 行標(biāo)注，繼而求出各個(gè)系統(tǒng)在受力平衡時(shí)的平衡方程。 最后利用運(yùn)籌學(xué)中的求解 整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題得到最優(yōu)方案。此模型具有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)本模型采用了數(shù)學(xué)工具，對(duì)模型的求解非常的嚴(yán)密，具有很高的科學(xué)性。(2)本模型與實(shí)際聯(lián)系較為緊密，在近淺海海域具有很高的實(shí)用價(jià)值。(3)模型中有詳細(xì)的數(shù)據(jù)求解過(guò)程，各項(xiàng)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可信度較高。(4)借用受力平衡圖對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，形象直觀。4.2 模型缺點(diǎn)在建立模型的同時(shí)，一些細(xì)微的地方被忽略掉，例如：錨鏈認(rèn)為不會(huì)發(fā)生微 小形變，海水不會(huì)對(duì)各種金屬部分有腐蝕作用等等。因此， 此模型也存在一定的 缺點(diǎn)。4.

19、3 模型優(yōu)化由于影響系泊系統(tǒng)靜力特性的參數(shù)較多 ，水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定 的難度。本文結(jié)合高效的系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)了大范圍尋優(yōu)和多目標(biāo)優(yōu) 化，提高了系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。參考文獻(xiàn)1 白輔中 . 單錨鏈系泊穩(wěn)定性研究J. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 1993, 卷缺失 (2): 115-120.2 何孔德 . 水下系泊監(jiān)測(cè)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性及穩(wěn)定性研究(1)D. 出版地不詳: 武漢科技大學(xué) , 2013.3 劉文璽,周其斗,張緯康 ,紀(jì)剛 . 浮體與系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力分析J. 船舶力學(xué), 2014, 卷缺失 (8): 940-957.4 潘斌 ,高捷,陳小紅,陳家鼎. 浮標(biāo)系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算J. 重

20、慶交通學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 卷缺失(1): 70-75.5 施興華,徐爍碩,杭岑,章柯. 深水 FPSO 船體、系泊與立管的時(shí)域耦合分析J. 船海工程,2016, 卷缺失 (3): 135-139, 145.6 杜度 ,李方,馬騁,張緯康 . 潮流與風(fēng)對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響研究J. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 卷缺失(5): 77-80, 90.7 曹文瑾,孫中國(guó),席光 . 系泊型浮體運(yùn)動(dòng)的無(wú)網(wǎng)格法數(shù)值模型J. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,卷缺失(3): 62-66, 142.8 鄭瑞杰 . 錨泊系統(tǒng)受力分析_鄭瑞杰D. 出版地不詳: 大連理工大學(xué), 2006.9 唐友剛,張若瑜,程楠,趙晶瑞. 集中質(zhì)量法計(jì)算深海系泊沖擊張力J. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,卷缺失 (8): 695-701.10 庚拓 . FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)極限抗風(fēng)能力研究D. 出版地不詳: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.附件h=x(6);v=36;g=9.8;r=0.025;R=0.15;P=10