JP4931272B2 - 箱形浮体の横揺れ低減構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は作業船やＦＰＳＯ（Floating Production,Storage and Off-loading）などの箱形浮体の横揺れ低減構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船体の波浪中での横揺れを低減するために、近年、各種の新しい形式の能動型減揺装置の研究が多く行われ、それらの減揺装置の中にはすでに実用化された装置もある。能動型減揺装置は減揺効果の点からは、受動型減揺装置より明らかに優れている。
【０００３】
しかし船体の横揺れを低減するための種々の能動型減揺装置は、一般に複雑、大型、大重量であり、しかも大きな設置スペースを必要とし、経済上、スペース上の点から一般的な採用は困難となっている。
【０００４】
このために、船体の要目や形状の工夫等によって減揺を行うようにした受動型減揺装置の研究がなされている。関西造船協会誌第２３２号別刷（平成１１年９月発行）にはかかる研究成果が発表されている。「波浪中横揺れ低減に関する二、三の考察」(P６３−７０）は上記協会誌に発表された論文の１つである。上記論文では箱型浮体の重心位置を調節することにより、横揺れを低減できることが示されており、以下引用する。
【０００５】
図４は箱形浮体を後方から見た場合の形状の一例を示したものであり、箱形浮体１は、幅Ｂ、喫水ｄを有しており、箱形浮体１の重心Ｇは、喫水線を通る原点Ｏ付近、例えば原点Ｏより少し高いところに位置している。
【０００６】
このような箱形浮体１に横波が作用すると、箱形浮体１は重心Ｇの周りに回転するように横揺れ２を生じることになる。
【０００７】
本論文はこのように幅Ｂと喫水ｄの比が大きい（幅喫水比が大きい）箱形浮体１における横揺れ低減を目的として考察し、箱形浮体１の重心の位置を移動することによって、横揺れが低減できる技術について論究している。
【０００８】
この考察の理論的な基礎は、左右揺れ（swaying ）との連成影響を含む横揺れ（rolling ）の１自由度運動方程式である。ここで、左右揺れとは、箱形浮体１が左右水平方向に移動する揺れであり、また横揺れとは、箱形浮体１が重心Ｇの周りを回転するように移動する揺れである。１自由運動方程式は簡明な形に表されるため、横揺れ低減の見通しを立てる上で役立つ。
【０００９】
左右横揺れとの連成が考慮された横揺れの１自由度運動方程式は、横揺れと左右揺れとの連成運動方程式から、
【数１】

と与えられる。ただし、Ｘ₄ は横揺れ振幅、Ｈ_j （ｊ＝２，４）はKochin関数、Ｄ_j およびＤ₂₄は流体力から決まる係数である。ｊ＝２および４は、それぞれ左右揺れ及び横揺れを意味する。
【００１０】
式（１）の右辺は左右揺れの影響を含む広義の横揺れ波強制モーメントであり、有効波傾斜係数γとの間に
【数２】

の関係が成り立つ。
【００１１】
次に、左右揺れ付加質量係数ｋ₂ 、流体力レバーｌ₂ 、波強制モーメントレバーｌ_w を
【数３】

と定義する。ｌ₂ およびｌ_w は箱形浮体１の重心Ｇから力の作用点までの距離を表わし、上方に向かって正とする。
【００１２】
また、ｌ₂₀及びｌ_woを原点Ｏに対して定義されたモーメントレバーとして
【数４】

