JP6821890B2 - 水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法に関し、特に、海洋構造物等の浮体構造物を大水深領域に係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法に関する。

海洋構造物等を大水深領域で係留する状況に対して、試験水槽で諸データを計測するための水槽試験を実施する場合に、通常の試験水槽においてはその幅および水深に制限があるので、係留系全体における幾何学的相似則を保持しようとすると、幅および水深の大部分を係留索の長さで占めることになるので、海洋構造物などの係留される物体である浮体模型のサイズが非常に小さくなってしまい、計測精度を確保することが困難となる。

これに対応するために、例えば、上部チェーン、中間シンカー、ばね、及びアンカーウエイトで構成される、切り詰めた係留系で必要な、浮体の変位に対する水平反力特性と垂直反力特性、初期張力、流れ影響、動特性等の係留特性を模擬する深海模擬係留模型を用いた大水深係留浮体の実験手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、上部ウエイト、中間シンカー、ばねを係留索に設けているが、このばねを５本のコイルばねで形成したり、係留点側の４本のワイヤーで伸びを制限したりするなど、複雑な係留系となってしまうという問題がある。

日本船舶海洋工学会講演会論文集 第３号（論文番号２００６Ａ−ＯＳ１０−１１）第１７９頁〜第１８０頁「大水深係留浮体の実験手法について」著者：齋藤昌勝、湯川和浩、佐藤宏、日本船舶海洋工学会、平成１８年１１月１６，１７日講演

そこで、本発明者らは、水槽試験においては、大水深の係留系の模擬に対しては、長大となる係留系を途中で打ち切って、力学的な相似を確保するために、この係留索のカテナリが発揮する係留力の特性を、別の装置で置き替えることができれば、言い換えれば、長大な係留索のカテナリが発揮する係留力の特性をモデル化した係留模擬装置を開発できれば、係留された浮体の水槽試験を実施する場合に必ずしも、長大な係留索による係留システムを必要としなくなり、試験水槽の幅および水深の影響を受けない係留試験ができるのではないかと考えた。

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、海洋構造物等の浮体構造物を大水深領域にカテナリ係留する際の諸データを計測する場合に、試験水槽の幅および水深の制約から、大深度係留系の幾何学的相似則を満足できないときであっても、試験水槽の幅や水深等の要目による制約を受けることなく、浮体構造物の縮尺を計測精度が劣化しない大きさに維持しつつ、係留想定海域の水深や領域における実機の係留系に対応して、この実機の係留系と力学的に相似な係留試験を行うことができる水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の水槽模型係留試験装置は、浮体構造物を係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験装置において、前記浮体構造物に対応する浮体模型に接続される模型係留索に接続する索状体に質量体、減衰力発生体、復原力発生体を接続して、それぞれ実機係留と力学的相似になる慣性力、減衰力、復原力を発生させる係留模擬装置を備えて構成される。

この構成により、大水深領域における水槽模型係留試験等で用いるような、試験水槽の幅および水深の制約から、幾何学的相似則を満足できない係留系に対して、質量体、減衰力発生体、復原力発生体を用いることにより、それぞれ実機の係留系と相似になる慣性力、減衰力、復原力を発生させて、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができて、幅および水深の制約がある試験水槽で係留試験を可能とすることができる。

上記の水槽模型係留試験装置において、前記係留模擬装置で、前記質量体を主質量体と副質量体で、前記復原力発生体を主バネで、前記減衰力発生体をダンパーで構成していると、主質量体と副質量体により模擬係留索に加わる初期張力の大きさと質量（錘）の両方を力学的相似則を満足させるように設定でき、比較的容易に、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができるようになる。

