CN101769806A - 一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种7500t浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，在近海作业的浮吊，由于受到起吊载荷、海风、海浪及海流的影响，其运动姿态必须通过设定多个定位绞车的拉力进行控制，因此定位锚绞车的拉力计算十分复杂；本发明提出将浮吊视作有多个弹性约束的浮体，考虑其在海况环境(风浪流)中纵荡、横荡和摇艏，通过计算海风风压对浮吊船体水线以上部分作用的水平冲击力以及海浪对浮吊船体水线以下部分作用的横漂力和在恶烈海况下大型浮吊水下部分构件所承受的海流载荷，计算出浮吊保持预定姿态所需的锚绞车拉力，从而使浮吊能够安全稳定的工作。与现有技术相比，本发明快捷有效，并且规范。

Description

一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法

技术领域

本发明涉及定位锚绞车拉力的测算，特别是涉及一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法。

背景技术

浮吊是一种在海上作业的起重机，其稳定性显得尤为重要，且需要具备快速有效的定位、移位功能。目前的定位措施大多采用多点锚泊系统，通过设置锚绞车的拉力以平衡浮吊承受的外载荷，从而控制7500t浮吊的位置和姿态。与陆上作业的起重机不同，它除了承受起重机的常规载荷作用之外，还必须承受海浪、海风和海流载荷以及由恶烈海况引起的回转阻力矩等。

目前浮吊定位锚绞车的拉力测算基本上没有规范、统一的方法，仅凭借设计人员的经验和通过反复试验确定锚绞车拉力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，包括：

(1)测算浮吊所受到的外部载荷；

(2)由锚绞车调整锚链的长度来增加或减少张力，平衡浮吊所受到的外部载荷，并根据测算到的外部载荷以及下式测算锚链的长度变化：

(3)由下式测算锚绞车拉力：

$T_A=(H+W)\sqrt{1+{[\frac{h}{l_1}+\frac{p{l}_1}{2(H+W)}]}^2};$

其中：H为锚链的预张力，W为外载荷的水平分量之和，h为海水深度，l₁为水平距长度，p为锚链单位长度的重量。

所述的外部载荷包括海风载荷、海浪载荷以及海流载荷。

所述的海风载荷由下式测算得到：

其中：v_f为风速，j为结构充满系数，B为结构物的迎风面积宽度，h₁为迎风面积的下端面距海面高度，h₂为迎风面积的上端面距海面高度。

所述的海浪载荷由下式测算得到：

$F_d=\frac{1}{2}\mathrm{gg}{z}_a^2{R}^{2}L{\sin }^{2}m;$

其中：g为海水密度，g为重力加速度，z_a为遭遇波波幅，m为浮吊遭遇波向，L为船长度，R为对于吃水深度为T的矩形截面平板的无因次横漂力系数。

所述的海流载荷由下式测算得到：

其中：C_x为阻尼系数，g为海水密度，A_w为水线以下构件在与流向垂直的平面上的投影面积，v为潮流流速与余流流速之和。

与现有技术相比，本发明提出了一种快捷有效、规范的测算方法，提出将浮吊视作有多个弹性约束的浮体，考虑其在海况环境(风浪流)中纵荡、横荡和摇艏，通过测算海风风压对浮吊船体水线以上部分作用的水平冲击力以及海浪对浮吊船体水线以下部分作用的横漂力和在恶烈海况下大型浮吊水下部分构件所承受的海流载荷，测算出浮吊保持预定姿态所需的锚绞车拉力，从而使浮吊能够安全稳定的工作。

附图说明

图1为受多个锚绞车控制的浮吊示意图；

图2为在海风、海浪以及海流中的浮吊示意图；

图3为浮吊的海浪载荷测算图；

图4为浮吊遭遇浪向示意图；

图5为有效波长测算示意图。

其中：1-锚绞车，2-横浪，3-尾斜浪，4-首斜浪，5-顺浪，6-顶浪，D-船艏方向，F_f-海风载荷，F_d-海浪载荷，F₁-海流载荷，h₁-迎风面积的下端面距海面高度，h₂-迎风面积的上端面距海面高度，F_w3-海风载荷纵向分量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-5所示，一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，包括：

