CN110304200B - 用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统及分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统及分析方法，三点锚泊定位系统包括第一锚泊组件、第二锚泊组件和第三锚泊组件；第一锚泊组件和第二锚泊组件均设于船舶首部甲板上，第三锚泊组件设于船舶尾部甲板上；第一锚泊组件包括第一定位锚、第一锚链以及第一锚泊绞车；第二锚泊组件包括第二定位锚、第二锚链以及第二锚泊绞车；第三锚泊组件包括第三定位锚、导缆器、钢丝绳以及系泊绞车；第一锚泊组件和第二锚泊组件分别设于船体纵向线的两侧，第三锚泊组件的导缆器设于船舶尾部。本发明的三点锚泊定位系统具有成本低、经济性较高的优点；本发明的定位分析方法，兼顾使用过程中的经济性以及建造的成本，更为灵活经济。

Description

用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统及分析方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，特别涉及一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统及分析方法。
背景技术
大多数的海洋工程作业船在下放ROV(遥控无人潜水器)、管道铺设、钻井等作业工况下需要采用动力定位系统或者锚泊定位系统来进行定位作业。
如果采用动力定位系统进行定位作业，不仅造价较高，使用过程中油耗也较高，成本较大。
如果采用锚泊定位系统进行作业，就必然要在设计过程中配备相应的定位绞车及储缆卷筒，需要占用本船较大的空间，建造成本较大。
然而，在渤海区域，其水深多为小于20m的浅水海域，海况条件相对较为缓和，无论是采用动力定位系统还是锚泊定位系统，其经济性均较差，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统及分析方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，其包括第一锚泊组件、第二锚泊组件和第三锚泊组件；第一锚泊组件和第二锚泊组件均设于船舶首部甲板上；第一锚泊组件包括第一定位锚、连接于第一定位锚的第一锚链以及用于控制第一锚链的第一锚泊绞车；第二锚泊组件包括第二定位锚、连接于第二定位锚的第二锚链以及用于控制第二锚链的第二锚泊绞车；第三锚泊组件包括第三定位锚、导缆器、连接于第三定位锚且穿设于导缆器的钢丝绳以及用于控制钢丝绳的系泊绞车；第一锚泊组件和第二锚泊组件分别设于船体纵向线的两侧，第三锚泊组件的导缆器和第三定位锚均设于船舶尾部甲板。
较佳地，第一定位锚为航行锚。
较佳地，第二定位锚为航行锚。
较佳地，系泊绞车为船舶A型架的配套系泊绞车，系泊绞车设于船舶甲板中部。
较佳地，第三定位锚为大抓力锚。
较佳地，导缆器为四滚柱导缆器。
一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其使用如前所述的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，其包括以下步骤：
步骤1，计算作用在船体上的环境载荷，环境载荷包括风载荷、流载荷和波浪载荷；计算船舶的附连水质量、辐射阻尼、一阶波浪载荷、二阶波浪载荷；分别测量出第一锚链、第二锚链和钢丝绳的回复力，分别计算第一锚链、第二锚链和钢丝绳的弹性系数，计算出船舶的回复刚度矩阵；
步骤2，在指定的时域内，将步骤1得到的数值输入公式
Figure BDA0002131745730000021
式中：M表示船舶的质量；A(w)表示船舶的附连水质量；C(w)表示船舶的辐射阻尼；K表示船舶的回复刚度矩阵；
Figure BDA0002131745730000022
x分别对应船舶在相应自由度的加速度、速度和位移；qc表示流载荷；qmooring表示锚泊系统提供的回复力；
Figure BDA0002131745730000023
表示一阶波浪载荷；
Figure BDA0002131745730000024
表示二阶波浪载荷；
根据上述公式计算出船舶的位移x；
步骤3，根据步骤2得到的船舶的位移x的数值，计算在不同环境载荷方向时第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力以及第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷；
