CN107423486A - 一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，运用准静态的悬链线法和动力分析集中质量法，建立浮托安装驳船系泊运动计算数学模型，基于MMG方程理论，根据船舶六自由度操纵运动方程建立拖船运动数学模型，从而实现能够准确的分析在进船阶段浮托安装作业的驳船与缆绳运动与受力，且仿真速度上可以满足实时仿真要求的建模方法，其仿真结果够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中在进船阶段浮托安装作业时设计人员提供良好的参考。

Description

一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法
技术领域
本发明涉及一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，属于浮托安装作业建模方法技术领域。
背景技术
对平台浮托安装驳船的进船过程进行建模仿真，可以大大提高平台安装作业的工作效率，提前预报及避免风险，提高经济效益，并且还可以对多种工况进行模拟仿真，验证浮托安装的安全性能。
浮托作业在安装过程中涉及多物体的运动与动力学建模仿真。锚链与交叉缆变形实际上是大绕度、非线性、弹性形变，属于几何非线性的范畴。目前建模常用的方法主要有自然悬链线法、钢悬链线法、奇异摄动法、有限差分法、非线性有限元法等。这些方法在求解精度、求解时间及实用范围上存在各自的局限性。自然悬链线法、钢悬链线法和奇异摄动法仅适用于锚链的静态分析计算，不能够准确的计算由于船舶加速度及海洋环境引起的动态外力。有限差分法和非线性有限元法虽然能够计算动态外力，但由于解算方法的限制，使得计算效率大大降低，不能够满足实时仿真的要求。现在比较常用的浮托安装分析计算软件Riflex、Offpipe和Orcaflex，它们均基于有限元法分别运用静力学和动力学进行比较准确的分析，然而由于采用有限元法的限制不能用于需要实时仿真浮托安装作业模拟器中。
针对上述问题，本专利发明了一种在进船阶段浮托安装作业建模仿真方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，主要用于在进船阶段浮托安装作业安全评估，其仿真结果够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中在进船阶段浮托安装作业时设计人员提供良好的参考。
本发明的目的是这样实现的：包括用来装载平台上部结构的安装驳船、多用途拖船、连接驳船和桩柱的交叉缆、连接驳船和拖船的拖带缆、起到固定作用的锚链线和系泊缆，步骤如下：
第一步：设置驳船的船型参数、风速风向、流速流向，并基于时域船舶运动理论，根据船舶六自由度操纵运动方程，结合浮托安装驳船进船耦合运动的特点建立驳船的运动数学模型并得到驳船的运动数据，
所述驳船的运动数学模型为：
式中：MRB是刚体矩阵；A(∞)是频率趋于无穷时附加矩阵；τexc是其他外部力；K(t)是迟滞矩阵；Cξ是线性恢复力；ξ、分别表示驳船运动距离、速度、加速度矢量；延时函数h(τ)表征了由于自由面记忆效应产生的影响；
第二步：设置锚链线属性并输入导缆孔位置与运动数据，建立锚链线的数学模型为：
式中：单位锚链线长度上的作用力，D是锚链线截面直径；ρ是流体密度；CM＝1+CA是惯性力系数；CA是附加质量系数；CD是拖曳力系数；u和是分别为流体质点的速度和加速度；是浮体运动速度；
在锚链线上选取n个节点，每个节点的运动计算方法为：
式中：mi是节点i的质量矩阵；ai是节点i的附加质量矩阵；节点i处的加速度；Ti+(1/2)和Ti-(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部刚度；Ci+(1/2)和Ci-(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部阻尼力；Wi是节点i处的重力；Bi是节点i处的垂向接触力；Dpi是节点i处的横向阻力；Dqi是考虑表面摩擦和形状阻力的切向阻力；
第三步：设置交叉缆的属性并输入驳船与交叉缆的连接点的运动数据，建立交叉缆数学模型：
