深水作业浮标系泊系统研究与设计
深水半潜式钻井平台系泊系统方案设计与分析的开题报告
深水半潜式钻井平台系泊系统方案设计与分析的开题报告一、选题背景深水半潜式钻井平台是一种海洋工程设备，用于在海洋中进行石油钻探和开采等作业。
深海环境中，海浪、洋流、风力等自然因素易造成平台失稳和移动，影响钻井作业的正常进行。
为了解决这一问题，深水半潜式钻井平台需要设计一套系泊系统，以确保平台的稳定性和安全性。
系泊系统方案的设计和分析是该领域的研究热点之一。
二、研究内容本文旨在研究深水半潜式钻井平台系泊系统的方案设计和分析问题，具体研究内容包括以下几个方面：1. 系泊系统的功能和特点：探讨系泊系统在深水半潜式钻井平台中的作用和特点，揭示其在钻井作业中的重要性。
2. 系泊系统方案的设计：介绍深水半潜式钻井平台系泊系统的设计方法和流程，包括方案设计的原则、计算方法等。
3. 系泊系统方案的优化：探索系泊系统方案的优化方法，包括优化设计流程、优化系泊设备选型和工艺参数、提高系泊系统的效率等。
4. 系泊系统方案的分析：通过数值模拟或计算机仿真等手段，对系泊系统方案进行分析和评价，得出合理的成果，并进行验证和应用。
三、研究意义深水半潜式钻井平台系泊系统方案的设计和分析是保障深海石油勘探和开采作业安全和效率的关键。
本文的研究成果将为该领域的研究和应用提供理论和技术支持，为相关企业提供参考和指导。
四、研究方法本文将采用文献调研、方案设计、优化分析和数值模拟等方法进行研究。
首先，对深水半潜式钻井平台系泊系统的研究现状、发展趋势和关键技术进行文献综述和分析。
然后，基于系统工程原理和技术方法对钻井平台的系泊系统方案进行设计和优化。
最后，采用数值模拟软件对优化方案进行验证和应用。
五、预期成果本文的预期成果包括以下几个方面：1. 深入探讨深水半潜式钻井平台系泊系统的功能和特点，为深海石油勘探和开采提供理论基础。
2. 提出一套系泊系统方案设计和分析方法，包括设计原则、计算方法、优化策略等，为相关企业提供技术支持。
3. 通过数值模拟或计算机仿真，验证和应用系泊系统优化方案，为现场施工提供指导和保障。
浮式装置：浮舟在河口水深维护中的应用参考
浮式装置：浮舟在河口水深维护中的应用参考引言：河口是河流与海洋交汇的地方，是海湾的出口，也是海洋与内陆交流的重要通道。
由于强大的潮汐、波浪和沉积物的运动，河口常常面临水深不断变化的挑战。
为了保持河口的可靠通航能力，保护港口的安全，维护沿岸生态环境，浮式装置如浮舟被广泛应用于河口水深维护中。
一、浮式装置的定义浮式装置，顾名思义，即浮在水面上的装置。
它通常由浮力体、锚链、浮标、浮桥等组成，用于支撑和稳定各种设备和工具的操作。
浮式装置的设计原理是利用水的浮力和力学平衡原理，在不同的水深和潮汐变化下，保持装置在水面上的稳定性。
二、浮式装置在河口水深维护中的应用1. 港口导航标志维护港口导航标志是河口通航的重要组成部分，它们用于指引船只的航线，提供安全导航服务。
然而，由于河口处水深不断变化，导航标志的地基常常需要进行水深维护。
浮式装置，如浮舟，可用于支撑和稳定导航标志，使其能够经受潮汐和波浪的冲击，并保持垂直和稳定的位置。
安装在浮舟上的导航标志可以根据需要调整高度，以适应不同的水深条件。
2. 河口航道维护河口航道是船只进出港口的通道，它的水深直接影响着船只的通行安全。
河口航道常常面临着泥沙淤积和水深变浅的问题，需要进行定期维护。
浮式装置可以用于河口航道水深的维护。
例如，可以安装在浮舟上的挖泥船可以清理航道中的泥沙，并提高水深。
此外，浮式装置还可以用于安装钢管或水下管道，帮助排除航道中的过度泥沙，维持航道的畅通。
3. 沿岸生态保护河口是陆地与海洋的交界处，是丰富的生态系统的栖息地。
然而，由于人为活动和自然因素的影响，河口生态系统常常受到威胁。
合理的河口水深维护可以帮助保护沿岸生态环境，并恢复受损的生态系统。
浮式装置可以用于沿岸生态保护工程。
例如，可以在浮式装置上布置人工湿地，用于处理污染物和沉降物的过滤和净化。
浮式装置还可以用于修复河口湿地，提供鱼类和其他野生动物的栖息地。
三、浮式装置应用的优势和挑战1. 优势浮式装置在河口水深维护中具有以下优势：（1）灵活性：浮式装置可以根据需要调整位置和高度，适应不同的水深和潮汐变化。
新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析
新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析一、概述随着海洋资源的日益开发和利用，系泊系统在海洋工程中的应用越来越广泛，其设计优化及性能分析成为海洋工程领域的重要研究内容。