步骤4，根据第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力数值检验是否已超过最大张力，根据第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷数值检验是否已经超过许用载荷。
较佳地，步骤2中的时域为3个小时。
较佳地，步骤3中，环境载荷方向为环境载荷与船体纵向线的夹角，环境载荷方向为0°～180°。
较佳地，步骤3中，环境载荷方向的角度步长为15°。
本发明的有益效果在于：本发明的三点锚泊定位系统，在环境条件较为缓和的浅水海域使用时，与动力定位系统相比，本发明成本低，经济性较高。本发明的三点锚泊定位系统，与常规的锚泊定位系统相比，无需配置专用的定位锚机、定位绞车及配套的锚链/系泊缆、定位锚等设备，从而大大节省空间与设备成本；与常规的锚泊定位系统相比，本发明还具有布置灵活的优点。本发明的定位分析方法，兼顾使用过程中的经济性以及建造的成本，配合原船的动力定位系统，更为灵活经济。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的结构示意图。
图2为图1中A部分放大示意图。
图3为本发明较佳实施例的第一锚泊组件和第二锚泊组件的结构示意图。
图4为本发明较佳实施例的工作状态示意图。
图5为本发明较佳实施例的许用环境载荷方向示意图。
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
如图1、图2和图3所示，一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，其包括第一锚泊组件10、第二锚泊组件20和第三锚泊组件30。
第一锚泊组件10和第二锚泊组件20均设于船舶首部甲板51上，第三锚泊组件30设于船舶尾部甲板上。第一锚泊组件10和第二锚泊组件20分别设于船体纵向线的两侧。
第一锚泊组件10包括第一定位锚11、连接于第一定位锚的第一锚链12以及用于控制第一锚链的第一锚泊绞车13。
第二锚泊组件20包括第二定位锚21、连接于第二定位锚的第二锚链22以及用于控制第二锚链的第二锚泊绞车14。
第一定位锚和第二定位锚均为航行锚。
第三锚泊组件30包括第三定位锚31、导缆器32、连接于第三定位锚且穿设于导缆器的钢丝绳33以及用于控制钢丝绳的系泊绞车34。
系泊绞车为船舶A型架的配套系泊绞车。系泊绞车设于船舶甲板中部。第三定位锚为大抓力锚。导缆器为四滚柱导缆器。四滚柱导缆器和大抓力锚均设于船舶尾部甲板52。
本实施例的三点锚泊定位系统，主要适用于水深为20m左右的浅水区的临时定位作业。
本实施例中，第一锚泊组件和第二锚泊组件均可以采用船舶现有的设备，即可以采用船舶首部的两个航行锚组件。航行锚是船舶的标准配件。航行锚组件包括航行锚、航行锚的锚链以及航行锚的锚机。因此，第一锚泊组件和第二锚泊组件均无需再另行设置。
本实施例中，第三锚泊组件中的系泊绞车也采用船舶现有的设备，即船舶A型架的配套系泊绞车。在现有设备基础上，只需增加钢丝绳、导缆器和定位锚。
本发明的三点锚泊定位系统，在环境条件较为缓和的浅水海域使用时，与动力定位系统相比，本发明成本低，经济性较高。
本发明的三点锚泊定位系统，与常规的锚泊定位系统相比，无需配置专用的定位锚机、定位绞车及配套的锚链/系泊缆、定位锚等设备，从而大大节省空间与设备成本；与常规的锚泊定位系统相比，本发明还具有布置灵活的优点。
本发明的三点锚泊定位系统，属于临时三点锚泊定位系统，在一定的水深及气象窗口条件下，代替动力定位系统实现定位作业，提高作业的经济性。
一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其使用本实施例的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统。本实施例的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，工作状态如图4所示。船舶60上设置第一定位锚11、第一锚链12、第二定位锚21、第二锚链22、第三定位锚31和钢丝绳33。
本实施例中，用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，第一锚泊组件和第二锚泊组件为相同的组件，锚泊系统主要参数如下表。
表一，锚泊系统主要参数
