CN112668255A - 一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，N根轴向与竖直方向呈锐角θ、浸入于水中的轴向长度为L_e的三角形桁架式结构在V的拖拽速度下受到水的总拖航阻力根据如下步骤计算：S1：根据如下公式计算等效半径R_e，

其中L_a为一个轴向重复单元的轴向长度，L_a≥1m；∑V_i为一个轴向重复单元内所有钢材的体积之和；S2：采用如下公式计算水下拖航阻力R，单位:牛；R＝N×ρ×L_e×R_e×C_Re×V²×cosθ，其中：ρ为三角形桁架式结构浸入于的水的密度；C_Re为三角形桁架式结构的等效拖拉系数；本方法获取的计算结果与模型试验结果对比可以控制在4‑6％左右，具有计算精度高、适用范围广的特点。

Description

一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法

技术领域

本发明涉及一种拖航阻力的计算方法，更具体地说，涉及一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法。

背景技术

海上拖航运输中，准确估算被拖物的拖航阻力，对选配合适的拖轮，满足规范要求，确保整个拖航航次的安全、经济、有效，具有十分重要的意义。

海洋工程产品中经常会有桁架式结构物，例如跨海大桥的桁架式支撑腿、自升式钻井平台的桁架桩腿、导管架平台的下部桁架支撑结构等。这类桁架式结构物作为海洋工程产品的重要支撑构件，从短航程经济性考虑，经常需要被没浸没入水中拖航到主体工程附近，然后安装到主体工程上。例如在近海油田，为节约时间，具有三角形桁架式桩腿的自升式平台保持桩腿下放状态拖航到目标区域。

目前国内外没有专用于水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，而常用的水面船舶和海洋结构物拖航阻力计算方法也不适用于水下三角形桁架式结构。因而在三角形桁架式结构入水拖航之前，迫切需要一个精度高、适用范围广的阻力计算方法，以便于准确的估算其拖航阻力，这样有利于拖轮选型并及时获得船级社的拖航证书，使整个拖航过程做到安全、经济和高效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，以解决背景技术中提到的问题。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，三角形桁架式结构由三根平行的轴向管作为支柱形成；三角形桁架式结构由多个轴向重复单元沿轴向周期式重复连接形成，N根轴向与竖直方向呈锐角θ、浸入于水中的轴向长度为L_e的三角形桁架式结构在V的拖拽速度下受到水的总拖航阻力根据如下步骤计算：

S1：根据如下公式计算等效半径R_e，单位:米；

其中L_a为一个轴向重复单元的轴向长度，L_a≥1m；∑V_i为一个轴向重复单元内所有钢材的体积之和；

S2：采用如下公式计算水下拖航阻力R，单位:牛；

R＝N×ρ×L_e×R_e×C_Re×V²×cosθ，

其中：

ρ为三角形桁架式结构浸入于的水的密度，单位：千克/立方米；

C_Re为三角形桁架式结构的等效拖拉系数；C_Re根据R_e确定如下：

R_e≤0.7→C_Re＝1.6

0.7＜R_e＜2.75→C_Re＝0.667R_e+1.177。

R_e≥2.75→C_Re＝3.0

轴向管上连接有多组横撑管组，每组横撑管组包括多个位于同一平面内的横撑管，平面均垂直于轴向管；每两组相邻的横撑管组的间距均为轴向重复单元的轴向长度L_a。

每组横撑管组均包含三根横撑管，三根横撑管分别连接于相邻的两个轴向管形成一个三角形。

每组横撑管组内的横撑管之间还连接有中间撑管。

横撑管组间还连接有斜撑管。

本方法获取的计算结果与模型试验结果对比可以控制在4-6％左右，具有计算精度高、适用范围广的特点，可以较大幅度提高海洋工程产品初步设计的效率。通过计算得出的阻力，有利于拖轮选型并及时获得船级社的拖航证书，使整个拖航过程做到安全、经济和高效。

附图说明

图1是拖航示意图；

图2是三角形桁架式结构部分示意图；

图3是图2中的A-A剖面图；

图4是图2中的B-B剖面图。

图中，1、三角形桁架式结构，2、横撑管，3、斜撑管，4、中间撑管，8、半圆板，9、齿条板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。

如图1至图4所示，一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，三角形桁架式结构1由三根平行的轴向管作为支柱形成；三角形桁架式结构1由多个轴向重复单元沿轴向周期式重复连接形成，N根轴向与竖直方向呈锐角θ、浸入于水中的轴向长度为L_e的三角形桁架式结构1在V的拖拽速度下受到水的总拖航阻力根据如下步骤计算：