上記の水槽模型係留試験装置において、前記係留模擬装置の枠体の下部に入口部プーリーを、前記枠体の上部に支持プーリーを、それぞれ配設し、外部の模擬係留索に接続される主索状体を前記入口部プーリーを経由して前記ダンパーの下端に接続し、前記ダンパーの上端に接続している第１索状体を、中間部に前記主バネを挟んで前記枠体に固定して設けるか、又は、前記枠体に一端が固定された前記主バネの他端に接続するかして設け、前記ダンパーの上端に接続している第２索状体を、前記支持プーリーを経由して前記主質量体に接続して、前記支持プーリーを一方側に回転させるように前記主質量体を吊り下げると共に、前記支持プーリーに一端が固定された第３索状体を前記副質量体に接続して、前記支持プーリーを他方側に回転させるように前記副質量体を吊り下げて構成していると、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができるようになる。

上記の水槽模型係留試験装置において、前記第２索状体の前記支持プーリーと前記主質量体の間に第１副バネを設け、前記第３索状体の前記支持プーリーと前記副質量体の間に第２副バネを設けて構成すると、逆位相の慣性力を与えることができる。

上記の水槽模型係留試験装置において、前記第２索状体において、前記ダンパーと前記支持プーリーとの間に中間プーリーを設けて構成していると、支持プーリーの径を大きくすることなく、主索状体と第２索状体又は第３索状体との距離を大きくすることができ、主バネ、ダンパーと、主質量体、副質量体、第１副バネ、第２副バネの相互間の干渉を容易に回避できるようになる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の水槽模型係留試験方法は、浮体構造物を係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験方法において、上記の係留模擬装置を使用することを特徴とする方法である。

本発明の水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法によれば、海洋構造物等の浮体構造物を大水深領域に係留索で係留する際の諸データを計測する場合で、試験水槽の幅および水深の制約から、係留系の幾何学的相似則を満足できないときであっても、係留系の力学的相似則を満足する係留模擬装置を用いることにより、試験水槽の幅および水深等の要目による制約を受けることなく、浮体構造物の縮尺を計測精度が劣化しない大きさに維持しつつ、係留想定海域の水深や領域における実機の係留系に対応して、この実機の係留系と力学的に相似な係留試験を行うことができる。

本発明に係る実施の形態の水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法の構成を説明するための模式的な平面図である。 図１の水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法の構成を説明するための模式的な側面図である。 水槽模型係留試験装置の力学的モデルを説明するための構成図である。 水槽模型係留試験装置の模式的な３面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の上部部分を示す平面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の上部部分を示す図５のＡ方向から見た断面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の上部部分を示す図５のＢ方向から見た断面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の上部部分を示す図５のＣ方向から見た断面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の下部部分を示す平面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の下部部分を示す図９のＤ方向から見た断面図である。 図４の水槽模型係留試験装置の上部部分を示す図９のＥ方向から見た断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態の水槽模型係留試験装置及び水槽模型係留試験方法について、図面を参照しながら説明する。 大深度係留等の係留試験を行うような浮体模型としては、ＦＰＳＯ（浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備）、ＦＳＯ（浮体式海洋石油・ガス貯蔵積出設備）などが考えられるが、本発明はこれらのＦＰＳＯやＦＳＯに限定されることなく、その他の浮体模型にも適用できる。

図１及び図２に示すように、本発明に係る実施の形態の水槽模型係留試験装置１において、試験水槽２０で浮体模型１０の係留試験を行う場合は、試験水槽２０の側壁２１と試験水槽２０の底面２２で囲われた空間において、ある程度の水深まで水を満たした状態で、例えば、図１の矢印（波）の方向から造波装置を駆動して造波した波を当てて、図示しない計測装置により、浮体模型１０の加速度や角加速度を計測したり、浮体模型１０の変位量や傾斜角を計測したりする。また、必要に応じて、模擬係留索４１Ａ、４１Ｂの張力を計測する。

図１に例示する水槽模型係留試験装置１では、３方向で係留されている状態を模擬しているため、浮体模型１０の横に配置されている２基の係留模擬装置３０Ａと、浮体模型１０の前方正面に配置されている１基の係留模擬装置３０Ｂを用いている。