とおき、また
【数５】

とすれば、式（２）は
【数６】

と書きかえられる。ただし、ＯＧは喫水線を通る原点Ｏから重心Ｇまでの距離であり、重心Ｇが原点Ｏの下方にあるときを正とする。また、ＭＧはメタセンタ高さ（重心Ｇからメタセンタまで距離）である。
【００１３】
γｓは単独左右揺れ振幅の近似値に相当し、またモーメントレバーｌ（Ｋ）は重心位置に無関係な量であって、どちらも箱形浮体１の形状と動揺周波数で決まる。
【００１４】
有効波傾斜係数を構成する成分γｓおよびモーメントレバーｌ（Ｋ）を、箱形浮体１について計算により求めた。計算対象箱形浮体１はＢ／ｄ＝２．５，５，７．５，１０，１２．５，２０の６種類である。計算には２次元領域分割法を用いており、流体力に対する３次元影響は考慮されていない。
【００１５】
γｓの計算値を図５に示す。図５の横軸は無次元周波数Ｋ（Ｂ／２）である。ここで、Ｋ＝ω² ／ｇ、ω＝２π／Ｔでありωは周波数、Ｔは波周期である。
【００１６】
γｓは、図５に示すように周波数の増加とともに単調に減少する。箱形浮体１の幅喫水比によるγｓの変化は小さく、Ｂ／ｄが５以上の浅喫水箱形浮体では同程度の値とみなすことができる。
【００１７】
図６はＢ／ｄをパラメータとした、モーメントレバーｌ（Ｋ）と半幅Ｂ／２との比、すなわち、ｌ（Ｋ）／（Ｂ／２）（縦軸）と無次元周波数Ｋ（Ｂ／２）（横軸）との関係を示す。この値は周波数に対する変化は比較的小さいが、浮体の幅喫水比によってかなり変化し、Ｂ／ｄが大きいほどその絶対値は大きい。Ｂ／ｄ＝５の場合にはｌ（Ｋ）／（Ｂ／２）の値は零に近く、周波数に対する変化はほとんどない。ｌ（Ｋ）の値は幅喫水比Ｂ／ｄと浮体物を係留する海域での波の周波数が与えられれば図４から求めることができる。
【００１８】
箱形浮体の波浪中の動揺を低減させる基本的な考え方は３つに大別される。減衰力の増加、動揺の固有周期を長くすることおよび波強制力の低減である。波強制力の低減は連成運動方程式（１）についていうと、式（１）右辺の値を小さくすることであり、式（２）から明らかなように、そのためにはγ・ＧＭを小さくすればよい。ところで、γ・ＧＭは式（６）のように表されるから、ある周波数でγｓ＝０、もしくはＯＧ＝ｌ（Ｋ）となるならばγ・ＧＭ＝０である。本論文ではこの考え方を用いて横揺れ低減を実現する。
【００１９】
まず、γｓ＝０とするためにはＨ₂ （Ｋ）＝０としなければならないが、これは理論的には左右揺れ波無し形状を選ぶと実現可能である。しかし，幅喫水比の大きい箱形浮体では現実的な形状は得られないと推察される。
【００２０】
一方、ＯＧ＝ｌ（Ｋ）は重心高さＯＧの選び方で実現可能なものである。従来、波長が比較的長い領域ではＯＧ＝ｌ（Ｋ）を成り立たせるのは難しいといわれているが、それは通常の船形を対象とした場合であり、幅喫水比の大きい箱形浮体については実現可能である。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＧの値を調節してＯＧ＝ｌ（Ｋ）を実現するには、例えば箱形浮体上に架台を設け、その架台上に重量物を載置してＯＧを大きくすることが考えられる。しかし、ＯＧを大きくするとＭＧの値が小さくなり、箱形浮体の形状によっては不安定になることも考えられる。
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、箱形浮体の形状を変更することにより、モーメントレバーｌ（Ｋ）の値を調節してＯＧ＝ｌ（Ｋ）を実現し、波強制力の低減を図り、箱形浮体の横揺れ低減装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の箱形浮体の横揺低減装置は平面視でほぼ長方形の箱形浮体の短手方向の片側または両側の喫水線下に長手方向の張り出し部を設けたものである。
【００２３】
上記長手方向の張り出し部は短手方向の片側または両側のほぼ全長に設けるのが好ましい。
【００２４】
上記長手方向の張り出し部は短手方向の片側または両側に部分的に設けてもよい。
【００２５】
上記喫水線下の長手方向の張り出し部に加えて張り出し量のほぼ等しい上下方向の張り出し部を長手方向に複数個所設けるのが好ましい。
【００２６】
上記長手方向の張り出し部の形状は浮体の重心高さと浮体に作用するモーメントレバーとがほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。
上記長手方向の張り出し部は浮体の下端に設けのが好ましい。
【００２７】