新型系泊系统的设计及其水动力性能分析，对于保障海洋平台、船舶等海洋结构物的安全、稳定与高效运行至关重要。
传统的系泊系统设计往往基于经验公式和简化的力学模型，难以准确反映实际复杂环境下的水动力特性。
随着计算流体力学、结构动力学等学科的快速发展，以及高性能计算机和数值模拟技术的广泛应用，新型系泊系统的设计方法正在向精细化、智能化和集成化方向发展。
本文旨在探讨新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析。
将介绍系泊系统的基本类型和结构特点，以及其在海洋工程中的应用场景。
重点阐述新型系泊系统的设计原则、关键技术和创新点，包括材料选择、结构设计、优化算法等方面。
通过数值模拟和实验研究，分析新型系泊系统在不同海况下的水动力性能，评估其稳定性和可靠性，为实际工程应用提供理论支撑和技术指导。
1. 新型系泊系统的重要性和应用背景随着海洋工程和船舶工业的飞速发展，新型系泊系统在海上工程结构物，特别是风力发电、海洋石油开采、海上货物运输等领域的应用越来越广泛。
系泊系统的主要功能是为海上设施提供安全、稳定的定位，确保其在各种环境条件下都能正常工作。
传统的系泊系统虽然在过去几十年中得到了广泛应用，但在面对极端海洋环境，如大风、大浪、海流和潮汐等复杂因素时，其性能往往受到挑战。
研究和开发新型系泊系统，提高其在极端环境下的性能，对于保障海上设施的安全、提高经济效益、促进海洋工程的持续发展具有重要意义。
新型系泊系统的研究不仅涉及结构设计、材料选择、制造工艺等多个方面，更重要的是要对其水动力性能进行深入分析。
水动力性能是指系泊系统在海洋环境中的受力、变形、振动等特性，它直接决定了系泊系统的稳定性和安全性。
通过对新型系泊系统的水动力性能进行分析，可以预测其在不同海洋环境下的表现，为系统设计和优化提供理论依据。
穿浪式浮标水动力分析与系泊计算
穿浪式浮标水动力分析与系泊计算广袤的海洋拥有着极其丰富的资源,随着世界经济的发展,世界各国对海洋资源的开发力度不断加大,对海洋资源的开发和利用逐步由近海走向远海深水海域。
海洋浮标作为一种重要的海洋监测工具与观测基站,在海洋环境监测领域可发挥其独特的作用,能够定时、定点、持续对海洋环境进行监测,并及时将监测数据传送给相关部门。
我国有着长达18000公里的海岸线,随着"海洋强国"等战略的实施,迫切需要对我国东南沿海的深水海域设立海洋监测浮标站,需要一种可在深水恶劣海况下稳定工作的海洋浮标。
为设计一种新型穿浪式海洋浮标,本文在综述目前世界上常用的海洋浮标的类型和特点及世界各国研究现状的基础上,主要进行了以下几个方面的研究工作：(1)分析比较Morison公式和三维势流理论,根据三维势流理论对所设计的穿浪式浮标进行频域水动力分析,主要对穿浪式浮标在不同频率、不同浪向角规则波作用下的运动幅值响应算子(RAO)、波激力、附加质量、辐射阻尼进行计算。
(2)推导悬链线方程,并分别采用悬链线方程和分段外推数值分析法对浮标系泊缆索的静力特性进行分析,考察系泊缆索内部张力的影响因素;对系泊缆索的动力特性进行计算。
(3)利用频域分析计算得到的穿浪式浮标频域水动力系数,根据Commuins脉冲理论将其转化到时域内,建立浮标系统耦合运动方程,对穿浪式浮标所处海域的海文气象条件进行研究,确定浮标系统所受风、浪、流载荷,对浮标系统的时域运动响应进行仿真分析,主要包括浮标系统所受载荷时间历程、运动响应时间历程、系泊缆内部张力变化时间历程。
(4)对穿浪式浮标进行了加工,将穿浪式浮标布设到舟山定海海域开展近海测试。
研究结果表明:穿浪式浮标具有良好的水动力性能,此结构设计可使浮标的固有运动周期避开波浪主能量频率,各方向运动也保持在较小范围内;同时,仿真结果显示其系泊缆内部张力远小于各分段材料的破断拉力,证明穿浪式浮标系统系泊性能出色。
浮标系泊系统静力计算
浮标系泊系统静力计算浮标系泊系统是一种广泛应用于海洋工程、水上建筑等领域的重要设备。
它通过将浮标与系泊链连接，不仅能为各种水上设施提供足够的浮力支持，还能有效地保护这些设施不受风、浪等自然环境的影响。
本文主要探讨浮标系泊系统的静力计算，以更深入地了解该系统的性能和设计。
一、浮标系泊系统设计浮标系泊系统的设计包括多个步骤。
首先，需要选择合适的浮标。
浮标的设计应考虑其浮力、稳定性、耐腐蚀性等因素。
同时，浮标还应具有易于识别和追踪的特点，以便于后续的监测和维护。
其次，需要设计系泊链。
系泊链的长度、强度、耐腐蚀性等参数应根据实际需求进行选择和设计。
最后，还需对系泊链进行加工制作，确保其质量和可靠性。
二、静力计算浮标系泊系统的静力计算主要包括对浮标、系泊链以及其他相关结构的力学分析。
具体而言，需要计算浮标的浮力、系泊链的拉力、摩擦力等。