そして、図１及び図２に示すように、浮体模型１０の係留部１１と係留模擬装置３０Ａとの間を模擬係留索４１Ａで、係留部１１と係留模擬装置３０Ｂとの間を模擬係留索４１Ｂで、それぞれ接続している。なお、図１の係留部１１は、係留索と浮体模型１０の船体との間に巨大な旋回構造（ベアリング）を介して接続される旋回可能な係留構造を持っているタレット方式を模擬している。

この模擬係留索４１Ａと模擬係留索４１Ｂの水平面内における浮体模型１０に対する配置角度に関しては、実機と同じ方向になるように係留模擬装置３０Ａと係留模擬装置３０Ｂを配置する。また、模擬係留索４１Ａと模擬係留索４１Ｂの水平面に対する傾斜角度αａ、αｂに関しては、実機の係留における傾斜角度と同じになるように係留模擬装置３０Ａと係留模擬装置３０Ｂの位置を設定する。

次に、係留模擬装置３０Ａ、３０Ｂについて説明する。この２つの係留模擬装置３０Ａと係留模擬装置３０Ｂとは力学的モデルは同じで、図３に示すような力学的モデルとなっていて、錘（質量体）３４（３４ａ、３４ｂ、３４ｃを総称して３４とする）、ピストンダンパー（ダンパー：減衰力発生体）３５、バネ３６（３６ａ、３６ｂ、３６ｃを総称して３６とする）などの構成要素は同じであるが、各構成要素の特性、質量、ダンパー係数、バネ定数等が異なる。

図４〜図１１に示すように、この係留模擬装置３０（３０Ａ、３０Ｂを総称して３０とする）は、枠体（ケーシング）３１の下部に入口部プーリー３２を設け、枠体３１の上部に支持プーリー３３ａと中間プーリー３３ｂを設けている。また、外部からの模擬係留索４１に接続部４２で接続される主ワイヤー（主索状体）３７を、入口部プーリー３２を経由して、枠体３１の内部に配置したピストンダンパー（ダンパー）３５の下側に接続している。

そして、このピストンダンパー３５の上側に接続した２本のうちの一本の第１ワイヤー（第１索状体）３７ａを、枠体３１の上部に配置した主バネ（バネ定数：ｋ１）３６ａの下側に接続している。なお、この構成の代わりに、主バネ３６ａを第１ワイヤー３７ａの中間に配置して、第１ワイヤー３７ａの端部を枠体３１に固定してもよい。

また、ピストンダンパー３５の上側に接続した２本のうちのもう一本の第２ワイヤー（第２索状体）３７ｂを枠体３１の上部の支持プーリー３３ａと中間プーリー３３ｂを経由して、第１副バネ（バネ定数：ｋ２）３６ｂと主錘（質量：Ｍｍ）３４ｂに接続している。

更に、支持プーリー３３ａに関して、上記の第１副バネ３６ｂと主錘３４ｂとが支持プーリー３３ａを回転させる方向Ｒａとは別の方向Ｒｂに、支持プーリー３３ａを回転させる第３ワイヤー（第３索状体）３７ｃを第２副バネ（バネ定数：ｋ３）３６ｃと副錘（質量：Ｍｓ）３４ｃに接続して設けている。

この第１副バネ３６ｂと主錘３４ｂの組と、第２副バネ３６ｃと副錘３４ｃの組との組み合わせにより、逆位相の慣性力を発生させることができるので、係留力の定常張力値を変えることなく、係留力の振幅のみの制御も独立して行うことができるようになる。つまり、主錘３４ｂと副錘３４ｃの質量の差により、実機の初期張力を模擬し、主錘３４ｂと副錘３４ｃの質量の和により、実機の質量を模擬する。また、第２ワイヤー３７ｂの第１副バネ３６ｂのバネ定数ｋ２と、第３ワイヤー３７ｃの第２副バネ３６ｃのバネ定数ｋ３を適切に設定することにより、係留索の固有振動数を力学的相似則に合わせる。