式中：H是悬垂高度；θ0是线缆端点与水平面间夹角；Lc是不可伸长长度；lc是两端点之间的距离；E是线缆材料弹性模量；TH是水平线缆张力；w是线缆单位长度重量；A是线缆横截面面积；
第四步：设置拖带缆属性并输入驳船与拖带缆连接点的运动参数，基于MMG理论，得到拖船的运动方程：
式中：mt表示拖船质量，Ixt，Iyt，Izt分别表示拖船绕OX、OY和OZ轴的转动惯量，ut、νt、ωt、pt、qt、rt分别表示拖船纵向、横向和垂向的速度以及绕OX、OY和OZ轴的角速度，X、Y、Z、L、M、N分别表示船舶六自由度运动，下标Ht、Pt、Rt、Wt、Ft、Ct、Tt分别表示拖船的水动力、螺旋桨力、舵力、波浪力、风力、水流力、拖缆力，其中：坐标系是O-XYZ分别沿着拖船的运动方向、船舶左舷方向和垂直方向建立的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)可以进行锚链线的静力学与动力学分析仿真；(2)能够考虑船舶运动对锚链线的形状和应力的影响；(3)具有仿真快速准确性的特点，可以用于实时仿真；(4)数学模型预留了与模拟操作系统的接口，可以方便的应用在锚链线操作模拟器中；(5)能够快速指导现场施工人员施工，对海洋工程中管道铺设设计人员提供良好的参考。
附图说明
图1是本发明在进船阶段浮托安装作业示意图；
图2是系泊线缆垂荡时历曲线；
图3是系泊线缆横摇时历曲线；
图4是系泊线缆纵摇时历曲线；
图5是系泊线缆首摇时历曲线；
图6是系泊线缆在t＝1200s时形态图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明提供一种在进船阶段浮托安装作业建模仿真方法，基于时域船舶运动理论建立浮托安装驳船系泊运动计算数学模型，运用集中质量法建立锚链模型，采用准静态的悬链线法建立交叉缆模型，基于MMG方程理论，根据船舶六自由度操纵运动方程建立拖船运动数学模型，从而实现能够准确的分析在进船阶段浮托安装作业的驳船与缆绳运动与受力，且仿真速度上可以满足实时仿真要求的建模方法。
本发明具体包括以下步骤：
第一步，设置驳船船型参数，设置风速风向，流速流向并基于时域船舶运动理论，根据船舶六自由度操纵运动方程，结合浮托安装驳船进船耦合运动的特点建立驳船运动数学模型。
步骤一建立与求解时域运动方程的特征如下：
基于牛顿第二定律得到一阶船体运动方程：
式中：MRB——刚体矩阵；A(∞)——频率趋于无穷时附加矩阵；τexc——其他外部力；K(t)——迟滞矩阵；h(τ)——延时函数表征了由于自由面记忆效应产生的影响；Cξ——线性恢复力。
第二步，设置锚链线属性并输入导缆孔位置与运动数据，建立锚链线数学模型。
步骤二利用集中质量法求解特征如下：
由Morison方程计算得到的水动力，且有来自连接自海床的锚泊力，所述步骤通过如下公式计算：
式中：D——线缆截面直径；——单位锚链线长度上的作用力；ρ——流体密度；CM＝1+CA——惯性力系数；CA——附加质量系数；CD——拖曳力系数；u和——分别为流体质点的速度和加速度；——浮体运动速度；式中第一项为克雷洛夫弗如德力，第二项为附加质量力，第三项为拖曳力
进一步的，每个节点的运动计算方法为：
是式中：mi——节点i的质量矩阵；ai——节点i的附加质量矩阵；Ti+(1/2)和Ti-(1/2)——模型中在i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部刚度；Ci+(1/2)和Ci-(1/2)——模型中在i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部阻尼力；Wi——节点i处的重力；Bi——节点i处的垂向接触力；Dpi——节点i处的横向阻力；Dqi——考虑表面摩擦和形状阻力的切向阻力。
公式中的二阶常微分方程可以很变为为一阶常微分方程，通过连续时间步的二阶龙格库塔法进行积分计算。
第三步，设置交叉缆线属性并输入驳船与交叉缆的连接点运动数据，建立交叉缆数学模型，其特征在于考虑了拖带缆和交叉缆的悬垂度、重量及弹性的影响，同时缆索张力和重力对浮托安装系统的摇荡运动的影响，选择采用悬链线简化方法进行拖缆和交叉缆索的运动及张力求解。
步骤三受交叉缆索的运动及张力，所述步骤通过如下公式计算：