根据这些计算结果，可以进一步了解整个系统的性能特征，并为系统的优化设计提供理论依据。
三、结果分析通过对浮标系泊系统进行静力计算，可以得出以下结论：1、浮标的浮力与系泊链的拉力成正比，而系泊链的拉力又与浮标和水面的距离成正比。
因此，可以通过调整浮标与水面的距离来控制整个系统的受力状况。
2、摩擦力是影响系泊系统性能的重要因素之一。
在设计中应充分考虑系泊链与水、沙等环境因素的摩擦力，以避免出现系统失稳或失效的情况。
3、浮标系泊系统的稳定性受多种因素影响，如海浪的高度、周期、方向以及风速等。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况对系统进行相应的调整和完善。
四、总结本文对浮标系泊系统的静力计算进行了详细的研究，通过建立力学模型并进行分析，得出了系统受力状况和稳定性受多种因素影响的结论。
这些结论对于指导浮标系泊系统的优化设计具有重要的意义。
展望未来，浮标系泊系统将在更多领域得到应用，例如海洋资源开发、海洋科学研究、海上风电等领域。
因此，针对不同领域的需求，对浮标系泊系统进行深入研究和优化设计将具有更为重要的现实意义。
深海平台论文：深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究
深海平台论文：深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究【中文摘要】深海平台是勘探开发深海油气资源的重要装备,这些平台通常由系泊系统长期系泊于恶劣的海洋环境中,遭受风、浪、流等外界载荷的联合作用。
因此,准确的确定系泊缆索的载荷响应及平台在环境载荷及系泊缆索联合作用下的运动响应,对于保证平台的正常作业与维持其自身安全具有十分重要的意义。
对于深海平台,系缆的惯性力和阻尼对平台的运动响应有着显著的影响。
因此,平台及其系泊系统的分析必须采用动力耦合方法开展。
对于浮体与系泊系统的耦合分析,目前主要采用的分析方法是时域分析方法和频域分析方法。
本文对深水浮体及其系泊系统的动态耦合问题进行深入研究。
采用基于三维频域GREEN函数及傅里叶变换的间接时域法计算浮体的水动力特性,采用非线性有限元法对系缆进行模拟。
通过完全时域耦合分析方法求解系泊浮体的时域控制方程,得到系泊浮体的运动响应和系缆的张力变化。
针对一单点张紧系泊的FPSO进行数值计算,将计算得到的浮体运动时历、系泊缆索上端点张力时历及相应统计结果与模型试验结果进行了对比,发现理论计算结果与模型试验结果符合良好,从而证明了该数值方法在计算深海系泊浮体动态响应时的可靠性。
相对于时域分析方法,频域法具有计算量小,且能够阐述系泊系统的运动机理的优点。
但是以往的频域法通常只适用于弱非线性的情况,基于频域法的研究也主要围绕悬链式系泊系统进行。
本文采用频域摄动法,同时考虑振荡过程中因锚泊线平衡位置的改变而引起的静态分量的改变,将锚泊线的非线性运动方程展开至二阶。
针对一具有大伸长特性的张紧式系缆在上端水平激励下的张力响应进行研究,考察了频域摄动法在张紧系缆动力计算中的适用性,分析了张紧式系缆动态响应的物理机制,为今后将频域法应用到深海张紧式系泊系统的动力计算中提供重要的理论参考。
【英文摘要】Deep-sea platforms are important equipments for the exploration and development of deep-sea oil and gas resources. These platforms are usually moored in the harsh marine environment by mooring system, subjected to the combined effects of wind, wave and current and other external loads. Therefore, to ensure the platforms’safety under operating condition and survival conditon, it will be of great significant to determine the tension of the mooring lines and the motion response of the platform under the combined effects of the environmental loads and the mooring force.For Deep-sea platforms, the inertia and damping of the cables have a