S1：根据如下公式计算等效半径R_e，单位:米；

其中L_a为一个轴向重复单元的轴向长度，L_a≥1m；∑V_i为一个轴向重复单元内所有钢材的体积之和；

S2：采用如下公式计算水下拖航阻力R，单位:牛；

R＝N×ρ×L_e×R_e×C_Re×V²×cosθ，

其中：

ρ为三角形桁架式结构1浸入于的水的密度，单位：千克/立方米；

C_Re为三角形桁架式结构1的等效拖拉系数；C_Re根据R_e确定如下：

R_e≤0.7→C_Re＝1.6

0.7＜R_e＜2.75→C_Re＝0.667R_e+1.177。

R_e≥2.75→C_Re＝3.0

轴向管上连接有多组横撑管组，每组横撑管组包括多个位于同一平面内的横撑管2，平面均垂直于轴向管；每两组相邻的横撑管组的间距均为轴向重复单元的轴向长度L_a。

每组横撑管组均包含三根横撑管2，三根横撑管2分别连接于相邻的两个轴向管形成一个三角形。

每组横撑管组内的横撑管2之间还连接有中间撑管4。

横撑管组间还连接有斜撑管3。

除此之外，在横撑管2和轴向管的连接处一般还设置半圆板8和齿条板9。作为一种具体实施方式，针对具体例子的计算如下：

一平台有三条三角形桁架式桩腿(N＝3)具备桩腿下放拖航的能力。拖航时三条桩腿放置方式完全相同(包括深度和倾角)，均下放到平台基线(水面下)下17.678米。本发明的桩腿拖航阻力计算值与模型试验结果对比如下：

桩腿相关参数如下所示：

1)截断长度L_a为8.839米；

2)截断长度L_a内各类型构件体积：半圆板8总体积V₁为5.81立方米，齿条板9总体积V₂为3.96立方米，横撑管2总体积V₃为3.07立方米，斜撑管3总体积V₄为5.27立方米，中间撑管4总体积V₅为0.33立方米；

3)等效半径R_e

4)水下拖航阻力R

R＝N×ρ×L_e×R_e×C_Re×V²×cosθ

其中，N＝3个；

ρ＝1025千克/立方米；

L_e＝17.678米；

R_e＝0.815米，C_Re＝0.667R_e+1.177＝1.721；

①θ＝0度，V分别取3、4、5、6、7节时，本发明计算值与模型试验

结果对比如下：

V	V	模型试验结果	本发明计算值	相对差
					(节)	(米/秒)	(牛)	(牛)	(％)
3	1.543	189336	181530	4.3％
					4	2.058	338753	322929	4.9％
5	2.572	532122	504381	5.5％
					6	3.086	766783	726120	5.6％
7	3.601	1041097	988696	5.3％

②V＝3.086米/秒(6节)，θ分别取10、20、30、40、50度时，本发明

计算值与模型试验结果对比如下：

通过对比模型试验值和本发明的计算值可以发现，两者的差距在4-6％左右。证明本发明具有计算精度高、适用范围广的特点，可以较大幅度提高海洋工程产品初步设计的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，三角形桁架式结构(1)由三根平行的轴向管作为支柱形成；所述三角形桁架式结构(1)由多个轴向重复单元沿轴向周期式重复连接形成，其特征在于，N根轴向与竖直方向呈锐角θ、浸入于水中的轴向长度为L_e的所述三角形桁架式结构(1)在V的拖拽速度下受到水的总拖航阻力根据如下步骤计算：

S1：根据如下公式计算等效半径R_e，单位:米；

其中L_a为一个所述轴向重复单元的轴向长度，L_a≥1m；∑V_i为一个所述轴向重复单元内所有钢材的体积之和；

S2：采用如下公式计算水下拖航阻力R，单位:牛；

R＝N×ρ×L_e×R_e×C_Re×V²×cosθ，

其中：

ρ为所述三角形桁架式结构(1)浸入于的水的密度，单位：千克/立方米；

C_Re根据R_e确定如下：

R_e≤0.7→ C_Re＝1.6

0.7＜R_e＜2.75→ C_Re＝0.667R_e+1.177。

R_e≥2.75→ C_Re＝3.0

2.根据权利要求1所述获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，其特征在于，所述轴向管上连接有多组横撑管组，每组所述横撑管组包括多个位于同一平面内的横撑管(2)，所述平面均垂直于所述轴向管；每两组相邻的所述横撑管组的间距均为所述轴向重复单元的轴向长度L_a。

3.根据权利要求2所述获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，其特征在于，每组所述横撑管组均包含三根所述横撑管(2)，三根所述横撑管(2)分别连接于相邻的两个所述轴向管形成一个三角形。

4.根据权利要求3所述获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，其特征在于，每组所述横撑管组内的横撑管(2)之间还连接有中间撑管(4)。

5.根据权利要求2或3所述获取水下三角形桁架式结构拖航阻力的计算方法，其特征在于，所述横撑管组间还连接有斜撑管(3)。

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