RU2011599C1 - Semisubmersible base for sea structure - Google Patents

Semisubmersible base for sea structure Download PDF

Info

Publication number
RU2011599C1
RU2011599C1 SU5022813/11A SU5022813A RU2011599C1 RU 2011599 C1 RU2011599 C1 RU 2011599C1 SU 5022813/11 A SU5022813/11 A SU 5022813/11A SU 5022813 A SU5022813 A SU 5022813A RU 2011599 C1 RU2011599 C1 RU 2011599C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pad
wave
waves
damper
amplitude
Prior art date
Application number
SU5022813/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.В. Разумеенко
Ю.В. Пыльнев
Original Assignee
Разумеенко Юрий Васильевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Разумеенко Юрий Васильевич filed Critical Разумеенко Юрий Васильевич
Priority to SU5022813/11A priority Critical patent/RU2011599C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2011599C1 publication Critical patent/RU2011599C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Revetment (AREA)

Abstract

FIELD: shipbuilding. SUBSTANCE: flat or volumetric passive-active damper 2 made in form of plate of circular vertical or horizontal cylinder is mounted in floating bases containing vertically oriented semisubmersed displacement columns 1 near free surface in area of active action of waves at a depth of 1.25 of the working amplitude of waves. This damper reduces self-disturbing action of waves on floating base. Form and geometric sizes of passive-active dampers for rated frequency and amplitude of wave are obtained from the conditions of minimization of total disturbing action of waves on the column and passive-active damper of forces of the static and hydrodynamic wave nature. Floating base also has device for minimization of disturbing action of waves at unrated swell which includes incoming wave parameter meter 3, unit 4 for processing these parameters and obtaining most probable length and amplitude, meter 5 for determination of submergence of semisubmersible base, electric power source 6, optimization unit 7, ballast tank 8 and automatic ballasting unit 9. EFFECT: enhanced reliability. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к судостроению, в частности к средствам освоения океана и гидротехническим сооружениям, и предназначено для уменьшения возмущающего воздействия воды на полупогруженные плавучие сооружения типа буровых и океанологических стабилизированных платформ, свободно дрейфующих и заякоренных буев, а также уменьшения их вертикальной качки. The invention relates to shipbuilding, in particular to means of developing the ocean and hydraulic structures, and is intended to reduce the disturbing effects of water on semi-submerged floating structures such as drilling and oceanological stabilized platforms, freely drifting and anchored buoys, as well as reducing their vertical pitching.

Известно устройство по уменьшению параметров качки за счет увеличения коэффициента сопротивления объекта. Оно реализовано в устройствах типа вехи Фруда, которая должна плавать в полупогруженном состоянии. Она содержит длинный полупогруженный вертикальный цилиндр небольшого диаметра, к нижней части которого на длинном тросике подвешен гидродинамический демпфр с грузом [1] . A device is known for reducing pitching parameters by increasing the resistance coefficient of an object. It is implemented in devices such as the Froude milestone, which must float in a semi-submerged state. It contains a long semi-immersed vertical cylinder of small diameter, to the lower part of which a hydrodynamic damper with a load is suspended on a long cable [1].

Веха Фруда работает по отношению к волне как фильтр высокочастотных колебаний. The milestone of Froude works with respect to the wave as a filter of high-frequency oscillations.

Аналогично решается задача уменьшения вертикальных колебаний в цилиндическом вертикальном буе Вудс-Хоулского океано-графического института. The problem of decreasing vertical oscillations in a cylindrical vertical buoy of the Woods Hole Oceanographic Institute is similarly solved.

Отличительные особенности технического решения, применяемого в вехе и буе: используется полупогруженный вертикальный цилиндр небольшого сечения длиной не менее ожидаемой в данном регионе высоты волн; на глубине не менее 0,5 длины ожидаемых в регионе волн (на такую глубину волны уже не проникают) на тросе подвешивается демпфер (парусиновый лист в жесткой раме) площадью в 30-40 раз больше площади поперечного сечения вехи. Вся конструкция в полупогуженном состоянии удерживается за счет положительной плавучести вертикального цилиндра и отрицательной плавучести демпфера с подвесным балластом; уменьшение возмущающего воздействия волн на вертикальный цилиндр достигается только за счет уменьшения диаметра цилиндра; принцип работы конструкции - пассивная фильтрация колебаний за счет резкого увеличения инерционности всей системы. Distinctive features of the technical solution used in the milestone and buoy: a semi-immersed vertical cylinder of small cross section with a length not less than the expected wave height in the region is used; at a depth of at least 0.5 the wavelengths expected in the region (the waves no longer penetrate to such depth) a damper (canvas sheet in a rigid frame) with an area of 30-40 times the cross-sectional area of the pole is suspended on the cable. The entire structure in a semi-dead state is maintained due to the positive buoyancy of the vertical cylinder and the negative buoyancy of the damper with suspended ballast; reduction of the disturbing effect of waves on a vertical cylinder is achieved only by reducing the diameter of the cylinder; the principle of operation of the design is passive filtering of vibrations due to a sharp increase in the inertia of the entire system.

Данное техническое решение при всей его простоте имеет ряд недостатков: ограниченную применимость для буев, не требующих больших полезных объемов и масс для размещения оборудования и экипажа; техническую сложность применения для океанологических и буровых платформ, т. к. при диаметре вертикальной колонны в 1,5-2 м площадь демпфера оказывается очень большой. This technical solution, with all its simplicity, has several disadvantages: limited applicability for buoys that do not require large usable volumes and masses to accommodate equipment and crew; the technical complexity of the application for oceanological and drilling platforms, because when the diameter of the vertical column is 1.5-2 m, the damper area is very large.

Известны океанологические станции и платформы, представляющие собой вертикальные конструкции. Таковы, например, платформы типа "Буй-лаборатория", "Спар", "Флип" [2] . Они педставляют собой буксируемые в горизонтальном положении сооружения, состоящие из двух цилиндрических частей разного сечения. Для перевода в рабочее состоянии более толстая часть заполняется водным балластом, и платформа принимает вертикальное положение. Поверхность пересекает узкая часть диаметром 1,8-4,5 м. В нижней части диаметром в 2-3,5 раза большем располагаются балластные цистерны, запасы топлива, механизмы и пр. В этих конструкциях также используется пассивный принцип гашения качки: грушевидная нижняя часть обладает большой присоединенной массой, а поверхность пересекает цилиндр небольшого диаметра. За счет этого, как и в случае вехи Фруда, создаются условия, когда объект (платформа) слабо реагирует на возмущающую силу, имеющую частоту в 2-3 раза большую частоты собственных колебаний. Known oceanological stations and platforms, which are vertical structures. Such, for example, platforms such as "Buoy Laboratory", "Spar", "Flip" [2]. They represent towed in a horizontal position structures, consisting of two cylindrical parts of different sections. For translation in working condition, the thicker part is filled with water ballast, and the platform takes a vertical position. The surface is crossed by a narrow part with a diameter of 1.8-4.5 m. Ballast tanks, fuel reserves, mechanisms, etc. are located in the lower part with a diameter 2-3.5 times larger. The passive quenching damping principle is also used in these structures: pear-shaped lower part has a large attached mass, and the surface crosses a cylinder of small diameter. Due to this, as in the case of the Froude milestone, conditions are created when the object (platform) weakly reacts to a disturbing force having a frequency 2-3 times higher than the frequency of natural vibrations.

По сравнению с буями и вехой Фруда увеличение периода собственных колебаний этих сооружений достигается за счет увеличения виртуальной присоединенной массы (массы воды, вытесненной погруженным объемом, плюс присоединенная масса), выбором формы подводной части. Но при этом гидравлическое сопротивление колебаниям платформ невелико, демпферов они не имеют. Поэтому при неволновом возмущении (например при большой скорости заполнения цистерн главного балласта) возможны длительные колебаний большой амплитуды. Compared to the buoys and the milestone of Frud, the increase in the period of natural vibrations of these structures is achieved by increasing the virtual mass attached (the mass of water displaced by the submerged volume, plus the mass added), by choosing the shape of the underwater part. But at the same time, hydraulic resistance to platform vibrations is small, they do not have dampers. Therefore, under non-wave disturbance (for example, at a high filling speed of the main ballast tanks), long-term oscillations of large amplitude are possible.

Недостаток устройства по стабилизации таких платформ еще и в том, что оно тебует заглубления на 40-60 м центра стабилизирующего объема. Поэтому платформы могут применяться только на больших глубинах. По прежнему действует ограничение - малая площадь ватерлинии и большой диаметр глубокопогруженного утолщения. Принцип уменьшения качки - пассивная фильтрация. The disadvantage of the device for stabilizing such platforms is also that it requires a depth of 40-60 m in the center of the stabilizing volume. Therefore, platforms can only be used at great depths. As before, the restriction applies - a small area of the waterline and a large diameter of a deeply submerged thickening. The principle of pitch reduction is passive filtering.

Прототипом изобетения является полупогруженное основание морского сооружения, содержащее водоизменяющую цилиндрическую колонну, пересекающую свободную поверхность воды, рабочую площадку над ней и расположенный на ней под свободный повехностью демпфер [3] . The prototype of the invention is the semi-submerged base of the offshore structure, containing a water-changing cylindrical column crossing the free surface of the water, a work platform above it and a damper located on it under free surface [3].