本発明の作用を説明する。浮体に作用するモーメントレバーｌ（Ｋ）は浮体の左右揺れ付加質量連成係数、波強制力などの各種の係数によって決るものであるが、従来の箱型浮体については図４によって説明したように浮体の幅喫水比Ｂ／ｄをパラメータとして周波数が与えられればグラフから求めることができる。一方、作業船やＦＰＳＯなどの浮体構造物を設置する海域の波の平均周波数または平均周期に対し、以上のように求めたモーメントレバーｌ（Ｋ）の値は重心高さとは偶然の場合は別として通常一致しない。一致または近づけるためＯＧの値を調節してもよいが必ずしも実用的でない場合もある。本発明では箱形浮体の短手方向の片側または両側の喫水線下に長手方向の張り出しを設け、モーメントレバーｌ（Ｋ）を調節することにより、ｌ（Ｋ）とＯＧを一致させるか近づけることにより、波強制力を低減させて箱形浮体の横揺れを低減させるものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本説明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。なお、本図において、従来技術の説明に使用した図４と同等の部分については同一の符号を付している。図において、ｌは作業船やＦＰＳＯなどの箱形浮体である。箱形浮体１は平面視長方形で、底面は平面である。３は張り出し部で、箱形浮体１の短手方向５の両側に、長手方向６のほぼ全長にわたって、喫水線４より下方に設けられている。張り出し部３は本図では箱形浮体１の下端に設けられているが、必ずしも下端でなくともよい。
【００２９】
張り出し部３の形状は浮体の重心高さＯＧと浮体に作用するモーメントレバーｌ（Ｋ）がほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。
【００３０】
次に、具体例について、計算結果を説明する。図２は本発明の横揺れ低減構造の具体例として、計画中のＦＰＳＯの中央断面図である。ＦＰＳＯは、長さが２９５ｍ、幅Ｂが６０ｍ、高さＤが２５ｍであり、喫水深さｄは張り出し部のない場合９ｍ、張り出し部が最大の場合８．４７ｍとなる。重心高さＯＧは−８．１６ｍである。なお、Ｇが水面Ｏより上にあるときはＯＧは負である。これにより、ＯＧ／（Ｂ／２）＝−０．２７２となる。計算は張り出し量Ｂs をＢs ＝０、Ｂs ＝１ｍ、Ｂs ＝２ｍ、Ｂs ＝３ｍ、Ｂs ＝４ｍに変化させて行った。
【００３１】
箱形浮体１を設置しようとする海域の平均波周期は１０sec であるので、その波周期に対して減揺効果が最大になるようにする。図３は図２に示す箱形浮体（Ｂ／ｄ＝６．６７）についてモーメントレバーｌ（Ｋ）と半幅Ｂ／２との比、すなわち、ｌ（Ｋ）／（Ｂ／２）（縦軸）と無次元周波数Ｋ（Ｂ／２）（横軸）との関係を示すグラフであり、一点鎖線は、Ｂs ＝０，すなわち、張り出し部３のない箱形浮体のグラフ、実線はＢs ＝４ｍの張り出し部３のある箱形浮体のグラフである。Ｔ＝１０s では、Ｋ（Ｂ／２）＝１．２であり、図３からわかるように、Ｂs ＝０の箱形浮体では、ｌ（Ｋ）／（Ｂ／２）は約−０．４５であるが、Ｂs ＝４の張り出し部３を設けると平均波周期１０s に対してｌ（Ｋ）／（Ｂ／２）は−０．２７２になり、ＯＧ＝ｌ（Ｋ）が実現できる。
【００３２】
図７はＢs を０から４まで変化させたときの減揺効果を示すグラフであり、（Ａ）はRollの応答関数と波周期との関係、（Ｂ）はRollの短期予測結果と平均波周期との関係を示している。すなわち、図上でType-0はＢs ＝０，Type-B#1はＢs ＝１、Type-B#2はＢs ＝２、Type-B#3はＢs ＝３、Type-B#4はＢs ＝４をそれぞれ表している。図７（Ａ）からわかるようにＢs が０から４まで変化すると横揺れの応答が極大になる同調周期が大きくなる。図７（Ｂ）について見ると、想定する海域の平均波周期が１０秒であれば張り出し部３をＢs ＝４ｍとすることにより横揺を著しく抑制することがわかる。以上述べた計算結果以外にも張り出しを設けることで横揺れ付加質量の増加と粘性減衰の効果も期待できるので，さらに横揺れを抑制することができる。
【００３３】
図８は想定される海域の海象中での年間操業停止日数（縦軸）と操業停止横揺れ角（横軸）との関係を示すグラフでＢs ＝０、Ｂs ＝２、Ｂs ＝４について示している。プラント等が停止する角度を５°とした場合に、従来型（Ｂs ＝０）で年間約９日の稼働停止になるのに対し、本発明（Ｂs ＝４）では約３日となり、著しく改善されたことがわかる。