(1)测算浮吊所受到的外部载荷；

(2)由锚绞车调整锚链的长度来增加或减少张力，平衡浮吊所受到的外部载荷，并根据测算到的外部载荷以及下式测算锚链的长度变化：

(3)由下式测算锚绞车拉力：

$T_A=(H+W)\sqrt{1+{[\frac{h}{l_1}+\frac{p{l}_1}{2(H+W)}]}^2};$

其中：H为锚链的预张力，W为外载荷的水平分量之和，h为海水深度，l₁为水平距长度，p为锚链单位长度的重量。

所述的外部载荷包括海风载荷、海浪载荷以及海流载荷。

所述的海风载荷由下式测算得到：

其中：v_f为风速，j为结构充满系数，B为结构物的迎风面积宽度，h₁为迎风面积的下端面距海面高度，h₂为迎风面积的上端面距海面高度。

所述的海浪载荷由下式测算得到：

$F_d=\frac{1}{2}\mathrm{gg}{z}_a^2{R}^{2}L{\sin }^{2}m;$

其中：g为海水密度，g为重力加速度，z_a为遭遇波波幅，m为浮吊遭遇波向，L为船长度，R为对于吃水深度为T的矩形截面平板的无因次横漂力系数。

所述的海流载荷由下式测算得到：

其中：C_x为阻尼系数，g为海水密度，A_w为水线以下构件在与流向垂直的平面上的投影面积，v为潮流流速与余流流速之和。

在近海作业的浮吊，由于受到海风、海浪及海流的影响(如图2所示)，其运动姿态必须通过设定多个定位绞车的拉力进行控制(如图1所示)，因此定位锚绞车的拉力测算十分复杂。本发明提出将浮吊视作有多个弹性约束的浮体，考虑其在海况环境(风浪流)中纵荡、横荡和摇艏，通过测算海风风压对浮吊船体水线以上部分作用的水平冲击力以及海浪对浮吊船体水线以下部分作用的横漂力和在恶烈海况下大型浮吊水下部分构件所承受的海流载荷，测算出浮吊保持预定姿态所需的锚绞车拉力，从而使浮吊能够安全稳定的工作。

1、7500t浮吊风载荷组合计算(如图3)：依据推导的公式(1)分别计算作用在浮船、上层建筑物及臂架等五个部分上的纵向风压和横向风压对7500T浮吊的水平冲击力、水平冲击力作用中心，求和后得到总的水平冲击力、水平冲击力作用中心：

式中，B——结构物的迎风面积宽度(m)；

h₁——迎风面积的下端面距海面高度(m)；

h₂——迎风面积的上端面距海面高度(m)。

2、7500t浮吊海浪载荷计算：

当船舶航行与波浪传播方向相反时(顶浪)，它将更快地遇到连续的波浪，而这些波浪看来具有更短的周期。另一方面，当船舶航行与海浪传播方向一致时(随浪)，它将驶离波浪，从而使波浪看起来具有更长的周期。船舶经受到的波浪周期称为遭遇周期，用T_e表示。T_e是波浪周期、船舶速度、波浪传播方向与船航向夹角之间的函数。在船舶运动计算中，应该用遭遇周期T_e来代替海浪周期。

遭遇角m_e是波浪传播方向与船舶航向间的夹角，并由波浪传播方向按顺时针进行度量。

当遭遇浪向在左、右舷0°～15°之间时称为顺浪。遭遇浪在在左、右舷165°～180°之间时称为顶浪。顺浪和顶浪统称为纵向对浪，纵向对浪主要产生纵向运动，它包括纵摇、纵荡和垂荡，其中主要是纵摇和垂荡。遭遇浪向在左、右舷75°～105°之间时称为横浪。横浪主要产生横向运动，它包括横摇、首摇和横荡。其中主要是横摇。遭遇浪向在左、右舷15°～75°之间时称为尾斜浪。遭遇浪向在左、右舷105°～165°之间时称为首斜浪。尾斜浪和首斜浪既产生纵向运动，也产生横向运动，如图4所示。