Недостатком известного устройства является то, что расчетные выражения для поля давлений в волнах, а также сил, которые положены в основу известного решения, слишком упрощены. Поэтому минимизация вертикальной качки на их основе не может дать точного результата. Упрощенное представление сил (учитываются лишь силы давления) ограничила и конструктивные пути решения задачи только за счет сил давления на водоизмещающих объемах. A disadvantage of the known device is that the calculated expressions for the pressure field in the waves, as well as the forces that form the basis of the known solution, are too simplified. Therefore, minimizing the vertical roll on their basis cannot give an accurate result. The simplified representation of forces (only pressure forces are taken into account) has limited the constructive ways of solving the problem only due to pressure forces at displacement volumes.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей конструктивных путей борьбы с волновыми нагрузками и повышение точности стабилизации плавучих конструкций от вертикальной качки на волнении. The purpose of the invention is the expansion of the functionality of the structural ways of dealing with wave loads and improving the accuracy of stabilization of floating structures from vertical rolling on waves.

Технический результат данного изобретения достигоается тем, что в полупогруженном основании моского сооружения, содержащем по меньшей мере одну водоизмешающую цилиндрическую колонну, пересекающую свободную поверхность воды, рабочую площадку над ней и расположенный на ней под свободной поверхностью воды демпфер, длина погруженной части колонны и высота надводной ее части до рабочей площади составляет не менее 1,25-1,5 расчетной амплитуды волны, демпфер установлен на глубине 1,25 расчетной амплитуды волны и выполнен пассивно-активным. Изобретение снабжено устройство минимизации возмущающего воздействия волн на нерасчетном волнении. The technical result of this invention is achieved in that in a semi-submerged base of a marine structure containing at least one displacement cylindrical column intersecting the free surface of the water, the work platform above it and a damper located on it under the free surface of the water, the length of the immersed part of the column and its surface height parts to the working area is at least 1.25-1.5 of the estimated wave amplitude, the damper is installed at a depth of 1.25 of the calculated wave amplitude and is passively active. The invention is provided with a device for minimizing the disturbing effect of waves on off-design waves.

Кроме того, пассивно-активный демпфер (ПАД) выполнен в виде плоского диска, причем его площадь SПАД ≈0,137-0,147/xS1˙λp, где S1 - площадь поперечного сечения колонны, определяемая из условия плавучести всей конструкции, λp - расчетная длина волны.In addition, the passive-active damper (PAD) is made in the form of a flat disk, and its area S PAD is ≈0.137-0.147 / xS 1 ˙λ p , where S 1 is the cross-sectional area of the column, determined from the buoyancy condition of the whole structure, λ p - estimated wavelength.

Кроме того, ПАД выполнен в виде объемного цилиндрического кольца, причем его объем VПАД ≈ (0,148-0,151) (1+К22)-1 ˙S1 ˙λp, где К22 ≈ 0,7-0,9 коэффициент присоединенной массы объемного ПАДа, зависящий от формы и соотношения разности наружного и внутреннего диаметра и его высоты.In addition, PAD is made in the form of a volumetric cylindrical ring, and its volume V PAD is ≈ (0.148-0.151) (1 + K 22 ) -1 ˙ S 1 ˙λ p , where K 22 ≈ 0.7-0.9 is the coefficient of the attached the mass of bulk PAD, depending on the shape and ratio of the difference between the outer and inner diameters and its heights.

Кроме того, ПАД выполнен в виде цилиндра, продольная ось которого ориентирована горизонтально, причем его радиус r2 и длина l2определяются соотношением
r 2 2 ·l2·e

Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
= /0,256-0,266/·S1·λp
Кроме того, устройство минимизации возмущающего воздействия волн на полупогруженное основание включает в себя электрический измеритель параметров набегающих волн, блок их обработки и получения наиболее вероятной длины и амплитуды, измеритель заглубления полупогруженного основания источник электоэнегии, блок оптимизации, балластную цистену с клапанами ее заполнения и осушения и блок автоматической балластировки. Измеритель параметров волн электрически связан с блоком оптимизации и измерителем заглубления, а блок оптимизации связан с блоком автоматической балластировки, при этом последний связан с клапанами заполнения и осушения балластной цистерны.In addition, the PAD is made in the form of a cylinder, the longitudinal axis of which is oriented horizontally, and its radius r 2 and length l 2 are determined by the ratio
r 2 2 L 2 e
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
= / 0.256-0.266 / S 1 λ p
In addition, the device for minimizing the disturbing effect of waves on a semi-submerged base includes an electric meter of incoming wave parameters, a unit for processing and obtaining the most probable length and amplitude, a deepening meter for a semi-submerged base, an electro-energy source, an optimization unit, a ballast cyst with valves for filling and draining it, and automatic ballasting unit. The wave parameter meter is electrically connected to the optimization unit and the depth meter, and the optimization unit is connected to the automatic ballasting unit, the latter being connected to the ballast tank filling and draining valves.

На фиг. 1 изображено полупогруженное основание морского сооружения; на фиг. 2 - веха с объемным пассивно-активном демпфером; на фиг. 3 - веха с плоским пассивно-активным демпфером; на фиг. 4 - веха с пассивно-активным демпфером в виде цилиндра. In FIG. 1 shows a semi-submerged base of an offshore structure; in FIG. 2 - milestone with a passive active damper; in FIG. 3 - milestone with a flat passive-active damper; in FIG. 4 - milestone with a passive-active damper in the form of a cylinder.

Полупогруженное основание содержит водоизмещающую колонку 1, пересекающую свободную поверхность воды, расположенный на ней под свободной поверхностью воды демпфер 2. Длина погруженной части составляет не менее 1,25-1,5 расчетной амплитуды волны. Демпфер 2 установлен на глубине 1,25 расчетной амплитуды волны и выполнен пассивно-активным. Оно содержит также устройство минимизации возмущающего воздействия волн на полупогруженное основание на нерасчетном волнении, включающее в себя электрический измеритель 3 параметров набегающих волн блок 4 их обработки, измеритель 5 заглубления полупогруженного основания, источник 6 электроэнергии, блок 7 оптимизации, балластную цистерну 8 и блок 9 автоматической балластировки. The semi-submerged base contains a displacement column 1, intersecting the free surface of the water, located on it under the free surface of the water damper 2. The length of the immersed part is at least 1.25-1.5 of the estimated wave amplitude. Damper 2 is installed at a depth of 1.25 of the estimated wave amplitude and is passively active. It also contains a device for minimizing the disturbing effect of waves on a semi-submerged base on an off-design wave, including an electric meter 3 of incoming wave parameters, a processing unit 4, a meter 5 for deepening a semi-submerged base, an electric power source 6, an optimization unit 7, a ballast tank 8 and an automatic block 9 ballasting.

Устройство работает следующим образом. Перед выставлением буя или вехи с судна-носителя определяют параметры волнения и оптимальное заглубление ПАД, принимают необходимое количество балласта, обеспечивающее нужную осадку T буя. В таком состоянии буй сбрасывают с судна и он начинает работать. Источник 6 энергии начинает вырабатывать электроэнергию, которая будет идти на работу измерителя 3, блока 4 определения математического ожидания амплитуды

Figure 00000005
, длины набегающих волн
Figure 00000006
, измерителя 5 заглубления вехи и других схем и систем вехи. Сигналы от блоков 4 и 5 поступают в блок 7 оптимизации режима позиционирования вехи и выработки управляющего сигнала для блока 9 автоматической балластировки вехи.The device operates as follows. Before setting the buoy or milestone from the carrier vessel, the parameters of the waves and the optimal depth of the PAD are determined, the necessary amount of ballast is provided, which ensures the necessary draft T of the buoy. In this state, the buoy is dropped from the vessel and it starts to work. The energy source 6 begins to generate electricity, which will go to the work of meter 3, unit 4 for determining the mathematical expectation of amplitude
Figure 00000005
, incident wavelengths
Figure 00000006
, milestone deepening meter 5 and other milestone circuits and systems. The signals from blocks 4 and 5 are received in block 7 optimization of the milestone positioning mode and generate a control signal for block 9 automatic ballasting milestones.

В блоке 7 для уже известных размеров вехи (радиусе вертикального цилиндра r, его длине l, площади SПАД и объема V2 ПАД, коэффициентах присоединенных инерцией) и на основе ниже приведенных выражений (1) для объемного ПАДа (2) для плоского бортовая мини ЭВМ искать для конкретных

Figure 00000007
и
Figure 00000008
получаемых от блока 4, оптимальное заглубление ПАД или осадку вехи
Figure 00000009
.In block 7, for the already known dimensions of the milestone (radius of the vertical cylinder r, its length l, area S of the PAD and volume V 2 of the PAD, inertia coefficients) and based on the following expressions (1) for the volumetric PAD (2) for the plane side mini Computer look for specific
Figure 00000007
and
Figure 00000008
obtained from block 4, the optimal deepening of the PAD or draft of the milestone
Figure 00000009
.

В блоке 9 происходит сравнение текущей осадки

Figure 00000010
, получаемой из блока 5 и Торt, получаемой из блока оптимизации 7 и вырабатывается сигнал на прием (откачку) воды Δ Q.In block 9, the current draft is compared
Figure 00000010
obtained from block 5 and T opt obtained from optimization block 7 and a signal is generated to receive (pump) water Δ Q.

