CN107729641A - 一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法 - Google Patents
一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，包括如下步骤：(1)建立环境载荷模块，计算出环境总载荷；(2)建立船舶作用力模块，计算出船舶所受的船舶作用力；(3)建立推力分配模块，将环境总载荷和船舶作用力叠加，输入至推力分配模块通过增广拉格朗日算法对外载荷进行推力器推力分配；(4)判断条件Ti＞Timax和v2‑v1＜δ是否满足，若满足则v2为船舶在当前环境载荷下的极限风速，若不满足则利用二分法循环计算得到极限风速；接着，增加风向角φ一个单位，即10°，重复前四个步骤，直到完成360°以内所有角的极限风速的计算；最后，根据360°极限风速的计算，绘制出船舶极限风速的动力定位能力曲线图。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力定位能力的分析方法，特别涉及一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法。
背景技术
随着人类的探索领域向广袤的大洋延伸，在深水区域作业的海洋结构物，如海洋平台，各类工作船等的定位问题变的日益突出。在浅水区域，海洋结构物的定位尚且可以通过锚泊方式解决，但随着水深的加大，锚泊定位的成本呈指数趋势升高，所以需要新型的定位方式解决海洋结构物定位的问题。动力定位便是在这一背景下出现并发展起来的。海洋结构物上配置的动力定位系统通过卫星或水声列阵获得结构物当前位置，控制器由其与目标位置的偏差值计算出结构物回复到目标位置所需推力和转矩，推力系统产生所需的推力和转矩，使海洋结构物保持在目标位置附近。
动力定位能力分析能够得到海洋结构物在不同艏向角下的动力定位能力。在设计和使用一套新的动力定位系统时，操作安全一直是第一要位的。为了预期达到一种安全和有效的操作，该系统在工作海域不同艏向下能够承受的最大环境力是必须要了解清楚的。因此在设计新的动力定位系统海洋结构物时，必须要进行动力定位能力分析。
在进行动力定位能力分析时，传统的求解方法是在某计算角度下，逐步增加风速，通过推力分配，判断有无可行解。如果有可行解，则代表海洋结构物能够抵抗该风速所产生的力。继续增加风速，直到无可行解产生，即得到该角度下海洋结构物所能抵抗的最大风速，该角度的定位能力分析完成。再变换到其他角度进行分析。但是该方法所存在的缺点就是求解过程较慢，在进行求解的过程中，通常是要遍历计算域内的所有值，以判断是否存在可行解。另外，计算的规模以及计算步数事先也并不可知和估计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，以解决现有技术在动力定位能力分析计算中计算速度较慢以及求解步数事先不可估计的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特创新点在于：包括如下步骤：
(1)建立环境载荷模块，包括风载荷计算模块、流载荷计算模块和波浪载荷计算模块，估计船舶所受风速的下限值v1和上限值v2，给定风速精度δ并确定环境条件的作用角度，即船舶相对于风、流、浪的迎角φ，初始角φ为0°，并将风浪流同向迎角φ作用于船舶，计算出风速的平均值v＝(v1+v2)/2，再将该平均值输入至风载荷计算模块计算出风载荷；
(2)将步骤(1)计算出的风载荷输入至波浪载荷计算模块计算出波浪载荷，同时将海流的恒速值输入至流载荷计算模块，计算出流载荷，风载荷、波浪载荷和流载荷相叠加，形成环境总载荷；
(3)建立船舶作用力模块，通过船舶作用力模块计算出船舶所受的船舶作用力；
(4)建立推力分配模块，将上述计算出的环境总载荷和船舶作用力叠加，并输入至推力分配模块对外载荷进行推力器推力分配，计算出主推进器推力Ti；
(5)判断条件Ti＞Timax和v2-v1＜δ是否满足，若满足则v2为船舶在当前环境载荷下的极限风速，若不满足则利用二分法循环计算得到极限风速；接着，增加风向角φ一个单位，即10°，重复前四个步骤，直到完成360°以内所有角的极限风速的计算；最后，根据360°极限风速的计算，绘制出船舶极限风速的动力定位能力曲线图。
进一步地，所述风载荷计算模块用于对船型风载荷计算，船舶在水面上受到风作用分解到运动坐标系，可看成风对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度方向上的平均作用力和力矩，其计算公式如下：