なお、これらの第１副バネ３６ｂ、主錘３４ｂ、第２副バネ３６ｃ、及び、副錘３４ｃは共に、支持プーリー３３ａと干渉しない範囲で、且つ、試験水槽２０の水面を通過して、自由表面と干渉しないように、これらの移動範囲が空気中又は水中のみの範囲で収まるように設ける。

そして、ピストンダンパー３５は、シリンダ３５ａとピストン３５ｂとオリフィス３５ｃで構成されるダンパーであるが、これ以外のダンパーを用いてもよい。このピストンダンパー３５では、ピストン３５ｂに作動する主ワイヤー３７の張力の変化や変位等によりピストン３５ｂが移動して、作動流体（ここでは水槽水）がオリフィス３５ｃを通過する際にダンパー機能を発揮して減衰力を発生する。

この減衰力の発生と同時に、このときの作動流体の移動により有効質量が発生する。この有効質量が見掛け質量体（Ｍｖ）３４ａとなる。この見掛け質量体（Ｍｖ）３４ａは大きくならないようにすることが好ましいが、ゼロにすることは難しいので、主錘３４ｂ、副錘３４ｃの調整により、この見掛け質量体（Ｍｖ）３４ａの影響をキャンセルして、係留索の初期張力と質量を実機に対しての力学的相似則に合わせる。

従って、この水槽模型係留試験装置１は、浮体構造物を大水深領域等において係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験装置１であり、この水槽模型係留試験装置１において、浮体構造物に対応する浮体模型１０に接続される模型係留索４１（４１Ａ、４１Ｂを総称して４１とする）に接続するワイヤー（索状体）３７、３７ａ、３７ｂ、３７ｃに主錘（主質量体）３４ｂ、副錘（副質量体）３４ｃ、ピストンダンパー（減衰力発生体）３５、主バネ（復原力発生体）３６ａを接続して、それぞれ実機係留と力学的相似になる慣性力、減衰力、復原力を発生させる係留模擬装置３０を備えて構成されている。

この構成により、試験水槽２０の幅および水深の制約から、幾何学的相似則を満足できない係留系に対して、質量体（主錘３４ｂ、副錘３４ｃ）、減衰力発生体（ダンパー：ピストンダンパー３５）、復原力発生体（主バネ３６ａ等）を用いることにより、それぞれ実機の係留系と相似になる慣性力、減衰力、復原力を発生させて、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができて、幅および水深の制約がある試験水槽２０で係留試験を可能とすることができる。

また、係留模擬装置３０で、質量体を主錘３４ｂと副錘３４ｃで、減衰力発生体をピストンダンパー３５で、復原力発生体を主バネ３６ａ等で構成しているので、主錘３４ｂと副錘３４ｃにより模擬係留索４１に加わる初期張力の大きさと質量（錘）の両方を力学的相似則を満足させるように設定でき、比較的容易に、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができるようになる。

更に、以下のような構成をしているので、これらの構成により、比較的容易に、実機の係留系との力学的相似則を満足させることができるようになる。なお、主錘（質量：Ｍｍ）３４ｂと副錘（質量：Ｍｓ）３４ｃの大きさを設定する際には、ワイヤー３７、３７ａ、３７ｂ、３７ｃの質量、主バネ３６ａの質量、及び、シリンダ３５ａ内の移動水による有効質量である見掛け質量（Ｍｖ）３４ａを考慮することで、力学的相似則の精度をより向上することができるようになる。