В соответствии с этим сигналом происходит прием (откачка) водяного балласта в цистерну 8. Для того, чтобы система не работала непрерывно в блоке 9, должно быть предусмотрено заглубление сигнала от разности

Figure 00000011
=
Figure 00000012
-
Figure 00000013
.In accordance with this signal, the ballast water is received (pumped out) into the tank 8. In order for the system not to work continuously in block 9, a signal deepening from the difference must be provided
Figure 00000011
=
Figure 00000012
-
Figure 00000013
.

Изобретение опирается на полную структуру возмущающего воздействия волн на полупогруженные вертикальные цилиндрические тела и полностью погруженные плоские или объемные демпферы, выполняющие роль разгрузочных элементов. The invention relies on the complete structure of the perturbing effect of waves on semi-immersed vertical cylindrical bodies and fully immersed flat or volumetric dampers, which act as unloading elements.

Полная структура возмущающего воздействия гармонической волны Yb= A ˙cos ωt на статически уравновешенный вертикально ориентированный цилиндр 1 с объемным пассивно-активным демпфером 2 (фиг. 2) имеет вид:
Fу

Figure 00000014
-
Figure 00000015
-
-
Figure 00000016
+
Figure 00000017
+ (1)
+
Figure 00000018
-
Figure 00000019
-
-
Figure 00000020
, где V1 и V2 - объемы погруженной части вертикального цилиндра и объемного демпфера;
S1 - площадь поперечного сечения цилиндра;
l1п и Yo - длина погруженной части вертикальной цилиндра и заглубление центра его плавучести;
YПАД - заглубление центра плавучести ПАД;
k = 2π/λ ; ω =
Figure 00000021
- волновое число и частота волны;
ε1(y0) = e
Figure 00000022
, ε2(yПАД) = e
Figure 00000023
- коэффициенты ослабления амплитуды волны на горизонтах Yo и YПАД;
λ1= K1ρV1; λ2= K2ρV2 - присоединение массы цилиндра и демпфера;
Figure 00000024
и
Figure 00000025
- безразмерные коэффициенты демпфирования цилиндра и демпфера, отнесенные к массам ρV1 и ρV2 и частоте волны ω;
κ1иκ2- редукционные коэффициенты, определяемые соотношением размеров цилиндра и демпфера, и длиной волны.The full structure of the perturbing effect of the harmonic wave Y b = A ˙cos ωt on a statically balanced vertically oriented cylinder 1 with a volumetric passively active damper 2 (Fig. 2) has the form:
F y
Figure 00000014
-
Figure 00000015
-
-
Figure 00000016
+
Figure 00000017
+ (1)
+
Figure 00000018
-
Figure 00000019
-
-
Figure 00000020
where V 1 and V 2 are the volumes of the submerged part of the vertical cylinder and the volume damper;
S 1 - the cross-sectional area of the cylinder;
l 1p and Y o - the length of the immersed part of the vertical cylinder and the deepening of the center of its buoyancy;
Y PAD - deepening of the center of buoyancy of PAD;
k = 2π / λ; ω =
Figure 00000021
- wave number and wave frequency;
ε 1 (y 0 ) = e
Figure 00000022
, ε 2 (y PAD ) = e
Figure 00000023
- attenuation coefficients of the wave amplitude at the horizons Y o and Y PAD ;
λ 1 = K 1 ρV 1 ; λ 2 = K 2 ρV 2 - joining the mass of the cylinder and damper;
Figure 00000024
and
Figure 00000025
- dimensionless damping coefficients of the cylinder and damper, referred to the masses ρV 1 and ρV 2 and the wave frequency ω;
κ 1 and κ 2 are reduction coefficients, determined by the ratio of the dimensions of the cylinder and the damper, and the wavelength.

Для вертикального цилиндра κ1= 1 -

Figure 00000026
, а для горизонтального радиуса r2κ2 = 1-
Figure 00000027

Структурное выражение (1) включает четыре составляющие: F1г.ст - гидростатическую силу, связанную с изменением заглубления вертикального цилиндра. Эта сила изменяется в фазе с волной и пропорциональна площади сечения s1; F1ив и F2ив - инерционно-волновые силы вместе с динамической частью сил давления, действующих на вертикальный цилиндр и объемный демпфер. Инерционно-волновые силы F1ив и F2ив пропорциональны массовому водоизмещению и присоединенным массам вертикального цилиндра и объемного демпфера, а также вертикальному ускорению частиц в волне на уровне Yo и YПАД. Эти силы опережают волну на π и действуют в противофазе в ней; F1п и F2п - силы присоса вертикального цилиндра и ПАД и поверхности, которые не зависят от времени. Эти силы с учетом ω2= gr пропорциональны квадрату угла волнового склона (2π/λ˙A˙ε1) на уровне Yo и YПАД и водоизмещениям V1 и V2. Обычно эти силы учитываются лишь при изучении движения подводных лодок вблизи свободной поверхности. В задачах воздействия волн на буи и платформы этими силами можно пренебречь. Их, однако, в общем случае легко и учесть или компенсировать приемом водяного балласта; силы демпфирующей природы F и F, выразающиеся через размерные коэффициенты демпфирования Vyi =
Figure 00000028
V1 и вертикальную скорость vy2= A ˙εi˙ω˙ sinω˙ t на горизонтах Yo и YПАД. Эти силы опережают волну на π /2.For a vertical cylinder, κ 1 = 1 -
Figure 00000026
, and for the horizontal radius r 2 κ 2 = 1-
Figure 00000027

Structural expression (1) includes four components: F 1g.st - hydrostatic force associated with a change in the depth of the vertical cylinder. This force varies in phase with the wave and is proportional to the cross-sectional area s 1 ; F 1iv and F 2iv - inertial-wave forces together with the dynamic part of the pressure forces acting on the vertical cylinder and the volume damper. The inertial-wave forces F 1iv and F 2iv are proportional to the mass displacement and the attached masses of the vertical cylinder and the volume damper, as well as the vertical acceleration of particles in the wave at the level of Y o and Y PAD . These forces are ahead of the wave by π and act in antiphase in it; F H1 and F 2n - suction force and a vertical cylinder and the surface of the PAD, which do not depend on time. These forces, taking into account ω 2 = gr, are proportional to the square of the angle of the wave slope (2π / λ˙A˙ε 1 ) at the level of Y o and Y PAD and displacement V 1 and V 2 . Usually, these forces are taken into account only when studying the movement of submarines near a free surface. In problems of the effect of waves on buoys and platforms, these forces can be neglected. However, they are generally easy to take into account or compensate for by the use of ballast water; damping forces F 1d and F 2d expressed in terms of damping dimensional coefficients V yi =
Figure 00000028
V 1 and the vertical velocity v y2 = A ˙ε i ˙ω˙ sinω˙ t at the horizons Y o and Y PAD . These forces are ahead of the wave by π / 2.

Для случая вертикального цилиндра с плоским ПАД (фиг. 3) структура возмущающего воздействия на нее волны имеет вид:
Fy ≈ gρS1Acosωt-Aε1(y02κ1(ρV11)cosωt-
- Aε2(yПАД2κ2λ2cosωt+kA2ε 2 1 (y02ρV1- (2)
- Aε1(y0)

Figure 00000029
V1sinωt-A2ε2(yПАД2CyρSПАДsinωt
В отличие от (1) в структуре (2) объем демпфера полагается равным нулю, поэтому объемных сил давления он не доставляет, однако плоский демпфер имеет присоединенную массу, и возникающая на нем инерционная сила разгружающе действует на F1г.ст. Коэффициент демпфирования плоского ПАД нормируется в этом случае на его площадь SПАД и ρ Vy 2/2. Как и в случае (1), демпфирующие силы вертикального цилиндра и ПАД опережают волну по фазе на π /2. Силы присоса здесь создаются лишь на вертикальном цилиндре, и силы эти малы.For the case of a vertical cylinder with a flat PAD (Fig. 3), the structure of the perturbing action of the wave on it has the form:
F y ≈ gρS 1 Acosωt-Aε 1 (y 0 ) ω 2 κ 1 (ρV 1 + λ 1 ) cosωt-
- Aε 2 (y PAD ) ω 2 κ 2 λ 2 cosωt + kA 2 ε 2 1 (y 0 ) ω 2 ρV 1 - (2)
- Aε 1 (y 0 )
Figure 00000029
V 1 sinωt-A 2 ε 2 (y PAD ) ω 2 C y ρS PAD sinωt
Unlike (1) in structure (2), the damper volume is assumed to be zero, therefore, it does not deliver volumetric pressure forces, however, the flat damper has an attached mass, and the inertial force arising on it acts unloading on F 1 g.st. PAD damping coefficient plane in this case is normalized to an area S PAD and ρ V y 2/2. As in case (1), the damping forces of the vertical cylinder and PAD are ahead of the wave in phase by π / 2. The suction forces here are created only on a vertical cylinder, and these forces are small.