式中，Fwindx、Fwindy、Fwindz分别为船舶受到的纵向力、横向力(kN)和绕z轴的力矩(kN·m)；αR为风舷角(°)；Cx(αR)、Cy(αR)、Cz(αR)为不同风舷角下纵向、横向和绕z轴的风载荷系数；ρa为空气密度(kg/m3)；VR为相对风速(m/s)；AT和AL分别为船体在水线上的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)。
进一步地，所述流载荷计算模块对各种船型进行流载荷计算，具体计算公式如下：
式中，β为海流来流方向入射角；Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向方向上海流作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；Afw、Asw分别为船舶在水线以下的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)；Vc为海流流速(m/s)；Cx(β)、Cy(β)、Cz(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向以及艏摇方向上的流载荷系数。
进一步地，所述波浪载荷计算模块采用近场积分理论来计算二阶波浪力得到浪载荷，其载荷计算公式如下：
式中，γ为浪向角；Fwavex(γ)、Fwavey(γ)、Fwavez(γ)分别为浪向角为γ情况下的纵向、横向方向上的浪作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；g为重力加速度(m/s2)；L为船舶垂线间长(m)；Cx(γ,ω)、Cy(γ,ω)、Cz(γ,ω)分别为浪向角为γ频率为ω时的纵向、横向以及艏摇方向上的浪载荷系数；S(ω)为海浪波能谱。
进一步地，所述主推进器推力，计算公式如下：
式中，T为主推进器推力(kN)，ω为主推进器转速(r/s)，δ为舵角(°)；kp、kn分别为主推进器正转速时推力系数和负转速时推力系数。
本发明的优点在于：与现有的计算方法相比，本计算方法具有求解步数较少求解时间较短的特点，同时寻优的步数可以预先估计，因而具有更强的稳定性和更高的效率；且采用本方法，可以提升动力定位能力分析的效率，在求解点数较大的情况下，这种效率的提升体现的更为明显。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法的流程图。
图2为应用实施例中风载荷系数的曲线图。
图3为应用实施例中流载荷系数的曲线图。
图4～图6为应用实施例中浪载荷系数的曲线图。
图7和图8为应用实施例中流速为1节时极限风速曲线图。
图9和图10为应用实施例中流速为2节时极限风速曲线图。
图11和图12为应用实施例中流速为3节时极限风速曲线图。
图13和图14为应用实施例中流速为4节时极限风速曲线图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)建立环境载荷模块，包括风载荷计算模块、流载荷计算模块和波浪载荷计算模块，估计船舶所受风速的下限值v1和上限值v2，给定风速精度δ并确定环境条件的作用角度，即船舶相对于风、流、浪的迎角φ，初始角φ为0°，并将风浪流同向迎角φ作用于船舶，计算出风速的平均值v＝(v1+v2)/2，再将该平均值输入至风载荷计算模块计算出风载荷；
(2)将步骤(1)计算出的风载荷输入至波浪载荷计算模块计算出波浪载荷，同时将海流的恒速值输入至流载荷计算模块，计算出流载荷，风载荷、波浪载荷和流载荷相叠加，形成环境总载荷；
(3)建立船舶作用力模块，通过船舶作用力模块计算出船舶所受的船舶作用力；
(4)建立推力分配模块，将上述计算出的环境总载荷和船舶作用力叠加，并输入至推力分配模块对外载荷进行推力器推力分配，计算出主推进器推力Ti；
(5)判断条件Ti＞Timax和v2-v1＜δ是否满足，若满足则v2为船舶在当前环境载荷下的极限风速，若不满足则利用二分法循环计算得到极限风速；接着，增加风向角φ一个单位，即10°，重复前四个步骤，直到完成360°以内所有角的极限风速的计算；最后，根据360°极限风速的计算，绘制出船舶极限风速的动力定位能力曲线图。
实施例中，风载荷计算模块用于对船型风载荷计算，船舶在水面上受到风作用分解到运动坐标系，可看成风对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度方向上的平均作用力和力矩，其计算公式如下：