つまり、係留模擬装置３０の枠体３１の下部に入口部プーリー３２を、枠体３１の上部に支持プーリー３３ａを、それぞれ配設している。また、外部の模擬係留索４１に接続される主ワイヤー３７を入口部プーリー３２を経由してピストンダンパー３５の下端に接続し、ピストンダンパー３５の上端に接続している第１ワイヤー３７ａを、中間部に主バネ３６ａを挟んで枠体３１に固定して設けるか、又は、枠体３１に一端が固定された主バネ３６ａの他端に接続するかして設ける構成である。

さらに、この構成に加えて、ピストンダンパー３５の上端に接続している第２ワイヤー３７ｂを、支持プーリー３３ａを経由して主錘３４ｂに接続して、支持プーリー３３ａを一方側に回転させるように主錘３４ｂを吊り下げる。それと共に、支持プーリー３３ａに一端が固定された第３ワイヤー３７ｃを副錘３４ｃに接続して、支持プーリー３３ａを他方側に回転させるように副錘３４ｃを吊り下げている構成である。

そして、第２ワイヤー３７ｂの支持プーリー３３ａと主錘３４ｂの間に第１副バネ３６ｂを設け、第３ワイヤー３７ｃの支持プーリー３３ａと副錘３４ｃの間に第２副バネ３６ｃを設けて構成しているので、逆位相の慣性力を発生させることができる。

また、ピストンダンパー３５の上端に接続している第２ワイヤー３７ｂと支持プーリー３３ａとの間に中間プーリー３３ｂを設けて構成しているので、支持プーリー３３ａの径を大きくすることなく、主ワイヤー３７と第２ワイヤー３７ｂ又は第３ワイヤー３７ｃとの距離を大きくすることができ、主バネ３６ａ、ピストンダンパー３５と、主錘３４ｂ、副錘３４ｃ、第１副バネ３６ｂ、第２副バネ３６ｃの相互間の干渉を容易に回避できる。

次に、本発明に係る実施の形態の水槽模型係留試験方法について説明する。この水槽模型係留試験方法は、浮体構造物を係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験方法であり、この水槽模型係留試験方法において、上記の係留模擬装置３０を使用する方法である。

上記の実施の形態の水槽模型係留試験装置１及び水槽模型係留試験方法によれば、海洋構造物等の浮体構造物を大水深領域等に係留索で係留する際の諸データを計測する場合に、試験水槽２０の幅および水深の制約から、大深度係留系の幾何学的相似則を満足できないときであっても、係留系の力学的相似則を満足する係留模擬装置３０を用いることにより、試験水槽２０の水深や幅等の要目による制約を受けることなく、浮体構造物の縮尺を計測精度が劣化しない大きさに維持しつつ、係留想定海域の水深や領域における実機の係留系に対応して、この実機の係留系と力学的に相似な係留試験を行うことができる。

なお、図１及び図２の構成では、係留模擬装置３０Ａと係留模擬装置３０Ｂは水中に配置しているので、これらの枠体３１やシリンダ３５ａ等が浮体模型１０に入射してくる波を乱さないように、枠体３１やシリンダ３５ａの水平断面の形状は流線形の形状にすることが望ましい。また、場合によっては、係留模擬装置３０Ａと係留模擬装置３０Ｂを、特に浮体模型１０の前方（波の入射方向）となる係留模擬装置３０Ｂを、試験水槽２０の内部から引き上げて陸上に設置し、試験水槽２０の底面２２にはプーリーのみを設置して、主ワイヤー３７をこのプーリーを経由して、陸上の係留模擬装置３０Ｂに導いてもよい。この係留模擬装置３０Ｂを陸上に配置する場合は、シリンダ３５ａ内に作動流体を密閉しておく必要がある。

そして、実機の係留を模擬するための主錘３４ｂ、副錘３４ｃ、ピストンダンパー３５、主バネ３６ａ、及び、第１副バネ３６ｂ、第２副バネ３６ｃの具体的数値は、実機の係留システムが確定したら、実験又は数値計算で、実機の係留索の特性を特定し、この特性に合うように、実験または数値計算でそれぞれの具体的な数値を設定し、実験で補正することで、より実機との力学的相似則を満足させることができる。