Рассмотрим также составную конструкцию (фиг. 4), состоящую из вертикальной колонны или стенки сечением S1, и горизонтального цилиндра сечением S2. Эта конструкция может являться расчетным составным элементом погружных буровых платформ, состоящих из множества вертикальных колонн и 2-3 горизонтальных цилиндров. Длина вертикальной колонны l1, длина элемента гоизонтального цилиндра l2, заглубление центров их плавучести Y10 и Y20 Стуктура возмущающего воздействия волн на эту составную конструкцию имеет вид:
Fy

Figure 00000030
-
Figure 00000031

_
Figure 00000032
+
Figure 00000033
+ (3)
+
Figure 00000034
-
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000037
.Consider also the composite structure (Fig. 4), consisting of a vertical column or wall with a section S 1 , and a horizontal cylinder with a section S2. This design can be a calculated component of submersible drilling platforms, consisting of many vertical columns and 2-3 horizontal cylinders. The length of the vertical column l 1 , the length of the element of the horizontal cylinder l 2 , the deepening of the centers of their buoyancy Y 10 and Y 20 The structure of the perturbing effects of waves on this composite structure has the form:
F y
Figure 00000030
-
Figure 00000031

_
Figure 00000032
+
Figure 00000033
+ (3)
+
Figure 00000034
-
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000037
.

В отличие от структур (1) и (2) здесь роль ПАД выполняет горизонтальный цилиндр. На нем формируются инерционно-волновые силы F2ив, которые совместно с F1ив разгружают действие F1г.ст.In contrast to structures (1) and (2), the role of PAD here is played by a horizontal cylinder. On it, inertial-wave forces F 2iv are formed , which together with F 1iv unload the action of F 1g.st.

Как показывают эксперименты возмущающие силы демпфирующей природы малы по сравнению с гидростатическими и инерционно-волновыми, особенно для вертикального цилиндра. Что касается сил присоса, то в обоих случаях они могут быть компенсированы приемом дополнительного водного балласта и поэтому их из рассмотения можно исключить. Оставшиеся члены допускают явную минимизацию амплитуды суммарного воздействия волны на составную конструкцию путем выбоа соответствующего объема (площади), формы и заглубления ПАД. As experiments show, the perturbing forces of a damping nature are small compared with hydrostatic and inertial-wave ones, especially for a vertical cylinder. As for the suction forces, in both cases they can be compensated by the use of additional water ballast and therefore they can be excluded from consideration. The remaining terms allow explicit minimization of the amplitude of the total effect of the wave on the composite structure by selecting the appropriate volume (area), shape and depth of the PAD.

Покажем на примерах, как на стадии проектирования и эксплуатации плавучих конструкций (фиг. 2, 3, 4) может быть миниминизировано возмущающее воздействие волн и существенно уменьшена их вертикальная качка. Let us show by examples how at the stage of design and operation of floating structures (Figs. 2, 3, 4) the disturbing effect of waves can be minimized and their vertical pitch can be significantly reduced.

П р и м е р 1 реализации данного изобретения для вехи и буя (фиг. 3). На стадии проектиования необходимо выполнить следующие операции: выбать для вехи или буя расчетный район и режим их функциониования. Для заданной интенсивности волнения выбрать наиболее веоятную длину волны πp и ее амплитуду Ар; назначить длину погруженной части вехи l ≥1,5 Ар и всей вехи l1≥(2,75-3) Ар из соображений, чтобы при волнении не погружалась в воду вся ее верхняя часть и не оголялся демпфер, который должен быть погружен на глубину YПАД ≈ 1,25 Ар от ватерлинии статического равновесия вехи при отсутствии волнения; из соображений обеспечения необходимой плавучести и полезного объема вехи в полупогруженном состоянии необходимо найти площадь s1 поперечного сечения вехи:
mo+mб+mд= ρ˙ (s1 l1п+Vб+Vд) (4),
где mо - полезная масса вехи вместе с приборами, механизмами, системами, корпусом;
mб и mд - масса балласта и демпфера;
Vб и Vд - объем балласта и демпфера.
PRI me R 1 implementation of the present invention for milestones and buoys (Fig. 3). At the design stage, it is necessary to perform the following operations: retrieve the calculated area for the milestone or buoy and the mode of their operation. For a given wave intensity, select the most probable wavelength π p and its amplitude A p ; assign the length of the immersed part of the milestone l 1g ≥1.5 A p and the entire milestone l 1 ≥ (2.75-3) A p for reasons so that during excitement all its upper part does not sink into the water and the damper, which should be immersed to a depth of Y PAD ≈ 1.25 A p from the waterline of the static equilibrium of the milestone in the absence of unrest; for reasons of ensuring the necessary buoyancy and useful volume of the milestone in a semi-submerged state, it is necessary to find the cross-sectional area s 1 of the milestone:
m o + m b + m d = ρ˙ (s 1 l 1n + V b + V d ) (4),
where m o - net weight of the milestone together with devices, mechanisms, systems, housing;
m b and m d - mass of ballast and damper;
V b and V d - the volume of ballast and damper.

Для решения уравнения (4) необходимо в первом приближении пренебречь Vб и Vд по сравнению с V1= s1 l1п, а затем уточнить значение s1.To solve equation (4), in a first approximation, neglected V b and V d from V 1 = s 1 l 1P, and then refine the value s 1.

4. Найти коэффициенты ослабления амплитуды на уровне центра плавучести вехи и демпфера. Если для численного примера взять λp= 80 м и Ар= 4 м, то lп= 6 м, Y10= 3 м, YПАД= 5, l1= 12 м. Для этих данных ε1(y10) = exp -

Figure 00000038
·3 = 0.79; ε2(yПАД) = exp -
Figure 00000039
·5 = 0.675.4. Find the attenuation coefficients of the amplitude at the level of the center of buoyancy of the milestone and damper. If for a numerical example we take λ p = 80 m and A p = 4 m, then l p = 6 m, Y 10 = 3 m, Y PAD = 5, l 1 = 12 m. For this data, ε 1 (y 10 ) = exp -
Figure 00000038
3 = 0.79; ε 2 (y PAD ) = exp -
Figure 00000039
5 = 0.675.

Здесь необходимо отметить принципиальное отличие ПАД от массивного демпфера вехи Фруда, который располагается на глубине 60-70 м. Для него ε = exp -

Figure 00000040
·60 = 0.009 и, следовательно, волна на пассивный демпфер не воздействует. Он работает только на пассивное сопротивление в уравнении колебательного звена.Here it is necessary to note the fundamental difference between the PAD and the massive damper of the Froude milestone, which is located at a depth of 60-70 m. For it, ε = exp -
Figure 00000040
· 60 = 0.009 and, therefore, the wave does not affect the passive damper. It works only on passive resistance in the equation of the vibrational link.

5. Используя условия ω2 = g

Figure 00000041
и V1= s1 l1п и, считая, что силы присоса уравновешены приемом водяного балласта и главное воздействие на веху дают статические и инерционно-волновые компоненты, можно получить условия их взаимной компенсации:
F1г.ст + F1ub + F2ub = 0 или
S1-
Figure 00000042
· ε1(l·S11) -
Figure 00000043
· ε2·λПАД= 0.5. Using the conditions ω 2 = g
Figure 00000041
and V 1 = s 1 l 1п and, considering that the suction forces are balanced by the reception of ballast water and the main impact on the milestone is provided by static and inertial-wave components, we can obtain the conditions for their mutual compensation:
F 1g.st + F 1ub + F 2ub = 0 or
S 1 -
Figure 00000042
Ε 1 (l 1P · S 1 + λ 1 ) -
Figure 00000043
Ε 2 · λ PAD = 0.

Для вертикального цилиндра λ1 = = К1 ˙ρ˙V1 = K1 ˙ρ˙ l1п˙ s1, где:
K1 - коэффициент присоединенной массы, изменяющий на разных частотах в пределах 0,02-0,06. Для плоской пластины площадью λ= π˙ρ˙ S, где K ≈1. Поэтому λПАД≈ρ˙SПАД. Отсюда вытекает условие на площадь плоского пассивно-активного демпфера, нейтрализующего расчетное статическое воздействие волны на веху.
For a vertical cylinder, λ 1 = = K 1 ˙ρ˙V 1 = K 1 ˙ρ˙ l 1п˙ s 1 , where:
K 1 - the coefficient of the attached mass, changing at different frequencies in the range of 0.02-0.06. For a flat plate with area λ = π˙ρ˙ S, where K ≈1. Therefore, λ PAD is ≈ρ˙S PAD . This implies the condition for the area of a plane passive-active damper that neutralizes the calculated static effect of the wave on the pole.

SПАД≈ S1ε - 2 1(yПАД)

Figure 00000044
- ε1(y10)l1п(1+K1)
Figure 00000045
(5)
Для принятых выше численных данных Sпад ≈ 11,6 s1, и наружный радиус кольцевого демпфера К ≈3,54 r, где r - радиус самой вертикальной вехи. И если r = 0,20 м, то R ≈ 0,70 м размеры вполне технически реализуемые.S PAD ≈ S 1 ε - 2 1 (y PAD )
Figure 00000044
- ε 1 (y 10 ) l 1p (1 + K 1 )
Figure 00000045
(5)
For the numerical data adopted above, S pad ≈ 11.6 s 1 , and the outer radius of the annular damper K ≈ 3.54 r, where r is the radius of the most vertical milestone. And if r = 0.20 m, then R ≈ 0.70 m dimensions are technically feasible.