【００３４】
【変形例】
以下、本発明の変形例について図面を参照しつつ説明する。図９は箱形浮体１の短手方向の両側に長手方向の張り出し部を部分的に設けたものを示している。部分的な長手方向の張り出し部３ａは、箱形浮体１の前後にそれぞれ箱形浮体１の全長の１／３の長さで設けられている。図１３は長手方向の張り出し部３ａの総計の長さが、１全長の１／２のとき、２全長の２／３のとき、３全長のときにつき、Ｒｏｌｌの応答関数と波周期との関係を示すグラフである。本図において張り出し量Ｂs はＢs ＝４である。図７（Ａ）のＢs ＝０と比較すれば、上記１、２、３、とも横揺れの応答が極大になる同調周期は大きくなっていることが分かるが、長手方向の張り出し部３ａの総計の長さが、全長の２／３のときと全長のときとはあまり差はない。
【００３５】
図１０は長手方向の張り出し部３を箱形浮体１の片側のみに設けた例を示している。箱形浮体１の重心Ｇが偏心している場合に有利である。
【００３６】
図１１は箱形浮体１の両側に喫水線下の長手方向の張り出し部３に加えて、張り出し量Ｂｓがほぼ等しい上下方向の張り出し部７を複数個（本例では５個）設けた場合を示しており、図１２は船舶８がこの箱形浮体１に接舷した状態を示す斜視図である。
【００３７】
箱形浮体１に長手方向の張り出し部３のみを設けた場合には、船舶８がこの箱形浮体１に接舷し、船舶８と箱形浮体１の横揺れの周期や位相が異なると、船舶８と箱形浮体１との間に防舷材を設けても張り出し部３と船舶８とが衝突するおそれがある。しかし、上下方向の張り出し部７を設けておき、その部分に防舷材を設けておけば船舶８は安全に接舷することができる。
【００３８】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、張り出し部は箱形浮体に付加物として配設するようになっているが、箱形浮体を当初から張り出し部を有するように形成してもよい。また、張り出し部の形状もＯＧ＝ｌ（Ｋ）を実現できるものでなくともｌ（Ｋ）をＯＧに近づけることにより、要求仕様を満たすことができれば、それでもよい。さらに、箱形浮体の形状は平面視でほぼ長方形であればよく、たとえば、長手方向の両端部が図１などに示すように台形でもよいし、半円形であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造は箱形浮体の喫水線下に単に張り出し部を設けるという簡単な構造で、設置する想定海域での箱形浮体の横揺れを著しく低減できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の図面で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。
【図２】ＦＰＳＯの中央断面図である。
【図３】図２に示す具体的な箱形浮体について、モーメントレバーと周波数との関係を示すグラフである。
【図４】従来の箱形浮体の背面図である。
【図５】従来の箱形浮体のγｓと無次元周波数との関係を示すグラフである。
【図６】従来の箱形浮体のモーメントレバーｌ（Ｋ）と無次元周波数との関係を示すグラフである。
【図７】図２に示す具体的な箱形浮体についてＢs を０から４ｍまで変化させたときの減揺効果を示すグラフで、（Ａ）はRollの応答関数と波周期との関係、（Ｂ）はRollの短期予測結果と平均波周期との関係を示す。
【図８】図２に示す具体的な箱形浮体についてＢs を０から４ｍまで変化させたときの年間操業停止日数と操業停止横揺れ角との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。
【図１０】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。
【図１１】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。
【図１２】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、船舶が接舷した状態を示す斜視図である。
【図１３】図２に示す具体的な箱形浮体についてＢs を４ｍとし、張り出し部の総計の長さが、全長の１／２のとき、全長の２／３のとき、全長のときと変化させたときの減揺効果を示すグラフで、Rollの応答関数と波周期との関係を示している。
【符号の説明】
１ 箱形浮体
３ 長手方向の張り出し部
４ 喫水線
５ 短手方向
６ 長手方向
７ 上下方向の張り出し部