式中：H——悬垂高度；θ0——线缆端点与水平面间夹角；Lc——不可伸长长度；lc——两端点之间的距离；E——线缆材料弹性模量；TH——水平线缆张力；w——线缆单位长度重量；A——线缆横截面面积。
第四步，设置拖带缆属性并输入驳船与拖带缆连接点的运动参数，基于MMG理论，建立拖船的运动方程。
步骤四建立拖船运动数学模型特征如下：
拖船的操纵运动方程：
式中，mt表示拖船质量，Ixt，Iyt，Izt分别表示拖船绕OX、OY和OZ轴的转动惯量，ut、νt、ωt、pt、qt、rt分别表示拖船纵向、横向和垂向的速度以及绕OX、OY和OZ轴的角速度，X、Y、Z、L、M、N表示船舶六自由度运动，下标H、P、R、W、F、C、T分别表示拖船的水动力、螺旋桨力、舵力、波浪力、风力、水流力、拖缆力，其中：坐标系是O-XYZ分别沿着拖船的运动方向、船舶左舷方向和垂直方向建立的。
本发明的原理是：(1)设置驳船船型参数，设置风速风向，流速流向并基于时域船舶运动理论建立驳船六自由度数学模型，得出驳船运动数据；具体是根据船舶六自由度操纵运动方程，结合浮托安装驳船进船耦合运动的特点建立驳船运动数学模型。(2)设置锚链线属性并输入导缆孔位置与运动数据，通过锚链线数学模型把锚链线张力在系统中显示；具体是采用集中质量法计算浮托安装驳船系泊张力，建立进船阶段的锚链线数学模型。(3)设置交叉缆线属性并输入连接点运动数据，通过交叉缆数学模型把交叉缆力在系统中显示：具体是：采用准静态的悬链线法，在多种工况下对驳船系泊运动进行数值模拟。(4)设置交叉缆属性并输入驳船与交叉缆连接点的运动参数，采用MMG方程理论建立拖船运动数学模型把拖缆力在系统中显示；具体是：考虑环境力模型，建立浮托安装驳船进船拖带船缆耦合运动模型。本发明用于在进船阶段浮托安装作业实时运动仿真数据的提供，其仿真结果够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中在进船阶段浮托安装作业时设计人员提供良好的参考。
为了验证本发明方法的有效性和效果，举例进行说明，该实例包含以下步骤：
进船阶段系泊缆张力变化建模仿真
1)实施条件
进船准备阶段的选用系泊缆为直径76mm的锚链：
环境参数：不考虑海流；
设定采样时间为0.01s，运行时间为1200s
在500s前为静水，500s为波浪有义波高为2.5m，浪向为0度。
2)仿真结果及分析
垂荡图2、横摇图3和纵摇图3运动均是在500s内为0且保持不变并在t＝500s后在上下往复振荡，其首摇在500s～900s呈逐渐增大趋势并在900s后趋于稳定，本发明并在t＝1200s后可以得到系泊缆形态图6。采用本建模方法可以保证实时性仿真的需要。
本发明对锚链线的动力学仿真分析，能够考虑船舶运动对锚链的形状和应力的影响，具有仿真快速准确性的特点，可以用于实时仿真，并预留了与模拟操作系统的接口，可以方便的应用在浮托安装操作模拟器中，能够快速指导现场施工人员施工，对海洋工程中浮托安装设计人员提供良好的参考
综上，本专利发明了一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，运用准静态的悬链线法和动力分析集中质量法，建立浮托安装驳船系泊运动计算数学模型，基于MMG方程理论，根据船舶六自由度操纵运动方程建立拖船运动数学模型，从而实现能够准确的分析在进船阶段浮托安装作业的驳船与缆绳运动与受力，且仿真速度上可以满足实时仿真要求的建模方法，其仿真结果够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中在进船阶段浮托安装作业时设计人员提供良好的参考。

Claims (1)

1.一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，其特征在于：包括用来装载平台上部结构的安装驳船、多用途拖船、连接驳船和桩柱的交叉缆、连接驳船和拖船的拖带缆、起到固定作用的锚链线和系泊缆，步骤如下：
第一步：设置驳船的船型参数、风速风向、流速流向，并基于时域船舶运动理论，根据船舶六自由度操纵运动方程，结合浮托安装驳船进船耦合运动的特点建立驳船的运动数学模型并得到驳船的运动数据，
所述驳船的运动数学模型为：