名称 第一锚链/第二锚链 钢丝绳
直径 36mm 32mm
重量 28.38kg/m 4.07kg/m
破断载荷 1050kN 600kN
许用张力 600kN(安全系数为1.75) 342kN(安全系数为1.75)
泊距 200m 300m
与船体纵向夹角 60° 0°
总长 220m 600m
锚型 2.2t斯贝克锚 1.75t大抓力锚
锚水平许用载荷 129kN 147kN
锚垂向许用载荷 0kN 0kN
就上述的三点锚泊定位系统，用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法包括以下步骤：
步骤1，计算作用在船体上的环境载荷，环境载荷包括风载荷、流载荷和波浪载荷；计算船舶的附连水质量、辐射阻尼、一阶波浪载荷、二阶波浪载荷；分别测量出第一锚链、第二锚链和钢丝绳的回复力，分别计算第一锚链、第二锚链和钢丝绳的弹性系数，计算出船舶的回复刚度矩阵。
1、作用在船体上的环境载荷包括风载荷、流载荷和波浪载荷。
风载荷根据Werner Blendermann(1992)推荐的公式进行估算。
流载荷根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)发表的计算方法估算。1977年和1994年，石油公司国际海事论坛(OCIMF)2次发表了船舶的风载荷和流载荷的计算方法，因其模型试验资料的完整性，目前已成为各种应用研究的标准载荷计算方法。
波浪载荷以三种形式作用在系泊船体上：
(1)以波频振荡的一阶波浪载荷，它是波浪载荷的主要成份，将引起浮体的波频运动，通过水动力软件HYDROSTAR计算其一阶波浪载荷传递函数。
(2)缓变的二阶差频波浪载荷，该波浪成分频率较低，量值较小，但一旦其频率和系泊系统的自振频率接近，将引起浮体的大幅纵、横荡运动，巨大的惯性力作用于锚泊系统上，会导致锚泊系统的损坏，且在浅水条件下，计算二阶差频波浪载荷时需考虑浅水效应。通过水动力软件HYDROSTAR，考虑浅水效应，计算其二阶差频波浪载荷传递函数(QTF)。
(3)二阶平均漂移力，其为二阶波浪载荷中的定常部份，一般与波高成平方关系，一旦波高增大，它将迅速增加，该波浪载荷成分包含于二阶差频波浪载荷传递函数(QTF)。
2、计算船舶的附连水质量、辐射阻尼、一阶波浪载荷、二阶波浪载荷。
基于线性三维势流理论，考虑非线性横摇阻尼，计及舭龙骨的影响，采用经典的ITH半经验公式估算该船的横摇一阶阻尼和二阶阻尼。针对船舶作业吃水工况，建立水动力计算模型，计算该船的附连水质量、辐射阻尼、一阶波浪载荷、二阶差频波浪载荷(QTF)等水动力参数，作为动力定位能力及锚泊定位能力校核的输入条件。
3、分别测量出第一锚链、第二锚链和钢丝绳的回复力，分别计算第一锚链、第二锚链和钢丝绳的弹性系数，计算出船舶的回复刚度矩阵。
弹性力的计算通过数值分析的方法得到，建立带有系泊缆及船体的模型，通过沿纵向、横向、艏摇方向逐步移动船位，得到相应方向受到的缆绳张力合力，从而计算回复刚度矩阵。
步骤2，计算在3小时时域内的船舶运动响应及锚泊系统受力，基于步骤1得到的相关参数的数值，计算船舶的位移值。
将步骤1得到的数值输入公式：
Figure BDA0002131745730000071
式中：M表示船舶的质量；A(w)表示船舶的附连水质量；C(w)表示船舶的辐射阻尼；K表示船舶的回复刚度矩阵；
Figure BDA0002131745730000072
x分别对应船舶在相应自由度的加速度、速度和位移；qc表示流载荷；qmooring表示锚泊系统提供的回复力；
Figure BDA0002131745730000073
表示一阶波浪载荷；
Figure BDA0002131745730000074
表示二阶波浪载荷；
上述公式中，
Figure BDA0002131745730000075
是x的二阶倒数、
Figure BDA0002131745730000076
是x的一阶倒数。
根据上述公式计算出船舶的位移x。
步骤3，根据步骤2得到的船舶的位移x的数值，基于带有系泊缆及船体的模型，通过沿纵向、横向、艏摇方向移动相应位移，得到相应缆绳的张力。从而计算在不同环境载荷方向时第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力以及第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷。
基于带有系泊缆及船体的模型，通过沿纵向、横向、艏摇方向移动相应位移，得到相应缆绳的张力。
