CN113435021B - 一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于浅水海洋工程浮式结构系泊系统模型试验技术领域，具体涉及一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法。本发明针对当水池实际深度大于试验需求水深时试验水池由于没有假底而无法进行试验的问题，通过设计一套等效的延伸系泊系统，结合系泊静动力程序和优化算法，达到与原系泊系统相似的效果。本发明通过设定合理的延伸原则，结合系泊线的静力和动力分析，保证延伸前后单根系泊线和系泊系统的静力和动力特性一致。本发明扩大了现有无假底海洋工程水池的使用范围，节约了水池改造的巨大成本，可应用于近海海洋工程模型试验。

Description

一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法

技术领域

本发明属于浅水海洋工程浮式结构系泊系统模型试验技术领域，具体涉及一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法。

背景技术

浮式风机、海洋牧场和浅水FPSO等都是典型的近海海洋工程浮式结构，其系泊系统的准确定位必不可少。为了检验系泊系统设计的可靠性和合理性，在海洋工程水池进行模型试验是重要的一个环节。

由于系泊系统为发散型布置，缩尺后，对试验水池在跨度和深度方向都有相应的要求。为了适应不同类型、不同作业水深的系泊系统，现有的海洋工程水池尺度已经尽量加大，并配备假底设施。假底是与水池长宽尺度相同的大面积可升降结构，通常由钢材、玻璃钢或混凝土制作的浮箱连接组合而成，实现对不同试验水深的调节。但是，目前仍然还有很多水池没有安装可升降假底。在这类水池进行系泊系统模型试验时，由于水池深度是固定的，如果按照原本的缩尺比进行模型试验，由于无法固定系泊系统将导致试验不能正常开展。

当水池实际深度大于试验需求水深时，除了应用假底，目前还没有提出可行的方案。因此，本发明提出对浅水浮式结构的原系泊系统进行尺度延伸达到动态系泊张力相似，即延伸系泊系统。延伸后系泊线长度和跨度将增大，以系泊张力静态相似和动态相似为判据，对系泊系统各项参数进行详细的等效设计。

发明内容

本发明的目的在于克服海洋工程水池没有可升降假底的问题，提供一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：获取实际系泊系统的作业水深H_s、试验缩尺比1:λ、试验水池深度H，且

所述的实际系泊系统由N₁根相同的系泊线组成，获取每根系泊线的段数N₂，获取每段系泊线的长度L_ns、轴向抗拉刚度EA_ns、水中单位长度质量w_ns、直径D_ns，获取系泊线水平方向跨度S_s；n＝1,2,...,N₂；

步骤2：确定延伸系泊系统作业水深为H_y＝H*λ，确定延伸因子为

所述的延伸系泊系统中系泊线的数量、布局及每根系泊线的段数与实际系泊系统一致；确定待设计的延伸系泊系统中每段系泊线的长度L_ny、轴向抗拉刚度EA_ny、水中单位长度质量w_ny、直径D_ny的取值范围为：

所述的待设计的延伸系泊系统中系泊线水平方向跨度S_y根据试验水池的实际布局直接确定，且满足S_s≤S_y≤水池实际允许跨度；

步骤3：基于延伸前后系泊线静态特性相似，通过多目标优化算法，对延伸系泊系统中每段系泊线的长度L_ny、轴向抗拉刚度EA_ny、水中单位长度质量w_ny进行优化设计；静力分析时，针对每组参数(L_ny,EA_ny,w_ny)对应的延伸系泊系统，在系泊线顶端施加不同位移，获得延伸前后单根系泊线受力和系泊系统的水平恢复力，并进行比较；优化过程中，如果超过最大进化代数的设定值，或者目标函数变化的相对函数值已小于适应度函数偏差设定值，则优化计算停止，选取对应水平力、垂向力、系泊力和水平恢复力四个受力误差均相对最小的点作为最优解，得到一组最优的系泊线参数(L_ny,EA_ny,w_ny)；

优化设计的目标函数如下：

其中，j为在系泊线顶端施加位移的编号；k为在系泊线顶端施加不同位移的总数量；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的水平力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的垂向力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的系泊力；