На основе выражений (5), указанных ранее условий выбора величины погруженной части вехи l1п≥1,5 Ар расчетной амплитуды волны и загрубления плоского ПАДа YПАД ≈ 1,25 Ар, а также средних значений коэффициентов присоединенной массы вертикального цилиндра К1 ≈ 0,04 и куглой пластины К ≈1, можно получить общее выражение для выбора площади плоского ПАДа. В соответствии со статистической теорией морских волн, каждой балльности соответствует свое математическое ожидание длины волны

Figure 00000046
, а высота волны h= 2 А при 3% обеспеченности составляет 0,06
Figure 00000047
, а при 1% обеспеченности - 0,1
Figure 00000048
(5). Отсюда ожидаемые амплитуды волн должны укладываться в диапазон
Figure 00000049
= /0.03-0.05/
Figure 00000050
. С учетом всего этого на основе (5) можно получить выражения для выбора SПАД для высот волн 1- и 3% -ной обеспеченности:
S 1% ПА Д ≈ S1e
Figure 00000051
Figure 00000052
_ e
Figure 00000053
·1,5·0,05·1,04
Figure 00000054

≈ S1·1,48
Figure 00000055
[0,159-0,0616] = 0,144S
Figure 00000056

S 3% ПА Д ≈ S1e
Figure 00000057
Figure 00000058
_ e
Figure 00000059
·1,5·0,03·1,04
Figure 00000060

≈ S1·1,26
Figure 00000061
[0,159-0,041] = 0,149·S
Figure 00000062
.Based on the expressions (5), said selection conditions previously magnitude submerged part milestones l 1H ≥1,5 A p calculated wave amplitude and desensitization incident plane Y PAD Ar ≈ 1.25, and the average values of coefficients associated mass vertical cylinder 1 ≈ K 0.04 and K ≈ 1 plate, you can get a general expression for choosing the area of a flat PAD. In accordance with the statistical theory of sea waves, each score corresponds to its own mathematical expectation of wavelength
Figure 00000046
and the wave height h = 2 A at 3% coverage is 0.06
Figure 00000047
, and at 1% security - 0.1
Figure 00000048
(5). Hence, the expected wave amplitudes should fall within the range
Figure 00000049
= /0.03-0.05/
Figure 00000050
. With all this taken into account, on the basis of (5), it is possible to obtain expressions for choosing S PAD for wave heights of 1- and 3% coverage:
S 1% PA D ≈ S 1 e
Figure 00000051
Figure 00000052
_ e
Figure 00000053
1.5 · 0.05 · 1.04
Figure 00000054

≈ S 1 · 1.48
Figure 00000055
[0.159-0.0616] = 0.144S
Figure 00000056

S 3% PA D ≈ S 1 e
Figure 00000057
Figure 00000058
_ e
Figure 00000059
1.5 · 0.03 · 1.04
Figure 00000060

≈ S 1 · 1.26
Figure 00000061
[0.159-0.041] = 0.149 · S
Figure 00000062
.

Таким образом, площадь плоского ПАДа для минимизации вертикальных возмущающих сил должна лежать в пределах:
SПАД ≈ (0,144-0,149) ˙s1˙λp , где s1 - площадь поперечного сечения вертикального цилиндра, а
λp - расчетна длина волны.
Thus, the area of a flat PAD to minimize vertical disturbing forces should lie within:
S PAD ≈ (0.144-0.149) ˙s 1 ˙λ p , where s 1 is the cross-sectional area of the vertical cylinder, and
λ p is the calculated wavelength.

Для объемного ПАДа на основе (3) путем взаимной компенсации F1г.ст., F1ив и F2ив с учетом ω2 = g

Figure 00000063
, κ1≈κ2≈1 λ2= K2ρ˙V2 и λ1= К1˙ρ˙V= K1˙ρ˙s1˙l1п можно также получить условие выбора элементов ПАДа:
Figure 00000064
· S1 - e
Figure 00000065
S1·l1n(1+ K1) - e
Figure 00000066
V2(1+ K2) = 0
С учетом l1п= 1,5 А, y10= l1п/2, y20= 1,25 Ар и Ар= (0,03-0,05)˙λpполучаем условие выбора объемного ПАДа:
V2(1+K2)= (0,144-0,149) s1 ˙λ.For bulk PAD on the basis of (3) by mutual compensation F 1g.st. , F 1iv and F 2iv taking into account ω 2 = g
Figure 00000063
, Κ 1 ≈κ 2 ≈1 λ 2 = 2 ρ˙V the K 2 and lambda = 1 To 1 ˙ρ˙V = K 1 1 ˙ρ˙s ˙l 1P can also be a condition item selection PAD:
Figure 00000064
S 1 - e
Figure 00000065
S 1 l 1n (1+ K 1 ) - e
Figure 00000066
V 2 (1+ K 2 ) = 0
Taking into account l 1p = 1.5 A, y 10 = l 1p / 2, y 20 = 1.25 A p and A p = (0.03-0.05) ˙λ p we obtain the condition for the choice of volume PAD:
V 2 (1 + K 2 ) = (0.144-0.149) s 1 ˙λ.

Величина К2 зависит от геометрической формы ПАД. Если это цилиндрическое кольцо наружным радиусом r2, внутренним r1, площадью π (r2 2-r1 2) и толщиной t, то К2≈ 1. В этом случае с учетом s1= π˙ r1 2, получим условие выбора:
r2 ≈ r

Figure 00000067

Следует иметь в виду, что ПАД работает двояко: и как пассивный демпфер, и как разгрузочный элемент. Поэтому уравнение вертикальной качки вехи или буя с ПАД при условии компенсации силы присоса на волне Yb= A˙ cos ω t имеет вид:
(ρ·V1ВБПДПАД)
Figure 00000068
+(NВ+NПД+NПАД)
Figure 00000069
+gρ·S1·y =
= A [gρ·S11(y102κ1(ρ·V1В)-ε2(yПАД)·ω2·λПАД] ·cosωt - (6)
- Aω2[ε (y10)
Figure 00000070
VВ+A·ε 2 2 (yПАД)·Cy·ρ·SПАД] ·sinωt.The value of K 2 depends on the geometric shape of the PAD. If this is a cylindrical ring with an outer radius r 2 , inner r 1 , area π (r 2 2 -r 1 2 ) and thickness t, then K 2 ≈ 1. In this case, taking into account s 1 = π˙ r 1 2 , we obtain the condition of choice:
r 2 ≈ r
Figure 00000067

It should be borne in mind that the DAD works in two ways: both as a passive damper and as an unloading element. Therefore, the equation of the vertical roll of a milestone or buoy with a PAD subject to compensation of the suction force on the wave Y b = A˙ cos ω t has the form:
(ρ · V 1 + λ B + λ B + λ PD + λ PAD )
Figure 00000068
+ (N B + N PD + N PAD )
Figure 00000069
+ gρ · S 1 · y =
= A [gρ · S 11 (y 10 ) ω 2 κ 1 (ρ · V 1 + λ В ) -ε 2 (y PAD ) · ω 2 · λ PAD ] · cosωt - (6)
- Aω 2 [ε (y 10 )
Figure 00000070
V B + A 2 2 (y PAD ) · C y · ρ · S PAD ] · sinωt.

Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения было изготовлено 3 цилиндрических пенопластовых вехи длиной l= 40 см и радиусом r= 2 см. Эти вехи были уравновешены и отбалластированы для плавания в устойчивом вертикальном полупогруженном состоянии. В верхней своей части они имели легкие деревянные штоки с флажками для визуализации их вертикальной качки: веха 1 - с подвешенным снизу балластом и без демпфера, веха 2 - с подвешенным снизу балластом и глубоко расположенным демпфером (модель вехи Фруда) диаметром 24 см, веха 3 - с пассивно-активным демпфером диаметром 12 см; расположенным в области активного воздействия волн. (его площадь определена для лабораторной волны длиной λ = 1,6 м). For experimental verification of the proposed technical solution, 3 cylindrical foam milestones with a length of l = 40 cm and a radius of r = 2 cm were made. These milestones were balanced and ballasted for swimming in a stable vertical semi-submerged state. In the upper part, they had light wooden rods with flags for visualizing their vertical pitching: milestone 1 - with ballast suspended from below and without a damper, milestone 2 - with ballast suspended from below and a deeply located damper (model of Froude milestone) with a diameter of 24 cm, milestone 3 - with a passive-active damper with a diameter of 12 cm; located in the area of active influence of waves. (its area is determined for a laboratory wave with a length of λ = 1.6 m).

Был запущен волнопродуктор и установлено, что веха 1 имеет очень интенсивную вертикальную качку, веха 2 хорошо самостабилизиуется на волнении, но веха 3 со значительно меньшей площадью демпфера, поднятого под поверхность на глубину 15 см, стабилизируется еще лучше. Этот опыт свидетельствует, что теория принципиально верна. The wave producer was launched and it was established that milestone 1 has a very intense vertical pitching, milestone 2 is well self-stabilizing on waves, but milestone 3 with a much smaller area of the damper raised below the surface to a depth of 15 cm stabilizes even better. This experience indicates that the theory is fundamentally true.

П р и м е р 2. Реализация принципа динамической компенсации при стабилизации плавучих платформ, состоящих из вертикальных и горизонтальных цилиндров. Расчетный элемет таких платформ показан на фиг. 4. PRI me R 2. The implementation of the principle of dynamic compensation in the stabilization of floating platforms, consisting of vertical and horizontal cylinders. The design element of such platforms is shown in FIG. 4.