式中，Fwindx、Fwindy、Fwindz分别为船舶受到的纵向力、横向力(kN)和绕z轴的力矩(kN·m)；αR为风舷角(°)；Cx(αR)、Cy(αR)、Cz(αR)为不同风舷角下纵向、横向和绕z轴的风载荷系数；ρa为空气密度(kg/m3)；VR为相对风速(m/s)；AT和AL分别为船体在水线上的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)。
实施例中，流载荷计算模块对各种船型进行流载荷计算，具体计算公式如下：
式中，β为海流来流方向入射角；Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向方向上海流作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；Afw、Asw分别为船舶在水线以下的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)；Vc为海流流速(m/s)；Cx(β)、Cy(β)、Cz(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向以及艏摇方向上的流载荷系数。
实施例中，波浪载荷计算模块采用近场积分理论来计算二阶波浪力得到浪载荷，其载荷计算公式如下：
式中，γ为浪向角；Fwavex(γ)、Fwavey(γ)、Fwavez(γ)分别为浪向角为γ情况下的纵向、横向方向上的浪作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；g为重力加速度(m/s2)；L为船舶垂线间长(m)；Cx(γ,ω)、Cy(γ,ω)、Cz(γ,ω)分别为浪向角为γ频率为ω时的纵向、横向以及艏摇方向上的浪载荷系数；S(ω)为海浪波能谱。
进一步地，所述主推进器推力，计算公式如下：
式中，T为主推进器推力(kN)，ω为主推进器转速(r/s)，δ为舵角(°)；kp、kn分别为主推进器正转速时推力系数和负转 速时推力系数。
应用实施例
本实施例采用大型耙吸挖泥船“通途”号进行动力定位能力分析，其分析过程如下：
(1)主要参数设置及计算
1)船舶参数
大型耙吸挖泥船“通途”号，它船艏配有两个槽道推进器，船艉装备两组舵桨组合推进器，可适用于沿海施工等近海作业；其船舶主要参数如下表1：
表1 “通途”号主要参数
2)推进器参数
大型耙吸挖泥船“通途”号的推进器配置，具体参数如表2所示。
表2 “通途”号推进器参数
3)环境载荷参数
环境载荷计算是船舶动力定位能力分析的基础和前提，所以根据实施例中环境载荷的计算方法以及相关海域水文数据调研，计算得到环境载荷参数如图2、图3、图4、图5和图6；其中，图4～图6中，波浪谱采用JONSWAP谱，波浪有义波高、波浪周期和平均风速之间的关系如表3所示。
表3 有义波高、波浪周期和平均风速之间的关系
(2)动力定位能力分析
根据上述主要参数的设置，利用此评估方法对大型耙吸挖泥船“通途”号进行流速在1节～4节之间的动力定位能力分析，并分别考虑了推进器推力在100％有效和50％有效两种情况下的动力定位能力，其软件运算结果如图7～图14。
从图7中可以看出，当流速为1节，推进器推力100％有效时，大型耙吸挖泥船“通途”号在船艏和船艉周围20°范围内的抗风能力较大，定位能力较强；而在其他地方，该船可以抵抗的极限风速基本都在30节以下，定位能力较差，尤其是在60°～120°和240°～300°之间，船舶抵抗极限风速最小，很难维持船舶在海洋环境中位置和艏向的平衡，进行动力定位。而且随着船舶的推进器功率下降，当推进器推力为原来50％有效时，从图8中可以知道，“通途”号的极限风速曲线范围缩小，整体动力定位能力下降了40％左右，其左舷和右舷方向的抗风能力明显下降，几乎无法正常动力定位。
同时，如图7、9、11和13所示，随着海洋环境流速的增加，“通途”号的极限风速曲线范围明显缩小。当流速达到4节时，如图13，其极限风速曲线已经变成一条直线，表明此时“通途”号不能抵抗海洋环境载荷，保持位置和艏向平衡，进行动力定位。而且从图8、10、12和14中可以看出，当“通途”号的推进器推力功率下降一半时，船舶在流速2节以下风速较小时可以进行动力定位，而当流速超过2节时，“通途”号就不能保持船舶在海洋环境中的位置和艏向平衡了。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)建立环境载荷模块，包括风载荷计算模块、流载荷计算模块和波浪载荷计算模块，估计船舶所受风速的下限值v1和上限值v2，给定风速精度δ并确定环境条件的作用角度，即船舶相对于风、流、浪的迎角φ，初始角φ为0°，并将风浪流同向迎角φ作用于船舶，计算出风速的平均值v＝(v1+v2)/2，再将该平均值输入至风载荷计算模块计算出风载荷；