significant impact to the motion response of the platform. Therefore, the analysis of the platform and its mooring system must be carried out by coupled dynamic method. Currently, the main methods for the coupled of the platform and mooring system are time domain method and frequency domain method.In this paper, the coupled dynamic analysis of the deep-sea platformand its mooring system is investigated. 3D Green’s function and fourier transform are adopted to calculate the hydrodynamic characteristics of the floating structure. The mooring lines are simulated using non-linear finite element method. By solving the equations of motion of the entire floating system by employing full time domain coupled analysis method, the vessel’s motion response and mooring lines’tension are obtained. The numerical simulation is carried out for a deepwater turret-moored FPSO. The time history of FPSO’s motions and mooring line tensions and statistic results are compared to the results of the corresponding model test. The comparisons show that the theoretical results are in good agreement with the test results. It proves the reliability of the numerical method in the calculation of the dynamic response of the deep-sea moored floating pared with the time domain method, the frequency domain method needs less calculation, and can explain the mechanism of the mooring system. However, frequency domain method is normally only used in the weakly nonlinear case, and the studies based on the frequency method are mainly about the catenary mooring system. In this paper, taking the change of the static component of the mooring line tension due to the change of the equilibriumposition during the oscillation into account, frequency domain perturbation method is adopted to expand the mooring line’s nonlinear equation into the second order. The dynamic responseof a taut mooring line which has a high elongation characteristic and suffers horizontal excitation on the top endis studied. The validity of the frequency domain method for the dynamic analysis of taut mooring lines is checked and the physical mechanism of taut mooring line is analysed. All of these can provide us some theoretical reference for the dynamic analysis of deep-sea taut mooring lines by using frequency method.