Будем считать, что длина погруженной части вертикального цилиндра l1, а площадь поперечного сечения - s1, длина горизонтального цилиндра l2, а площадь сечения s2. Учтем, что V1= s1˙ l1; V2= s2˙ l2, λ1= К1˙ρ˙s1˙l1˙λ2= К2˙ρ˙s2˙l2, где К1 и К2 - коэффициенты, присоединенных масс цилиндров, а также то, что ω2g

Figure 00000071
. Пренебрежем силами присоса или компенсируем их приемом водяного балласта. В этом случае уравнение (3) для суммарной силы принимает вид:
F ≈ gρS1Acosωt-g
Figure 00000072
S1l1(1+K1)Aε1(y10)cosωt-
- g
Figure 00000073
S2l2(1-K2)Aε2(y20)cosωt - g
Figure 00000074
S1l1× (7)
× Aε1(y10)sinωt-g
Figure 00000075
S2l22(y20)sinωt.We assume that the length of the immersed part of the vertical cylinder is l 1 , and the cross-sectional area is s 1 , the length of the horizontal cylinder is l 2 , and the cross-sectional area is s 2 . We take into account that V 1 = s 1 ˙ l 1 ; V 2 = s 2 ˙ l 2 , λ 1 = K 1 ˙ρ˙s 1 ˙l 1 ˙λ 2 = K 2 ˙ρ˙s 2 ˙l 2 , where K 1 and K 2 are the coefficients of the attached masses of the cylinders, and also that ω 2 g
Figure 00000071
. We neglect the forces of the suction cup or compensate for them by the use of ballast water. In this case, equation (3) for the total force takes the form:
F ≈ gρS 1 Acosωt-g
Figure 00000072
S 1 l 1 (1 + K 1 ) Aε 1 (y 10 ) cosωt-
- g
Figure 00000073
S 2 l 2 (1-K 2 ) Aε 2 (y 20 ) cosωt - g
Figure 00000074
S 1 l 1 × (7)
× Aε 1 (y 10 ) sinωt-g
Figure 00000075
S 2 l 22 (y 20 ) sinωt.

Если вынести в (7) общий множитель g

Figure 00000076
AS1l1 за скобку и сгруппировать подобные члены, получим следующее условие для возмущающей силы от волны на составную конструкцию.If we take out the common factor g in (7)
Figure 00000076
AS 1 l 1 for the bracket and group similar terms, we obtain the following condition for the disturbing force from the wave to the composite structure.

F ≈ g

Figure 00000077
S1l
Figure 00000078
- (1+K11(y101-
- (1+K2)
Figure 00000079
(y
Figure 00000080
cosωt-
Figure 00000081
(y10ε1(y101- (8)
-
Figure 00000082
(y
Figure 00000083
sinωt
Figure 00000084
.F ≈ g
Figure 00000077
S 1 l
Figure 00000078
- (1 + K 1 ) ε 1 (y 10 ) κ 1 -
- (1 + K 2 )
Figure 00000079
(y
Figure 00000080
cosωt-
Figure 00000081
(y 10 ε 1 (y 10 ) κ 1 - (8)
-
Figure 00000082
(y
Figure 00000083
sinωt
Figure 00000084
.

Выражение это подлежит минимизации, т. к. главным членом в нем является значение квадратной скобки перед cosωt, а внутри скобки есть члены, вычитающие друг из друга. Задача этой минимизации должна решаться вначале на стадии проектирования платформ для расчетного волнения, а затем на стадии их эксплуатации, при отличии реального волнения от расчетного. Покажем, как она может решаться на стадии проектирования. Выберем в качестве расчетных параметров волнения длину волны λp= 100 м и амплитуду АР= 5 м.This expression is subject to minimization, since the main term in it is the value of the square bracket before cosωt, and inside the bracket there are terms subtracting from each other. The task of this minimization should be solved first at the stage of designing platforms for the design wave, and then at the stage of their operation, with the difference between the real wave and the calculated one. We show how it can be solved at the design stage. Let us choose the wavelength λ p = 100 m and the amplitude A P = 5 m as the calculated parameters of the wave.

В этом случае необходимо найти необходимую величину заглубления вертикальной колонны l1≥1,25 А, чтобы не оголялся горизонтальный цилиндр. Пусть l1= 6,5 м и длина всей колонны 13 м. Исходя из полезной нагрузки платформы, приходящейся на один расчетный элемент (все необходимые массы без водяного балласта) и обеспечения условий плавучести, определяются минимально необходимые диаметр вертикальной колонны s1, площадь s2 и длина l2 горизонтальной колонны:
ρ˙s1˙l1+ρ˙s2˙l2= m.
In this case, it is necessary to find the required depth of the vertical column l 1 ≥1.25 A so that the horizontal cylinder is not exposed. Let l 1 = 6.5 m and the length of the entire column 13 m. Based on the payload of the platform per one calculating element (all necessary masses without ballast water) and ensuring buoyancy conditions, the minimum necessary diameter of the vertical column s 1 , area s 2 and the length l 2 of the horizontal column:
ρ˙s 1 ˙l 1 + ρ˙s 2 ˙l 2 = m.

Пусть, к примеру, диаметр вертикальной колонны d1= 2 м и s1= 3,14 м2. Тогда выражение (10) определит минимально необходимые по плавучести s2˙ l2= m1/ρ -s1l1, а по конструктивным соображениям могут быть выбраны s2или l2, удовлетворяющие этому условию. Это необходимое условие, и все решения по оптимизации силового воздействия должны решаться при больших s2l2. Задача в дальнейшем должна решаться методами вариаций и последовательных приближений.Let, for example, the diameter of the vertical column d 1 = 2 m and s 1 = 3.14 m 2 . Then expression (10) determines the minimum buoyancy required s 2 ˙ l 2 = m 1 / ρ -s 1 l 1 , and for design reasons, s 2 or l 2 that satisfy this condition can be selected. This is a necessary condition, and all decisions on optimizing the force impact should be decided for large s 2 l 2 . The problem in the future should be solved by methods of variations and successive approximations.

3. По конструктивным соображениям определим длину расчетного горизонтального цилиндра l2 (чаще всего общая длина платформы определяется ограничением габаритных размеров и количеством вертикальных колонн, которые выбираются из других соображений). Тогда можно найти в первом приближении s2= (m1/ρ -s1l1) : l2, а от s2 перейти к минимальному диаметру do 2. Принимаемое значение должно быть больше do 2. Пусть для примера мы выбрали в первом приближении d1 2= 3 м и тогда s2= 7,07 м2.3. For design reasons, we determine the length of the calculated horizontal cylinder l 2 (most often the total length of the platform is determined by the restriction of overall dimensions and the number of vertical columns, which are selected from other considerations). Then we can find in the first approximation s 2 = (m 1 / ρ -s 1 l 1 ): l 2 , and from s 2 go to the minimum diameter d o 2 . The accepted value must be greater than d o 2 . Suppose, for example, that we have chosen, as a first approximation, d 1 2 = 3 m and then s 2 = 7.07 m 2 .

4. Необходимы коэффициенты ослабления амплитуды на уровне
y10=

Figure 00000085
l1 и y20= l1+
Figure 00000086
; ε1= exp -
Figure 00000087
·3,25= 0,815
ε2= exp -
Figure 00000088
(6,5+1,5)= 0,605. (9)
5. Необходимы редукционные коэффициенты для вертикального цилиндра κ1= 1-
Figure 00000089
= 0,994 и горизонтального цилиндра κ2= 1-
Figure 00000090
≈ 1,0. Они оказались близкими к единице.4. The required attenuation coefficients of the amplitude at the level
y 10 =
Figure 00000085
l 1 and y 20 = l 1 +
Figure 00000086
; ε 1 = exp -
Figure 00000087
3.25 = 0.815
ε 2 = exp -
Figure 00000088
(6.5 + 1.5) = 0.605. (9)
5. The necessary reduction factors for the vertical cylinder κ 1 = 1-
Figure 00000089
= 0.994 and horizontal cylinder κ 2 = 1-
Figure 00000090
≈ 1.0. They turned out to be close to unity.

6. Пренебрегая в первом приближении влиянием демпфирующих составляющих как членов второго порядка малости по сравнению с силами давления и инерционно-волновыми, записываем условием равенства нулю члена перед cosω t. 6. Neglecting, to a first approximation, the influence of the damping components as terms of the second order of smallness compared with the pressure and inertial-wave forces, we write down the condition that the term vanishes before cosω t.

Примем для первого приближения значение коэффициентов присоединенных масс для вертикального цилинда К1= 0,04 для горизонтального К2= 0,8. Тогда (10) может быть разрешено относительно длины l2.For the first approximation, we take the value of the coefficients of the attached masses for the vertical cylinder K 1 = 0.04 for the horizontal K 2 = 0.8. Then (10) can be solved with respect to the length l 2 .