(2)将步骤(1)计算出的风载荷输入至波浪载荷计算模块计算出波浪载荷，同时将海流的恒速值输入至流载荷计算模块，计算出流载荷，风载荷、波浪载荷和流载荷相叠加，形成环境总载荷；
(3)建立船舶作用力模块，通过船舶作用力模块计算出船舶所受的船舶作用力；
(4)建立推力分配模块，将上述计算出的环境总载荷和船舶作用力叠加，并输入至推力分配模块对外载荷进行推力器推力分配，计算出主推进器推力Ti；
(5)判断条件Ti＞Timax和v2-v1＜δ是否满足，若满足则v2为船舶在当前环境载荷下的极限风速，若不满足则利用二分法循环计算得到极限风速；接着，增加风向角φ一个单位，即10°，重复前四个步骤，直到完成360°以内所有角的极限风速的计算；最后，根据360°极限风速的计算，绘制出船舶极限风速的动力定位能力曲线图。
2.根据权利要求1所述的用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特征在于：所述风载荷计算模块用于对船型风载荷计算，船舶在水面上受到风作用分解到运动坐标系，可看成风对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度方向上的平均作用力和力矩，其计算公式如下：
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式中，Fwindx、Fwindy、Fwindz分别为船舶受到的纵向力、横向力(kN)和绕z轴的力矩(kN·m)；αR为风舷角(°)；Cx(αR)、Cy(αR)、Cz(αR)为不同风舷角下纵向、横向和绕z轴的风载荷系数；ρa为空气密度(kg/m3)；VR为相对风速(m/s)；AT和AL分别为船体在水线上的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)。
3.根据权利要求1所述的用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特征在于：所述流载荷计算模块对各种船型进行流载荷计算，具体计算公式如下：
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式中，β为海流来流方向入射角；Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)、Fcurrentx(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向方向上海流作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；Afw、Asw分别为船舶在水线以下的正投影面积和侧投影面积(m2)；L为船舶垂线间长(m)；Vc为海流流速(m/s)；Cx(β)、Cy(β)、Cz(β)分别为来流入射角为β情况下纵向、横向以及艏摇方向上的流载荷系数。
4.根据权利要求1所述的用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特征在于：所述波浪载荷计算模块采用近场积分理论来计算二阶波浪力得到浪载荷，其载荷计算公式如下：
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式中，γ为浪向角；Fwavex(γ)、Fwavey(γ)、Fwavez(γ)分别为浪向角为γ情况下的纵向、横向方向上的浪作用力(kN)和艏摇方向力矩(kN·m)；ρ为海水密度(t/m3)；g为重力加速度(m/s2)；L为船舶垂线间长(m)；Cx(γ,ω)、Cy(γ,ω)、Cz(γ,ω)分别为浪向角为γ频率为ω时的纵向、横向以及艏摇方向上的浪载荷系数；S(ω)为海浪波能谱。
5.根据权利要求1所述的用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特征在于：所述主推进器推力，计算公式如下：
式中，T为主推进器推力(kN)，ω为主推进器转速(r/s)，δ为舵角(°)；kp、kn分别为主推进器正转速时推力系数和负转速时推力系数。
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