和

分别是延伸前后整个系泊系统在编号j位移下的水平恢复力；

步骤4：基于延伸前后系泊线动态特性相似，通过多目标优化算法，对延伸系泊系统中每段系泊线的直径D_ny进行优化设计；动力分析时，在单根系泊线顶端施加不规则的随机运动，得到延伸前后系泊力的时历曲线；优化计算停止时，选取对应水平力、垂向力、系泊力和水平恢复力四个受力误差均相对最小的点作为最优解，得到最优的延伸系泊系统中每段系泊线直径D_ny；

优化设计的目标函数为：

其中，i为在时域结果中选取的时刻点的编号；m为在时域结果中选取的时刻点总数；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的水平系泊力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的垂向系泊力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的系泊力；

步骤5：根据获取的延伸系泊系统的各项参数，进一步通过系泊分析软件，计算分析并比较延伸前后系泊系统的静力和动力特性；若不满足试验需求，则返回步骤3重新进行优化设计。

本发明还可以包括：

在静力和动力相似的情况下，与原系泊线相比，延伸后的系泊线总长度大于原系泊线长度，直径小于原系泊线尺寸，锚点位置在垂直方向和/或水平方向加大。

每根系泊线满足静态相似和动态相似后，系泊系统整体同时满足静态相似和动态相似。

相同成分和空间构型的系泊线可只开展一次设计。

本发明的有益效果在于：

本发明针对当水池实际深度大于试验需求水深时试验水池由于没有假底而无法进行试验的问题，通过设计一套等效的延伸系泊系统，结合系泊静动力程序和优化算法，达到与原系泊系统相似的效果。本发明通过设定合理的延伸原则，结合系泊线的静力和动力分析，保证延伸前后单根系泊线和系泊系统的静力和动力特性一致。本发明扩大了现有无假底海洋工程水池的使用范围，节约了水池改造的巨大成本，可应用于近海海洋工程模型试验。

附图说明

图1是延伸系泊线优化设计流程图。

图2是延伸前后单根系泊线静态刚度曲线图。

图3是延伸前后系泊系统静态刚度曲线图。

图4是延伸系泊系统模型试验流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及一种浅水海洋工程浮式结构系泊系统模型试验技术，提出通过延伸系泊线尺度，改变系泊线特性参数，保持系泊线顶部动态张力相似，以取代水池假底，利用水池全深度的试验方法，属于海洋工程领域模型试验方法。

本发明的目的是为了克服海洋工程水池没有可升降假底的问题，而提出一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法。当试验所需水深小于水池深度时，通过改变系泊线特性参数，对系泊系统进行等效设计，将所需水深延伸到水池深度。提出延伸系泊系统设计的基本原则，延伸系泊参数的确定方法，从而达到延伸系泊系统与原系统的系泊力特性相似，并在实际水池深度下进行模型试验。

本发明的目的这样实现：确定延伸系泊系统等效设计原则，确定需要设计的延伸系泊线参数，采用优化算法对延伸系泊系统进行自动设计，开展延伸系泊系统水池模型试验，数值重构与数值外推。

采用延伸系泊系统的目的是找到能够代表原水深系泊系统的新系泊系统，即延伸前后系泊系统的张力静态、动态特性都要一致。

本发明提出的延伸系泊系统模型试验方法具体包括以下步骤：

(1)定义实际系泊系统作业水深为H_s，水池深度为H，模型试验缩尺比为1:λ。因此，延伸系泊系统作业水深为H_y＝H*λ，确定延伸因子为

(2)确定延伸系泊系统等效设计原则：

a)延伸前后系泊线的数量、组成成分、布局保持一致；

b)延伸前后系泊系统的预张力及静回复力特性等效；

c)延伸前后单根系泊线的张力静态、动态特性等效；

d)延伸前后系泊系统在外界环境载荷下的总体响应等效。

(3)定义系泊线段数为n，实际系统每段系泊线的参数为：长度L_ns、轴向抗拉刚度EA_ns、水中单位长度质量w_ns、直径D_ns，系泊线水平方向跨度S_s。确定待设计的延伸系统每段系泊线的参数为：长度L_ny、轴向抗拉刚度EA_ny、水中单位长度质量w_ny、直径D_ny，系泊线水平方向跨度S_y。