【关键词】深海平台系泊系统间接时域法有限元法耦合频域摄动法【英文关键词】deep-sea platform mooring system indirect time domain method finite element method coupling frequency domain perturbation method 【目录】深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究摘要6-7ABSTRACT7-8第一章绪论11-24 1.1 本文研究工作的背景、目的与意义11-12 1.2 深海平台主要形式简介12-14 1.2.1 浮式生产储运装置（FPSO）12-13 1.2.2 半潜式平台（SEMI）13 1.2.3 张力腿式平台（TLP）13-14 1.2.4 深水浮筒式平台（Spar）14 1.3 深海系泊系统简介14-15 1.4 浮体水动力性能研究概况15-18 1.4.1 细长体理论15-17 1.4.2 三维频域势流理论17 1.4.3 三维时域势流理论17-18 1.5 系泊缆索动力性能研究概况18-21 1.5.1 频域摄动法19 1.5.2 多刚体法19-20 1.5.3 集中质量法20 1.5.4 有限元法20-21 1.6 系泊系统耦合分析方法研究概况21-23 1.7 本文的主要工作23-24第二章无航速浮体水动力分析的间接时域法24-37 2.1 引言24 2.2 浮体水动力计算的数学模型24-27 2.2.1 流场和坐标系的定义24-25 2.2.2 速度势的分解、控制方程及定解条件25-27 2.3 频域运动方程及其数值计算27-31 2.3.1 频域辐射问题和绕射问题27-28 2.3.2 浮体频域运动方程28-29 2.3.3 GREEN 函数法29-31 2.3.4 辐射势和绕射势的数值计算31 2.4 浮体水动力间接时域计算方法31-34 2.4.1 附加质量和时延函数的计算32-33 2.4.2 时域波浪力的计算33-34 2.4.3 浮体在波浪上的时域运动方程34 2.5 浮体水动力计算程序的验证34-36 2.6 本章小结36-37第三章系泊缆索非线性有限元分析及数值计算37-51 3.1 引言37 3.2 系泊缆索计算的数学模型37-43 3.2.1 坐标系的定义37-38 3.2.2 细长杆件模型38-41 3.2.3 大伸长系缆模型41-42 3.2.4 边界条件42-43 3.3 系泊缆索数值计算方法43-49 3.3.1 缆索控制方程的离散43-46 3.3.2 边界条件的离散46 3.3.3 单元连接处的位移与力的条件46 3.3.4 静态问题的求解46-47 3.3.5 动态问题的求解47-49 3.4 系泊缆索动力计算程序的验证49-50 3.5 本章小结50-51第四章浮式结构物及其系泊系统的耦合计算51-71 4.1 引言51 4.2 浮式结构物与系泊缆索的连接51-52 4.3 系泊系统时域耦合模型52-55 4.3.1 静力耦合问题53-54 4.3.2 动力耦合问题54-55 4.4 模型试验与数值算例55-70 4.4.1 FPSO 主要参数55-56 4.4.2 系泊缆索主要参数56-57 4.4.3 环境参数57-58 4.4.4 结果比较58-70 4.5 本章小结70-71第五章系泊缆索的频域计算方法研究71-89 5.1 引言71 5.2 系泊缆索的运动微分方程71-73 5.3 运动微分方程的摄动展开73-75 5.4 各阶摄动方程组的求解75-83 5.4.1 一阶摄动方程组75-76 5.4.2 二阶摄动方程组76-78 5.4.3 边界条件78-79 5.4.4 运动方程的求解79-82 5.4.5 时域结果的求解82-83 5.5 算例分析83-88 5.6 本章小结88-89第六章总结与展望89-90 6.1 全文总结89 6.2 研究展望89-90参考文献90-95攻读硕士学位期间发表学术论文情况95-96致谢96【备注】索购全文在线加好友QQ：139938848同时提供论文写作一对一指导和论文发表委托服务。