环境载荷方向为环境载荷与船体纵向线的夹角。本实施例中，由于锚泊系统对称，环境载荷方向为0°～180°。环境载荷方向的角度步长为15°。锚泊系统载荷如下表。
表二，锚泊系统载荷
Figure BDA0002131745730000077
Figure BDA0002131745730000081
步骤4，根据第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力数值检验是否已超过最大张力，根据第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷数值检验是否已经超过许用载荷。
根据表二所列的计算结果，将其与表一所列的第一锚链、第二锚链及钢丝绳的许用张力、第一定位锚、第二定位锚及第三定位锚的许用载荷相比较，可以得出：随着环境载荷方向从沿船体纵向变为沿船体横向，系泊索均未失效，首部的第一定位锚和第二定位锚最先失效，其次失效的是尾部的第三定位锚。许用的环境载荷方向如图5所示。
本发明的定位分析方法，兼顾使用过程中的经济性以及建造的成本，配合原船的动力定位系统，更为灵活经济。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其使用用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统，用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位系统包括第一锚泊组件、第二锚泊组件和第三锚泊组件；第一锚泊组件和第二锚泊组件均设于船舶首部甲板上；第一锚泊组件包括第一定位锚、连接于第一定位锚的第一锚链以及用于控制第一锚链的第一锚泊绞车；第二锚泊组件包括第二定位锚、连接于第二定位锚的第二锚链以及用于控制第二锚链的第二锚泊绞车；第三锚泊组件包括第三定位锚、导缆器、连接于第三定位锚且穿设于导缆器的钢丝绳以及用于控制钢丝绳的系泊绞车；第一锚泊组件和第二锚泊组件分别设于船体纵向线的两侧，第三锚泊组件的导缆器和第三定位锚均设于船舶尾部甲板；用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法包括以下步骤：
步骤1，计算作用在船体上的环境载荷，环境载荷包括风载荷、流载荷和波浪载荷；计算船舶的附连水质量、辐射阻尼、一阶波浪载荷、二阶波浪载荷；分别测量出第一锚链、第二锚链和钢丝绳的回复力，分别计算第一锚链、第二锚链和钢丝绳的弹性系数，计算出船舶的回复刚度矩阵；
步骤2，在指定的时域内，将步骤1得到的数值输入公式
Figure FDA0002542669140000011
式中：M表示船舶的质量；A(w)表示船舶的附连水质量；C(w)表示船舶的辐射阻尼；K表示船舶的回复刚度矩阵；
Figure FDA0002542669140000012
x分别对应船舶在相应自由度的加速度、速度和位移；qc表示流载荷；qmooring表示锚泊系统提供的回复力；
Figure FDA0002542669140000013
表示一阶波浪载荷；
Figure FDA0002542669140000014
表示二阶波浪载荷；
根据上述公式计算出船舶的位移x；
步骤3，根据步骤2得到的船舶的位移x的数值，计算在不同环境载荷方向时第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力以及第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷；
步骤4，根据第一锚链、第二锚链及钢丝绳的受力数值检验是否已超过最大张力，根据第一定位锚、第二定位锚和第三定位锚的载荷数值检验是否已经超过许用载荷。
2.如权利要求1所述的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其特征在于，步骤2中的时域为3个小时。
3.如权利要求1所述的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其特征在于，步骤3中，环境载荷方向为环境载荷与船体纵向线的夹角，环境载荷方向为0°～180°。
4.如权利要求1所述的用于浅水区船舶定位作业的三点锚泊定位分析方法，其特征在于，步骤3中，环境载荷方向的角度步长为15°。
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