根据系泊系统工作原理，确定延伸系泊线各参数的范围如下：

S_s≤S_y≤水池实际允许跨度。

系泊线水平方向跨度S_y需要根据水池的实际布局直接确定。

(4)首先，基于延伸前后系泊线静态特性相似，对相关的系泊参数进行优化，主要包括：长度L、EA值、水中单位长度质量w。选择一款多目标优化算法(比如布谷鸟优化算法、NSGA-II算法)，结合系泊线静力分析的悬链线理论，对延伸系泊系统进行优化设计。静力分析时，针对每组系泊线参数，在其顶端施加不同位移，获得延伸前后单根系泊线受力和系泊系统的水平恢复力，并进行比较。优化设计的目标函数如下：

式中，j和k分别是在系泊线顶端施加不同位移的编号和总数量，

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的水平力，

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的垂向力，

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的系泊力，

和

分别是延伸前后整个系泊系统在编号j位移下的水平恢复力。

为了保证多个目标函数的总体误差相对较小，获得最优结果，对各项参数的合理设置十分重要。比如采用NSGA-II算法时，采用最优个体系数为0.3附近，种群数量为200-400之间，最大进化代数和停止代数为50，适应度函数偏差为1E-100。

优化过程中，如果超过最大进化代数的设定值，或者目标函数变化的相对函数值已小于适应度函数偏差设定值，则优化计算停止。从而得到一组Pareto解(又叫非劣解)，其中的每个点代表一组系泊线的数据组合。从中选取水平力、垂向力、系泊力和水平恢复力四个受力误差均相对最小的点作为最优解，即可得到一组最优的系泊线参数，则优化设计结束。

(5)然后，在前述静力优化设计的基础之上，基于延伸前后系泊线动态特性相似，继续对系泊线的直径D进行优化设计。应用多目标优化算法，结合系泊线动力分析理论(如集中质量法、细长杆理论)，对延伸系泊系统进行优化设计。动力分析时，在单根系泊线顶端施加不规则的随机运动，得到延伸前后系泊力的时历曲线。时历曲线的点太多，只能选择典型有代表性时刻的受力结果进行比较，选择的点数越多，优化结果越好，建议选择点数不少于50个。另外，也可以将时域结果转化成频域结果，再选择典型频率对应的结果进行比较。

优化设计的目标函数为：

式中，i和m为在时域结果中选取的时刻点和总点数。

和

分别是延伸前后系泊线顶端在i时刻点的水平系泊力，

和

分别是延伸前后系泊线顶端在i时刻点的垂向系泊力，

和

分别是延伸前后系泊线顶端在i时刻点的系泊力。

基于动力相似的多目标优化设计比较费时，对各项参数的设置与静力优化时相同。优化计算后得到Pareto解，从中选取水平力、垂向力和系泊力三个受力误差均相对最小的点作为最优解，即可得到最优的系泊线直径D，优化设计结束。

(6)至此，延伸系泊线的各项参数已经确定，可进一步通过可靠的系泊分析软件或程序，计算分析并比较延伸前后系泊系统的静力和动力特性，如有不妥之处，可重新进行优化设计，直到满意为止。

(7)对于延伸设计后的系泊线，各项特性参数完全发生变化，根据市场可用材料的特性，提出系泊线试验模型材料的选择与调整方法，为水池试验提供准备。

(8)根据试验需求，准备延伸系泊线材料，在水池开展延伸系泊系统模型试验，得到系泊系统的静态特性，系统在风、浪、流等外界载荷作用下的运动响应及受力等。比较延伸前后系统的静动态特性，验证前述延伸设计结果的合理性。

(9)为了进一步验证数值计算软件的可靠性，选择可靠的系泊系统分析软件，对整个延伸系泊系统试验进行数值重构，并向原水深系统数值外推，得到该系泊系统模型试验的最终结果。

对延伸系统的设计虽然难度大，费时费力，却是保障试验成功的第一步，也是最关键的步骤。而且，该延伸系泊系统模型试验方法是由延伸系统设计+延伸系统模型试验+延伸系统数值重构+向原系统数值外推四部分组成，每一部分结果的准确性直接决定后续步骤结果的可靠性，环环相扣。完成以上步骤，即可高概率准确预报系泊系统的性能，同时，解决了无假底海洋工程试验水池不同水深下模型试验难以进行的困难，保证系泊系统模型试验工作的顺利开展。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)近海海洋工程浮式结构系泊系统模型试验时，对水池的深度要求不高，但如果水池没有假底设施，很难达到试验目的。而世界现有的海洋工程水池，配有假底设施的水池数量十分有限。为此，专门提出了针对浅水系泊系统延伸系泊线尺度的模型试验方法，将会扩大现有无假底海洋工程水池的使用范围，节约水池改造的巨大成本，推动近海海洋工程模型试验技术的快速发展。