Claims (3)

1. 長手方向の両端部を除いてほぼ直方体形状であって、作業船やＦＰＳＯとして使用される箱形浮体（１）の横揺れ低減構造であって、箱形浮体（１）上に設けた架台上に重量物を載置するなどして浮体の重心高さ（ＯＧ）を調節することによって、浮体の重心高さ（ＯＧ）と設置しようとする想定海域の平均波周期に対応する浮体に作用するモーメントレバー（ｌ（Ｋ））（箱形浮体（１）の原点（Ｏ）から外力の作用線に下した垂線の長さ）とがほぼ等しくなるようにした箱形浮体の横揺れ低減構造において、浮体の重心高さ（ＯＧ）を調節する代わりに、箱形浮体の短手方向の両側の喫水線下に長手方向のほぼ全長に亘って張り出し部（３）を設け、上記張り出し部（３）の形状は、底面が箱形浮体（１）本体の底面と面一になっており、上面は外側に向かって下り勾配になっており、外面は垂直面になっており、その張り出し部（３）の張り出し量（Ｂｓ）を、浮体の重心高さ（ＯＧ）と設置しようとする想定海域の平均波周期に対応する浮体に作用するモーメントレバー（ｌ（Ｋ））とがほぼ等しくなるように設定してなり、モーメントレバー（ｌ（Ｋ））は数式ｌ（Ｋ）＝ｋ _２ ｌ _２ｏ −（１＋ｋ _２ ）ｌ _ｗｏ によって求められるものであり、ｋ _２ は左右揺れ付加質量係数であり、ｋ _２ ＝ｍ _２２ ／ρ∇であり、ｍ _２２ は左右揺れ付加質量、ρは流体の密度、∇は箱形浮体の排水容積であり、またｌ _２ｏ は原点Ｏに対して定義された流体力モーメントレバー、ｌ _ｗｏ は原点Ｏに対して定義された波強制力モーメントレバーであることを特徴とする箱形浮体の横揺れ低減構造。
2. 上記長手方向の張り出し部（３ａ）は短手方向の両側にほぼ全長に亘って設けたものである代わりに部分的に設けたものであり、その総計の長さが全長の２／３以上である請求項１記載の箱形浮体の横揺れ低減構造。
3. 上記喫水線下の長手方向の張り出し部に加えて張り出し量のほぼ等しい上下方向の張り出し部（７）を長手方向に複数個所設けた請求項１または請求項２のいずれか１つに記載の箱形浮体の横揺れ低減構造。

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