浮标 本科毕业设计
浮标本科毕业设计浮标是一种用于测量和监测水体参数的设备，通常用于水质监测、水位观测、海洋研究等领域。
在本科毕业设计中，浮标可以作为一个研究项目，涉及多个学科的知识，如物理学、电子工程、环境科学等。
以下是一个关于浮标本科毕业设计的示例：一、项目背景随着社会对环境保护和水质监测的重视，浮标作为一种高效、稳定的水质监测设备，需求日益增长。
本项目旨在设计一款具有多功能、高性能、易操作的浮标，以满足不同场景下的水质监测需求。
二、设计目标1. 实现对水体中主要污染物（如COD、BOD、NH3-N等）的实时监测。
2. 具备水位观测功能，以便对水体变化进行实时了解。
3. 具有数据存储和传输功能，可以将监测数据实时发送至监控中心。
4. 具备一定的耐久性和抗干扰能力，以适应复杂的水体环境。
三、设计内容1. 浮标结构设计：根据浮标的应用场景和功能需求，设计合理的浮标结构，包括浮标本体、采样装置、传感器模块、数据处理模块等。
2. 传感器选择与集成：根据监测指标，选择合适的水质传感器，如电化学传感器、光学传感器等，并将其集成到浮标中。
3. 数据处理与传输：设计数据处理模块，实现对监测数据的实时处理、存储和传输。
可采用无线传输技术，如4G、Wi-Fi等，确保数据的安全和稳定。
4. 电源管理：设计合适的电源管理系统，包括电池选型、充电策略等，以保证浮标在无人值守条件下长时间稳定运行。
5. 抗干扰设计：针对复杂水体环境，采取一定的抗干扰措施，如信号滤波、数据校准等，提高监测数据的准确性。
四、实施计划1. 第一阶段：进行市场调研和资料收集，了解现有浮标产品的性能和不足，明确设计需求。
2. 第二阶段：完成浮标结构设计和传感器选型，制定详细的设计方案。
3. 第三阶段：制作浮标原型，进行功能测试和性能优化。
4. 第四阶段：完成数据处理和传输模块的设计，进行整体性能测试。
5. 第五阶段：根据测试结果进行改进和优化，完善浮标性能。
五、预期成果1. 完成一款具有多功能、高性能、易操作的浮标产品。
系泊系统的设计 【设计论文】
本文的创新点：主题思想为“一个中心，两个基本点”。即建立一个总的数 学模型，在不同的限制条件下将其衍生为另外两个相似的模型，由于建立总模型 考虑了诸多因素，解法较为精确且一劳永逸。
第二问旨在讨论小球质量对系统性能的影响。将风速 v=36m/s 代入无拖地铁 链模型，解出吃水深度 h=0.770m，钢桶的倾斜角度为 7.995°，大于 5°，锚线 底端的切向角为 17.915°，大于 16°，建立“重力模型”，将无拖地铁链模型中 重物球的重力改为变量 GQ，验证 GQ 与角度的单调性，分别取两个角的临界条 件，代入重力模型解出重物球的临界重力，较大值为 GQ 的下界，再由浮标刚好 浸没解出 GQ 的上界。将 GQ 化为质量，解出1773kg M 5226kg 。
说明 近海风荷载可通过近似公式 F=0.625×Sv2(N)计算，其中 S 为物体在风 向法平面的投影面积(m2)，v 为风速(m/s）。近海水流力可通过近似公式 F=374×Sv2(N)计算，其中 S 为物体在水流速度法平面的投影面积(m2)，v 为水 流速度(m/s）。
附表 锚链型号和参数表
型号
A 题 系泊系统的设计
摘要
本文旨在分析近浅海观测网中系泊系统的设计，即确定锚链的型号、长度和 重物球的质量，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。三 个问题使用的模型为“铁链模型”及其在各种限制条件下的模型变形。
第一问旨在分析风速对浮标吃水深度以及锚链状态的影响。针对锚链的拖地， 不拖地状态，在平面直角坐标系中分别建立“拖地铁链模型”和“无拖地铁链模 型”。模型由系统竖直高度等于水深、锚线方程系数与风力的关系、锚线长度等 于 L、锚链上端平衡方程四个主要方程构成。求解时假设锚链状态正常，将风速 代入无拖地铁链模型，若解出参数与假设不符，则代入该参数应该对应的模型（锚 链被拖走的模型见问题二）。经过计算，解出风速在 12m/s 时锚链拖地，拖地长 度 L0=6.822m，吃水深度 h=0.7415m，钢桶的倾斜角度为 0.998°；风速在 24m/s 时锚链底端几乎与水平面相切，略微拖地，拖地长度 L0=0.316m，吃水深度 h=0.749m，钢桶的倾斜角度为 3.811°。
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图 4 系泊线静态示意图
这根系泊线由两段组成。 根据浮标的工作水深 及作业海况，选定系泊链的参数如下：在海底与锚 连接的一段为第一段，选为钢缆，缆长 400 m、直径 20 mm；第二段为锚链，与导缆孔相连接，链长400 m、 直径 20 mm。 2.2 初步设计分析