(2)延伸系统的系泊线长度加大，系泊线材料将更加纤细、复杂，与以前的截断系泊系统特性截然不同，设计与选材上也更具挑战性。因此，通过设定合理的延伸原则，结合系泊线的静力和动力分析理论、先进的优化算法，探索延伸系泊线非线性动力特性的模拟方法，保证延伸前后单根系泊线和系泊系统的静力和动力特性一致。

(3)延伸系泊系统模型试验由延伸系统设计、水池模型试验、数值重构、数值外推四部分组成，设计思路清晰，方法明确，可以间接而准确的预报原水深系泊系统的各项特性。

可见，延伸系泊模型试验方法具有重要的实用价值，可以作为无假底海洋工程水池中浅水深系泊系统模型试验的良好解决办法。

海洋工程浮体系泊系统模型试验时，试验水池由于没有假底而无法进行水池实际深度之外水深的模型试验，是经常遇到的难题。在此，提出了一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法，通过设计一套等效的延伸系泊系统，结合系泊静动力程序和优化算法，达到与原系泊系统相似的效果，对延伸系统进行模型试验，进而数值模拟延伸系统，再外推到原水深系统，作为最终的模型试验结果。通过这样一套完整的流程，能够达到良好的试验效果。为了说明本发明的特点，以一FPSO(浮式生产储卸油装置)系泊系统延伸模型试验为例，具体实施方式如下：

该FPSO作业水深420m，系泊系统由3根×3组共9根系泊线组成，计划在50m×30m×10m的海洋工程水池进行模型试验，试验缩尺比1:70，即需要试验水池深度6m。由于水池没有假底，锚点无法固定，试验操作困难。选择将该系泊系统延伸到10m水深进行模型试验，即将系泊系统的作业水深由420m(原水深)延伸到700m(延伸水深)。

原水深系泊系统的每根系泊线组成成分和长度都一样，由顶端链条、中间钢缆、底部链条三部分组成，定义系泊线特性参数为：长度L_ns，轴向刚度EA_ns，水中单位长度质量w_ns，直径D_ns，系泊线水平方向跨度S_s，其中，n为系泊线的段数，n＝1,2,3。延伸设计后，定义系泊线特性参数为：长度L_ny，轴向刚度EA_ny，水中单位长度质量w_ny，直径D_ny，系泊线水平方向跨度S_y。

确定延伸系泊系统等效设计原则为：

1)延伸前后系泊线的数量、组成成分、布局不变；

2)延伸前后系泊系统的预张力及静回复力特性等效；

3)延伸前后单根系泊线的张力静态、动态特性等效；

4)延伸前后系泊系统在外界环境载荷下的总体响应等效。

编写系泊系统静动力分析程序，选择布谷鸟多目标优化算法，并确定多目标函数和输出标准，开始进行优化设计，其优化设计流程如图1所示。经过优化计算，得到静态特性曲线。延伸前后系泊系统的静态特性一致，优化设计合理，延伸系泊线相关特性参数确定。

准备延伸系泊系统模型，在10m深水池开展模型试验，试验内容包括FPSO自由衰减试验、运动响应RAO试验、系泊系统的静态刚度特性试验，FPSO在风、浪、流作用下的六自由度运动响应及9根系泊线受力。比较延伸前后单根系泊线和整个系泊系统的静态刚度特性(图2、图3)，以及FPSO响应的时历曲线和统计结果，进一步证明延伸系统设计的合理性。

选择可靠的系泊系统分析软件，对700m水深的延伸系统模型试验进行数值重构。按照试验标定的FPSO特性参数，如主尺度、转动惯量、重心位置等，对FPSO重新建模，计算其水动力特性，与试验结果进行比较，不妥之处，通过调整线性阻尼等水动力参数，直到吻合良好为止。至此，说明软件对FPSO水动力性能的模拟准确，各项水动力参数设置合理。