Получим на основании (10) и ранее сформулированных рекомендации по длине вертикальной колонны l1= 1,25 А= 1,24 (0,03-0,05) /

Figure 00000091
и коэффициентов присоединенных масс общее выражение для стабилизирующего горизонтального цилиндра. Будем считать κ1≈κ2≈1, среднее значение К1≈ 0,04, К2 ≈ 0,8, а положение центра плавучести вертикальной колонны посередине ее высоты, т. е. Y10= 1/2; l1= 0,625 (0,03-0,05)
Figure 00000092
, а горизонтального цилиндра на глубине Y20= l1+r2= 1-25 (0,03-0,05)
Figure 00000093
+r2. В этом случае можно записать для 3 и 1% -ной обеспеченности следующие условия выбора оптимальных соотношений в первом приближении:
Figure 00000094
Figure 00000095
Figure 00000096
Figure 00000097
Figure 00000098

× e
Figure 00000099
S2l2
Figure 00000100
Figure 00000101
Figure 00000102
Figure 00000103
Figure 00000104
(10)
× S2l2
Из этих выражений можно получить условия на выбор длины горизонтального цилиндра и его радиуса, обеспечивающие минимальные вертикальное воздействие морских вол на составную конструкцию:
r 2 2 l2ε
Figure 00000105
= /0,256÷0,266/S1λр.We obtain on the basis of (10) and previously formulated recommendations on the length of the vertical column l 1 = 1.25 A = 1.24 (0.03-0.05) /
Figure 00000091
and the coefficients of the attached masses are a general expression for a stabilizing horizontal cylinder. We assume that κ 1 ≈κ 2 ≈1, the average value of K 1 ≈ 0.04, K 2 ≈ 0.8, and the position of the center of buoyancy of the vertical column in the middle of its height, that is, Y 10 = 1/2; l 1 = 0.625 (0.03-0.05)
Figure 00000092
and a horizontal cylinder at a depth of Y 20 = l 1 + r 2 = 1-25 (0.03-0.05)
Figure 00000093
+ r 2 . In this case, we can write for the 3 and 1% coverage the following conditions for choosing optimal ratios in a first approximation:
Figure 00000094
Figure 00000095
Figure 00000096
Figure 00000097
Figure 00000098

× e
Figure 00000099
S 2 l 2
Figure 00000100
Figure 00000101
Figure 00000102
Figure 00000103
Figure 00000104
(10)
× S 2 l 2
From these expressions, one can obtain conditions for the choice of the length of the horizontal cylinder and its radius, ensuring the minimum vertical effect of sea waves on the composite structure:
r 2 2 l 2 ε
Figure 00000105
= / 0.256 ÷ 0.266 / S 1 λ p .

На основе этого выражения для расчетной длины волны и назначенного из других соображений s1 может осуществляться выбор оптимального сочетания r2 и l2. Если, например, задан радиус r2, то может быть вычислена оптимальная длина l2 или наоборот. 7. Далее необходимо уточнить полученные значения. Поскольку коэффициенты присоединенных масс К1 и К2 и демпфирования

Figure 00000106
и
Figure 00000107
зависят (хотя и не очень сильно) от чисел Рейнольдса: Re= Aω˙ε1˙d1˙ν-1 и Re= Aω˙ε1˙d1˙ν-1 и безразмерных частот
Figure 00000108
= ω(l1g-1)0,5 и σ2 = ω(d2·g-1)0,5 =
Figure 00000109
то необходимо найти Rei и σi и после этого вычислить значения k1, k2,
Figure 00000110
и
Figure 00000111
для вертикального и горизонтального цилиндров. Для конкретно принятых выше размеров имеем:
Re= 14,8 ˙106; Re2= 5,41˙ 106; σ1= 0.64; σ2= 0.60.Based on this expression, for the calculated wavelength and assigned from other considerations s 1 , the optimal combination of r 2 and l 2 can be selected. If, for example, the radius r 2 is specified, then the optimal length l 2 can be calculated or vice versa. 7. Next, it is necessary to clarify the obtained values. Since the coefficients of the attached masses K 1 and K 2 and damping
Figure 00000106
and
Figure 00000107
depend (although not very strongly) on the Reynolds numbers: Re = Aω˙ε 1 ˙d 1 ˙ν -1 and Re = Aω˙ε 1 ˙d 1 ˙ν -1 and dimensionless frequencies
Figure 00000108
= ω (l 1 g -1 ) 0.5 and σ 2 = ω (d 2 · g -1 ) 0.5 =
Figure 00000109
then you need to find Re i and σ i and after that calculate the values of k 1 , k 2 ,
Figure 00000110
and
Figure 00000111
for vertical and horizontal cylinders. For the specifically adopted above sizes, we have:
Re = 14.8 ˙10 6 ; Re 2 = 5.41 · 10 6 ; σ 1 = 0.64; σ 2 = 0.60.

На основании проведенных нами исследований установлено, что для вертикального цилиндра K ≈

Figure 00000112
/-14.5+11
Figure 00000113
/;
Figure 00000114
≈ 1.23-1.9δ а для горизонтального К≈ Rе: (-658+1,5 Re); r ≈
Figure 00000115
: /0.28+3.69/.Based on our studies, it was found that for a vertical cylinder K ≈
Figure 00000112
/-14.5+11
Figure 00000113
/;
Figure 00000114
≈ 1.23-1.9δ and for horizontal K≈ Re: (-658 + 1.5 Re); r ≈
Figure 00000115
: /0.28+3.69/.

8. Составим теперь из (8) условие минимизации силового воздействия волны на составную конструкцию с учетом демпфирующих членов. 8. Now let us draw from (8) the condition for minimizing the force action of the wave on the composite structure, taking into account the damping terms.

min

Figure 00000116
- (1+K11(y101-(1+K22(y20)
Figure 00000117
cosωt-
-
Figure 00000118
0,815+r2y0,605
Figure 00000119
sinωt
Figure 00000120
. (11)
Искомым параметром при выбранном диаметре d2 является l2. При учете синусной и косинусной составляющей нужно минимизировать функцию:
Φ =
Figure 00000121
- (1+K11(y101- (1+K22(y20
×
Figure 00000122
+
Figure 00000123
(y10)+
Figure 00000124
(y20)
Figure 00000125
. (12)
Ее минимуму соответствует значение s2l2, определяемое равенством:
S2l2= { [
Figure 00000126
- (1+K11(y101] [(1+K22(y202(S1l1)-1] -
- r
Figure 00000127
(y
Figure 00000128
(y202} : { [(1+K22(y202(S1l1)-1]2+ (13)
+ [
Figure 00000129
(y202(S1l1)-1] 2} .min
Figure 00000116
- (1 + K 1 ) ε 1 (y 10 ) κ 1 - (1 + K 2 ) ε 2 (y 20 )
Figure 00000117
cosωt-
-
Figure 00000118
0.815 + r 2y 0.605
Figure 00000119
sinωt
Figure 00000120
. (eleven)
The desired parameter for the selected diameter d 2 is l 2 . When taking into account the sine and cosine components, it is necessary to minimize the function:
Φ =
Figure 00000121
- (1 + K 1 ) ε 1 (y 10 ) κ 1 - (1 + K 2 ) ε 2 (y 20 ) ×
×
Figure 00000122
+
Figure 00000123
(y 10 ) +
Figure 00000124
(y 20 )
Figure 00000125
. (12)
Its minimum corresponds to the value of s 2 l 2 defined by the equality:
S 2 l 2 = {[
Figure 00000126
- (1 + K 1 ) ε 1 (y 10 ) κ 1 ] [(1 + K 2 ) ε 2 (y 20 ) κ 2 (S 1 l 1 ) -1 ] -
- r
Figure 00000127
(y
Figure 00000128
(y 20 ) κ 2 }: {[(1 + K 2 ) ε 2 (y 20 ) κ 2 (S 1 l 1 ) -1 ] 2 + (13)
+ [
Figure 00000129
(y 20 ) κ 2 (S 1 l 1 ) -1 ] 2 }.

Получаемое из (14) оптимальное значение s2l2 дает возможность уточнить длину l2 или диаметр d2.Obtained from (14), the optimal value of s 2 l 2 makes it possible to clarify the length l 2 or diameter d 2 .

Таким образом, данный принцип создания плавучих оснований может иметь весьма широкое применение для самых различных плавучих морских конструкций. Thus, this principle of creating floating foundations can be widely used for a wide variety of floating marine structures.

Рассмотренные примеры относились к вопросам принятия архитектурных решений на стадии проектирования плавучих оснований. Они позволяют выбрать форму и оптимальные соотношения размеров для расчетной волны. В качестве расчетной волны обычно выбирается наиболее опасная волна заданной балльности и обеспеченности. Однако волнение - процесс случайный. И в данное конкретное время и месте постановки морского сооружения (например волномерной вехи) наиболее вероятные характеристики волнения могут существенно отличаться от расчетных. На таком волнении расчетные элементы ПАДа недостаточно эффективно компенсируют статические компоненты волнового воздействия. Однако и в случае уже выбранного ПАДа остается возможность минимизировать возмущающее воздействие волны за счет изменения его перемещения вдоль вертикальной колонны или изменения осадки всего сооружения так, чтобы для наиболее вероятных, измеренных во время эксплуатации характеристик волнения выполнялись условия (4), (5). The examples considered relate to issues of making architectural decisions at the stage of designing floating foundations. They allow you to choose the shape and optimal aspect ratio for the calculated wave. As the calculated wave, the most dangerous wave of a given point and security is usually selected. However, excitement is a random process. And at a given specific time and location of the offshore structure (for example, wave milestone), the most likely characteristics of the waves can differ significantly from the calculated ones. At such a wave, the calculated elements of the PAD do not adequately compensate for the static components of the wave action. However, in the case of the already selected PAD, it remains possible to minimize the disturbing effect of the wave by changing its displacement along the vertical column or by changing the draft of the entire structure so that conditions (4), (5) are satisfied for the most probable wave characteristics measured during operation.