根据船舶耐波性理论，浮体自由横摇的近似固
有周期为：
姨 Tj=
2p nj
=2p
Jjj+DJjj Dh
（2）
式 中 ：Tj 为 浮 体 自 由 横 摇 固 有 周 期 ； nj 为 浮 体
自 由 横 摇 固 有 频 率 ； Jjj 为 惯 性 矩 ； DJjj 为 附 加 惯 性
62
矩；D 为排水量； h 为横稳心高［4］。 将各值代入公式中，可得浮标横摇固有周期约
纵摇 PITCH/°
王小波，等：深水作业浮标系泊系统研究与设计
1.8
置的研究，根据南海海况并考虑到对浮标随波特性
1.6
的要求，确定此深水浮标的系泊方式为 S 型单点单
1.4Leabharlann 链系泊，模拟状态如图 4。
1.2
0°
1
30°
60°
90°
0.8
120°
150°
0.6
180°
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
频 率 /（r·s-1）
0引言
海洋环境资料浮标（简称“海洋浮标”）是一个无 人的自动海洋观测站，其工作范围一般限定在某个 海域，随波起伏，如同航道两旁的航标。 它能在恶劣 环境下长期、连续、全天候工作，每日定时测量并且 发报多种水文气象要素。 根据外形可分为圆盘形、 柱形、船形和球形等，本文针对最常见的圆盘形浮标 进行研究。
率条件下的运动，通过其运动响应输出，考察浮标在
垂荡和纵、横摇等主要运动中的幅值变化及其随波
运动的特性。
浮标的横摇、纵摇和垂荡是在回复力的作用下
做简谐运动而产生，当入射波的频率和浮标的固有
频率相同时，浮标运动与波浪运动产生共振，从而在
这个频率处横摇和纵摇的运动幅值会达到一个极
值，当频率再加大时，与浮标的固有频率岔开，共振
图 3 浮标纵摇响应
从垂荡响应曲线中可以看到，共振时的周期约 为 2.03 s，符合最初浮标设计时的横纵摇周期要求， 这也正面验证了浮标的总体设计；另一方面，浮标随 海浪一起运动的一段过程中（即垂荡无因次幅值为 1 时），波浪频率最大值约为 2 r/s，对应的波浪周期 约为 3.14 s，也就是说在波浪周期大于 3 s 时，浮标 能更好随波运动，从而直接反应波浪运动。 同理在 纵摇响应曲线中也可以看到类似的情况，这说明浮 标可以很好的反映波浪周期大于 3 s 时的波浪运 动，与浮标随波运动的设计要求相符。 1.1.2 传递函数的构造
对于系泊系统来讲，在强度满足要求的情况下 63
第 23 卷 第 6 期（总第 138 期） 2012 年 12 月
船舶 SHIP & BOAT
Vol.23 No.6 December，2012
应该存在一组最优方案。 因此有必要对初步设计进 行优化，即多做几组设计以进行比较分析，从而得 到最优方案。 优化分析时主要依据时域分析的计算 结果。
海洋浮标的系泊系统，是用锚与系泊链把浮标 牢固可靠系留在所布放的海区锚位点上，保证其不 倾翻、不走锚、不断链和不跑标。 对深水海洋浮标， 尤其是对其系泊系统展开研究，对我国深水资源的 开 发 和 利 用 具 有 重 要 意 义 ［1］。
本 文 主 要 根 据 南 海 海 况 为 500 m 海 洋 浮 标 设 计一套系泊系统。 经过浮标选型、总体设计、水动力 分析以及数值模拟系泊方式等研究，验证了当前深 水浮标单点系泊的适用性，并得出若干有益结论，对 后期类似研究工作有一定的参考价值。
以上模拟计算得到的浮体的运动、速度、加速度 和二阶载荷等流体动力相关信息，通过建立转移函 数，以函数形式传递至锚泊分析的前期输入中。 作 为锚泊设计的参数基础，其精确性和重要性是不言 而喻的。
2 深水浮标系泊系统设计
2.1 锚泊布置方式 根据相关参考资料，目前浮标主要采用单点单
链 S 型顺应式锚泊系统和单点张紧式锚泊系统。 前 者主要适用于深水、恶劣的海洋环境条件，整个锚泊 系统包括上端顺应式锚泊线，悬浮浮子，底端张紧式 锚泊线，海底重力基础锚组成；后者主要适用于海况 较为温和的海域，具有系泊浮标水平运动范围小的 特点，整个锚泊系统由张力弹簧，张紧式锚泊线，海 底重力基础锚组成。
第 23 卷 第 6 期（总第 138 期） 2012 年 12 月
［船舶舾装/特种装置］
船舶 SHIP & BOAT
Vol.23 No.6 December，2012
深水作业浮标系泊系统研究与设计
王小波 韩端锋 刘 峰 韩海辉
（哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨 150001）