再根据试验延伸系泊线模型的特性参数，如长度、单位长度质量、EA值、锚点位置等，对延伸系泊系统进行建模，通过调整附加质量系数、拖曳力系数、慢漂力系数等，对延伸系泊系统进行计算分析，直到与试验结果吻合良好为止，证明各项水动力系数设置准确。

由此可见，通过与模型试验结果进行比较验证，系泊系统分析软件能够很好的预报延伸系统试验结果，各项水动力参数设置合理，该软件可具备对此FPSO系泊系统进行分析的能力。因此，保持以上的各项水动力系数不变，重新对420m水深的FPSO及其系泊系统进行数值计算，得到的计算结果即为最终的试验结果。以上整个延伸系泊系统试验流程如图4所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取实际系泊系统的作业水深H_s、试验缩尺比1:λ、试验水池深度H，且

所述的实际系泊系统由N₁根相同的系泊线组成，获取每根系泊线的段数N₂，获取每段系泊线的长度L_ns、轴向抗拉刚度EA_ns、水中单位长度质量w_ns、直径D_ns，获取系泊线水平方向跨度S_s；n＝1,2,...,N₂；

步骤2：确定延伸系泊系统作业水深为H_y＝H*λ，确定延伸因子为

所述的延伸系泊系统中系泊线的数量、布局及每根系泊线的段数与实际系泊系统一致；确定待设计的延伸系泊系统中每段系泊线的长度L_ny、轴向抗拉刚度EA_ny、水中单位长度质量w_ny、直径D_ny的取值范围为：

所述的待设计的延伸系泊系统中系泊线水平方向跨度S_y根据试验水池的实际布局直接确定，且满足S_s≤S_y≤水池实际允许跨度；

步骤3：基于延伸前后系泊线静态特性相似，通过多目标优化算法，对延伸系泊系统中每段系泊线的长度L_ny、轴向抗拉刚度EA_ny、水中单位长度质量w_ny进行优化设计；静力分析时，针对每组参数(L_ny,EA_ny,w_ny)对应的延伸系泊系统，在系泊线顶端施加不同位移，获得延伸前后单根系泊线受力和系泊系统的水平恢复力，并进行比较；优化过程中，如果超过最大进化代数的设定值，或者目标函数变化的相对函数值已小于适应度函数偏差设定值，则优化计算停止，选取对应水平力、垂向力、系泊力和水平恢复力四个受力误差均相对最小的点作为最优解，得到一组最优的系泊线参数(L_ny,EA_ny,w_ny)；

优化设计的目标函数如下：

其中，j为在系泊线顶端施加位移的编号；k为在系泊线顶端施加不同位移的总数量；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的水平力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的垂向力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在编号j位移下的系泊力；

和

分别是延伸前后整个系泊系统在编号j位移下的水平恢复力；

步骤4：基于延伸前后系泊线动态特性相似，通过多目标优化算法，对延伸系泊系统中每段系泊线的直径D_ny进行优化设计；动力分析时，在单根系泊线顶端施加不规则的随机运动，得到延伸前后系泊力的时历曲线；优化计算停止时，选取对应水平力、垂向力、系泊力和水平恢复力四个受力误差均相对最小的点作为最优解，得到最优的延伸系泊系统中每段系泊线直径D_ny；

优化设计的目标函数为：

其中，i为在时域结果中选取的时刻点的编号；m为在时域结果中选取的时刻点总数；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的水平系泊力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的垂向系泊力；

和

分别是延伸前后系泊线顶端在时刻点i的系泊力；

步骤5：根据获取的延伸系泊系统的各项参数，进一步通过系泊分析软件，计算分析并比较延伸前后系泊系统的静力和动力特性；若不满足试验需求，则返回步骤3重新进行优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法，其特征在于：在静力和动力相似的情况下，与原系泊线相比，延伸后的系泊线总长度大于原系泊线长度，直径小于原系泊线尺寸，锚点位置在垂直方向和/或水平方向加大。

3.根据权利要求1所述的一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法，其特征在于：每根系泊线满足静态相似和动态相似后，系泊系统整体同时满足静态相似和动态相似。

4.根据权利要求1所述的一种延伸系泊线尺度模拟张力动态相似的模型试验方法，其特征在于：相同成分和空间构型的系泊线可只开展一次设计。

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