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式中：MRB是刚体矩阵；A(∞)是频率趋于无穷时附加矩阵；τexc是其他外部力；K(t)是迟滞矩阵；Cξ是线性恢复力；ξ、分别表示驳船运动距离、速度、加速度矢量；延时函数h(τ)表征了由于自由面记忆效应产生的影响；
第二步：设置锚链线属性并输入导缆孔位置与运动数据，建立锚链线的数学模型为：
<mrow> <msubsup> <mi>F</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mi>C</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;D</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>4</mn> </mfrac> <msub> <mi>C</mi> <mi>M</mi> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;D</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>4</mn> </mfrac> <msub> <mi>C</mi> <mi>A</mi> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>&amp;rho;C</mi> <mi>D</mi> </msub> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>-</mo> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>-</mo> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow>
式中：单位锚链线长度上的作用力，D是锚链线截面直径；ρ是流体密度；CM＝1+CA是惯性力系数；CA是附加质量系数；CD是拖曳力系数；u和是分别为流体质点的速度和加速度；是浮体运动速度；
在锚链线上选取n个节点，每个节点的运动计算方法为：
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式中：mi是节点i的质量矩阵；ai是节点i的附加质量矩阵；节点i处的加速度；Ti+(1/2)和Ti-(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部刚度；Ci+(1/2)和Ci-(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i-(1/2)处的内部阻尼力；Wi是节点i处的重力；Bi是节点i处的垂向接触力；Dpi是节点i处的横向阻力；Dqi是考虑表面摩擦和形状阻力的切向阻力；
第三步：设置交叉缆的属性并输入驳船与交叉缆的连接点的运动数据，建立交叉缆数学模型：
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式中：H是悬垂高度；θ0是线缆端点与水平面间夹角；Lc是不可伸长长度；lc是两端点之间的距离；E是线缆材料弹性模量；TH是水平线缆张力；w是线缆单位长度重量；A是线缆横截面面积；
第四步：设置拖带缆属性并输入驳船与拖带缆连接点的运动参数，基于MMG理论，得到拖船的运动方程：
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式中：mt表示拖船质量，Ixt，Iyt，Izt分别表示拖船绕OX、OY和OZ轴的转动惯量，ut、νt、ωt、pt、qt、rt分别表示拖船纵向、横向和垂向的速度以及绕OX、OY和OZ轴的角速度，X、Y、Z、L、M、N分别表示船舶六自由度运动，下标Ht、Pt、Rt、Wt、Ft、Ct、Tt分别表示拖船的水动力、螺旋桨力、舵力、波浪力、风力、水流力、拖缆力，其中：坐标系是O-XYZ分别沿着拖船的运动方向、船舶左舷方向和垂直方向建立的。
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