さらには、主ワイヤー３７の入口となる入口部ブーリー３２は係留模擬装置３０Ａ、３０Ｂのできるだけ下方に設けることが、係留部１１から短い水平距離でも傾斜角度αａ、αｂを大きくできるので好ましい。しかし、多様な係留システムに応じられるように、入口部ブーリー３２を枠体３１において上下位置を変更可能に設けたり、この入口部ブーリー３２の先に、上下位置変更可能な案内プーリー（図示しない）を枠体３１に、又は、枠体３１から独立して設けたりしてもよい。

１０ 浮体模型
１１ 係留部
２０ 試験水槽
２１ 試験水槽の側壁
２２ 試験水槽の底面
３０、３０Ａ、３０Ｂ 係留模擬装置
３１ 枠体
３２ 入口部プーリー
３３ａ 支持プーリー
３３ｂ 中間プーリー
３４ 質量体
３４ａ 見掛け質量
３４ｂ 主質量体（主錘）
３４ｃ 副質量体（副錘）
３５ ピストンダンパー（減衰力発生体）
３５ａ シリンダ
３５ｂ ピストン
３５ｃ オリフィス
３６ａ 主バネ（復原力発生体）
３６ｂ 第１副バネ（復原力発生体）
３６ｃ 第２副バネ（復原力発生体）
３７ 主ワイヤー（主索状体）
３７ａ 第１ワイヤー（第１索状体）
３７ｂ 第２ワイヤー（第２索状体）
３７ｃ 第３ワイヤー（第３索状体）
４１、４１Ａ、４１Ｂ 模擬係留索

Claims (6)

1. 浮体構造物を係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験装置において、前記浮体構造物に対応する浮体模型に接続される模型係留索に接続する索状体に質量体、減衰力発生体、復原力発生体を接続して、それぞれ実機係留と力学的相似になる慣性力、減衰力、復原力を発生させる係留模擬装置を備えて構成されることを特徴とする水槽模型係留試験装置。
2. 前記係留模擬装置で、前記質量体を主質量体と副質量体で、前記復原力発生体を主バネで、前記減衰力発生体をダンパーで構成することを特徴とする請求項１に記載の水槽模型係留試験装置。
3. 前記係留模擬装置の枠体の下部に入口部プーリーを、前記枠体の上部に支持プーリーを、それぞれ配設し、
   外部の模擬係留索に接続される主索状体を前記入口部プーリーを経由して前記ダンパーの下端に接続し、
   前記ダンパーの上端に接続している第１索状体を、中間部に前記主バネを挟んで前記枠体に固定して設けるか、又は、前記枠体に一端が固定された前記主バネの他端に接続するかして設け、
   前記ダンパーの上端に接続している第２索状体を、前記支持プーリーを経由して前記主質量体に接続して、前記支持プーリーを一方側に回転させるように前記主質量体を吊り下げると共に、
   前記支持プーリーに一端が固定された第３索状体を前記副質量体に接続して、前記支持プーリーを他方側に回転させるように前記副質量体を吊り下げていることを特徴とする請求項２に記載の水槽模型係留試験装置。
4. 前記第２索状体の前記支持プーリーと前記主質量体の間に第１副バネを設け、
   前記第３索状体の前記支持プーリーと前記副質量体の間に第２副バネを設けていることを特徴とする請求項３に記載の水槽模型係留試験装置。
5. 前記第２索状体の前記ダンパーと前記支持プーリーとの間に中間プーリーを設けていることを特徴とする請求項３又は４に記載の水槽模型係留試験装置。
6. 浮体構造物を係留索で係留する際の諸データを計測する場合に使用する水槽模型係留試験方法において、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水槽模型係留試験装置を使用することを特徴とする水槽模型係留試験方法。

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