［摘 要］ 以工作在我国南海海域、工作水深为 500 m 的深水浮标为研究对象，采 用 理 论 分 析 和 数 值 计 算 的 研 究 方 法 ，对 其系泊系统进行了研究设计，在满足相关要求的前提下对浮标外形进行总体设计，并对浮标的水动力系数及波浪载荷展开研 究 ，根 据 浮 标 的 水 动 力 性 能 ，利 用 锚 泊 分 析 软 件 对 浮 标 作 业 状 态 进 行 数 值 模 拟 分 析 ，最 后 根 据 API 规 范 对 系 泊 链 进 行 强 度 校 核，经过优化设计研究出一套稳定可靠的系泊系统。
针对初步设定的系泊线尺寸及材料，数值模拟 浮标系泊系统工作状态，对锚链作加载受力分析，先 后进行静力计算和时域分析，系泊系统设计及计算 采用锚泊分析软件 Ariane7 完成， 表 2 给出了初步 模拟计算结果。
表 2 初步设计相关参数
相关状态参数 初始状态 静力计算后 时域分析后
沿浪向
2
位 移 /m
由此可得浮标的垂荡固有周期约为2.01 s。 至此，
浮标的总体设计基本完成，且保证其在海浪中的垂
荡、纵摇和横摇共振周期满足要求（2.5~3 s）。 其后运
动特性计算中输出的响应曲线也证实了这一点。
1.1.1 运动响应模拟计算
在线性假设条件下，浮体的运动幅值与规则波
的波幅成正比。 模拟浮标在 7 个不同浪向、不同频
（College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China） Abstract： This paper focuses on the deepwater buoy which works in depth of 500 meters in the South China Sea. By theoretical analyses and numerical calculation methods，a practical mooring system is designed and investigated. The overall design of its configuration is carried out according to relevant requirements ，as well as the hydrodynamic coefficient and wave load. According to the buoy hydrodynamic performance ，the operation condition is numerically simulated by mooring analysis software. The strength of mooring line is checked by the API rules. Finally，a stable and reliable mooring system is proposed through the optimization design. Keywords： marine buoy；hydrodynamic load calculation；mooring system；design and analysis
表 1 浮标形状及质量分布
部位
形状
半径/m 厚度/m 质量/kg
主体部分 圆盘形
1.4
0.8
1 067
压载部分 圆盘形
0.585
0.5
1 988
重心计算采用组合体重心计算公式：
Σm·i Zi
Zg=
i
M
（1）
式中：mi 为某个物体的质量； Zi 为 对 应 的 垂 向 坐标； M 为整个浮标的质量［3］。
为 1.8 s。 由对称性可知横摇、纵摇固有周期相同。 同理可由下式算得浮标的垂荡固有周期：
姨 Tz=
2p nz
=2p
D g
+lzz
γSw
（3）
式中：Tz 为浮体自由升沉固有周期； nz 为浮体自
由升沉固有频率； D 为浮体的排水量； g 为重力加
速度； lzz 为升沉运动的附加质量； γ 为水的重度，且 有 γ=ρ·g； Sw 为载重水线面积，且 Sw=CwLB，其 中 Cw 为 水 线 面 系 数 ［4］。
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第 23 卷 第 6 期（总第 138 期） 2012 年 12 月
船舶 SHIP & BOAT
Vol.23 No.6 December，2012
1 深水浮标的水动力分析
1.1 水动力计算模型及水动力特性分析 根据本文设计的浮标尺度，建立其三维模型并
进行表面网格划分，见图 1。 由于研究对象形状较规 则，因此可采用混合网格法划分表面网格。 最后共 划分出节点 1 309 个，面元 1 986 个。 其中侧面用四 边形的面元，底面用三角形面元。