Покажем на примере волномерной вехи, как технически может реализовываться эта возможность. При изменении частоты (длины) волна при уже выбранной расчетной площади SПАД и заглублении Yо ПАД изменением осадки вехи (и одновременно заглубления ПАДа) можно добиться выполнения условия (5). В этом случае величина изменения осадки вехи ΔY должна быть определена из решения трансцендентного уравнения:
S1- (l1+Δy)S1(1+K1)

Figure 00000130
e
Figure 00000131
Figure 00000132
SПАДe
Figure 00000133
, (14)
где λ1 - новая длина волны;
Yo и Yо ПАД - исходные углубления центров плавучести вехи и ПАД.Let us show by the example of a wave-milestone how technically this possibility can be realized. By changing the frequency (length) of the wave with the already chosen calculated area S of the PAD and the deepening of Y about the PAD by changing the milestone draft (and, at the same time, the depth of the PAD), condition (5) can be satisfied. In this case, the change in the precipitation of the milestone ΔY should be determined from the solution of the transcendental equation:
S 1 - (l 1 + Δy) S 1 (1 + K 1 )
Figure 00000130
e
Figure 00000131
Figure 00000132
S PAD e
Figure 00000133
, (14)
where λ 1 is the new wavelength;
Y o and Y o PAD - the initial deepening of the centers of buoyancy milestones and PAD.

Если увеличивается частота волны (уменьшается ее длина), то инерционно-волновое воздействие растет, и для нейтрализации гидростатической составляющей веха с демпфером должна погружаться глубже, чтобы ослабить инерционно-волновые силы. Если длины волны увеличиваются, веха должна всплыть. If the wave frequency increases (its length decreases), then the inertial-wave action increases, and to neutralize the hydrostatic component, the pole with the damper must sink deeper to weaken the inertial-wave forces. If the wavelengths increase, the milestone should emerge.

Claims (5)

1. ПОЛУПОГРУЖЕННОЕ ОСНОВАНИЕ МОРСКОГО СООРУЖЕНИЯ, содержащее по меньшей мере одну вертикальную водоизмещающую цилиндрическую колонну, пересекающую свободную поверхность воды, рабочую площадку над ней и расположенный на колонне под свободной поверхностью воды демпфер, отличающееся тем, что длина погруженной части колонны и высота подводной ее части до рабочей площадки составляют на менее 1,25 - 1,5 расчетной амплитуды волны, причем демпфер установлен на глубине 0,25 расчетной амплитуды волны и выполнен пассивно-активным, при этом оно снабжено устройством минимизации возмущающего воздействия волн на нерасчетном волнении. 1. SEMI-LOADED BASE OF MARINE CONSTRUCTION, containing at least one vertical displacement cylindrical column crossing the free surface of the water, a working platform above it and located on the column under the free surface of the water damper, characterized in that the length of the immersed part of the column and the height of its underwater part to the working area is less than 1.25 - 1.5 of the calculated wave amplitude, and the damper is installed at a depth of 0.25 of the calculated wave amplitude and is passively active, while it is equipped with on a device for minimizing the disturbing effect of waves on off-design waves. 2. Основание по п. 1, отличающееся тем, что пассивно-активный демпфер выполнен в виде плоского диска, причем его площадь
Sпад ≈ (0,137-0,147)˙S1˙λp ,
где S1 - площадь поперечного сечения колонны, определяемая из условия плавучести всей конструкции,
λp - расчетная длина волны.
2. The basis of claim. 1, characterized in that the passive-active damper is made in the form of a flat disk, and its area
S pad ≈ (0.137-0.147) ˙S 1 ˙λ p ,
where S 1 - the cross-sectional area of the column, determined from the conditions of buoyancy of the entire structure,
λ p is the calculated wavelength.
3. Основание по п. 1, отличающееся тем, что ПАД выполнен в виде объемного цилиндрического кольца, причем его объем
Vпад ≈ (0,148-0,151)˙(1+K22)-1˙S1˙λp , где K22 ≈ 0,7 - 0,9 коэффициент присоединенной массы объемного ПАДа, зависящий от формы и соотношения разности наружного и внутреннего диаметра и его высоты.
3. The basis of claim. 1, characterized in that the PAD is made in the form of a volumetric cylindrical ring, and its volume
V pad ≈ (0.148-0.151) ˙ (1 + K 22 ) -1 ˙ S 1 ˙λ p , where K 22 ≈ 0.7 - 0.9 is the coefficient of the attached mass of the volume PAD, depending on the shape and ratio of the difference between the external and internal diameter and its height.
4. Основание по п. 1, отличающееся тем, что ПАД выполнен в виде цилиндра продольня ось которого ориентирована горизонтально, причем его радиус r2 и длина l2 определяются соотношением
r 2 2 ·l2·e
Figure 00000134
Figure 00000135
Figure 00000136
= /0.256÷0.266/S1λр.
4. The basis of claim. 1, characterized in that the PAD is made in the form of a cylinder whose longitudinal axis is oriented horizontally, and its radius r 2 and length l 2 are determined by the ratio
r 2 2 L 2 e
Figure 00000134
Figure 00000135
Figure 00000136
= /0.256right0.266/S 1 λ p .
5. Основание по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что устройство минимизации возмущающего воздействия волн на полупогруженное основание на нерасчетном волнении включает в себя электрический измеритель параметров набегающих волн, блок их обработки и получения наиболее вероятной длины и амплитуды, измеритель заглубления полупогруженного основания, источник электроэнергии, блок оптимизации, балластную цистерну с клапанами ее заполнения и осушения и блок автоматической балластировки, причем измеритель параметров волн электрически связан с блоком оптимизации и измерителем заглубления, а блок оптимизации связан с блоком автоматической балластировки, при этом последний связан с клапанами заполнения и осушения балластной цистерны. 5. The basis of paragraphs. 1 to 4, characterized in that the device for minimizing the disturbing effect of waves on a semi-submerged base on an off-design wave includes an electric meter of incoming wave parameters, a unit for processing and obtaining the most probable length and amplitude, a depth meter for a semi-submerged base, an electric power source, an optimization unit, a ballast tank with valves for filling and draining and an automatic ballasting unit, the wave parameter meter being electrically connected to the optimization unit and and a depth gauge, and the optimization unit is connected to the automatic ballasting unit, while the latter is connected to valves for filling and draining the ballast tank.
SU5022813/11A 1991-07-08 1991-07-08 Semisubmersible base for sea structure RU2011599C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5022813/11A RU2011599C1 (en) 1991-07-08 1991-07-08 Semisubmersible base for sea structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5022813/11A RU2011599C1 (en) 1991-07-08 1991-07-08 Semisubmersible base for sea structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2011599C1 true RU2011599C1 (en) 1994-04-30

Family

ID=21594712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5022813/11A RU2011599C1 (en) 1991-07-08 1991-07-08 Semisubmersible base for sea structure

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2011599C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105209754B (en) Offshore wind turbine on floating assembly comprising combination of shock absorbing means
RU2141427C1 (en) Low-draft floating drilling and oil production off-shore platform (versions)
RU2532447C2 (en) Offshore floating platform
US20060191461A1 (en) Minimized wave-zone buoyancy platform
Sarkar et al. Hydrodynamic forces due to water wave interaction with a bottom-mounted surface-piercing compound porous cylinder
GB2147042A (en) Flexible offshore platform
Guo et al. Observed deep anticyclonic cap over Caiwei Guyot
CN115520335A (en) Floating offshore wind power generation mechanism composed of multiple buoys and leveling method thereof
NO742830L (en)
RU2011599C1 (en) Semisubmersible base for sea structure
WO1984001554A1 (en) Floating, semi-submersible structure
NO160069B (en) Marine structures.
Wang et al. Experimental and numerical research on the wet-towing of wide-shallow bucket jacket foundation for offshore substation
US3367181A (en) Directional wave spectra measuring devices
Van Santen et al. On the typical qualities of spar type structures for initial or permanent field development
CN115626258A (en) Bottom-seated platform and mounting method thereof
US5098226A (en) Apparatus and method for damping low frequency perturbations of marine structures
Rudnick Flip: An Oceanographic Buoy: A novel structure provides a quiet platform of great stability for acoustic and other research at sea.
US3727248A (en) Buoy with adjustments for the reduction of the effect of the sea forces thereon
CN215752932U (en) Suction barrel area morning and evening tides cabin type offshore drilling basis
RU2034738C1 (en) Semi-submerged base for sea structure
RU2399872C1 (en) Method of creating global reference network at bottom of oceans, seas, lakes and water reservoirs
Spiering From the Sea into the Sky: A Research into the Feaibility of Floating High-rise Structures
CN215663908U (en) A floating installation that is used for stabilizing floating platform's surface of water to disappear unrestrained
JP2653776B2 (en) Semi-submerged platform device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040709