设波长为l，波速为C，船速为V，V在波浪方向上的分速度为Vcosm_e，而船相对于波浪的速度为C-Vcosm_e，可得船的遭遇周期：

$T_e=\frac{l}{C-V{\cos m}_e}$

由于l＝CT，这里T为海浪周期，因此可得：

$T_e=\frac{\mathrm{CT}}{C-V{\cos m}_e}=\frac{T}{1-\frac{V}{C}{\cos m}_e}$

上式也可以写出：

$\frac{2p}{w_e}==\frac{2p/w}{1-(V/C){\cos m}_e}$

则有

w_e＝w[1-(V/C)cosm_e]

遭遇波长(或称有效波长)l_e＝l/cosm_e(见图5)

因此浮吊在规则波作用下受到的横漂力计算如下：

$F_d=\frac{1}{2}\mathrm{gg}{z}_a^2{R}^{2}L{\sin }^{2}m---\left(2\right)$

式中：

g——海水密度(kg/m³)，取g＝1.025□10³kg/m³

g——重力加速度(N/Kg)，取g＝9.8N/Kg

z_a——遭遇波波幅(m)，可查风浪等级表，如5级海风时，z_a＝0.7m

m——浮吊遭遇波向(°)，一般波浪垂直作用于船体表面，即m＝90°。

L——船长(m)

R——对于吃水深度为T的矩形截面平板的无因次横漂力系数

3、海流载荷计算

大型浮吊水下部分构件的海流力F_l计算式如下：

式中：

C_x——阻尼系数

g——海水密度(kg/m³)

A_w——水线以下构件在与流向垂直的平面上的投影面积(m²)

v——潮流流速与余流流速之和(m/s)

4、锚绞车拉力计算：

7500t浮吊的锚泊系统依靠锚绞车调整锚链的长度来增加或减少张力，用以平衡浮吊所受到的外载荷。锚绞车拉力按式(4)计算，锚链的变化量按式(5)计算：

$T_A=(H+W)\sqrt{1+{[\frac{h}{l_1}+\frac{p{l}_1}{2(H+W)}]}^2}---\left(4\right)$

式中：

H——锚链的预张力(t)

W——所有外载荷的水平分量之和(t)

h——海水深度(m)

l₁——水平距长度(m)

p——锚链单位长度的重量(t/m)。

Claims (5)

1.一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，包括：

(1)测算浮吊所受到的外部载荷；

(2)由锚绞车调整锚链的长度来增加或减少张力，平衡浮吊所受到的外部载荷，并根据测算到的外部载荷以及下式测算锚链的长度变化：

(3)由下式测算锚绞车拉力：

$T_A=(H+W)\sqrt{1+{[\frac{h}{l_1}+\frac{{\mathrm{pl}}_1}{2(H+W)}]}^2};$

其中：H为锚链的预张力，W为外载荷的水平分量之和，h为海水深度，l₁为水平距长度，p为锚链单位长度的重量。

2.根据权利要求1所述的一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，所述的外部载荷包括海风载荷、海浪载荷以及海流载荷。

3.根据权利要求2所述的一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，所述的海风载荷由下式测算得到：

其中：v_f为风速，j为结构充满系数，B为结构物的迎风面积宽度，h₁为迎风面积的下端面距海面高度，h₂为迎风面积的上端面距海面高度。

4.根据权利要求2所述的一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，所述的海浪载荷由下式测算得到：

$F_d=\frac{1}{2}g{\mathrm{gz}}_a^2{R}^{2}L{\sin }^{2}m;$

其中：g为海水密度，g为重力加速度，z_a为遭遇波波幅，m为浮吊遭遇波向，L为船长度，R为对于吃水深度为T的矩形截面平板的无因次横漂力系数。

5.根据权利要求2所述的一种浮吊在近海作业时定位锚绞车拉力的测算方法，其特征在于，所述的海流载荷由下式测算得到：

其中：C_x为阻尼系数，g为海水密度，A_w为水线以下构件在与流向垂直的平面上的投影面积，v为潮流流速与余流流速之和。

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