系船浮筒设计与动力响应分析

摘要

系船浮筒作为系泊系统的一种，在近海油气开发工程中广泛应用于海上作业船舶的系泊。此种系泊系统承受风、浪、流的作用及系泊船舶的作用力，运动特性十分复杂。因此，针对海洋环境中系泊船只的系泊要求，设计出既安全又经济的系船浮简系泊系统，以及分析风浪中浮筒的动力响应行为，对于保证系船的安全意义重大。 本文首先针对在蓬莱海域作业的10000HP拖轮进行系船浮筒的方案设计，包括系泊力的计算、锚链参数的选取、浮筒尺寸及布置的确定、沉锤尺寸及安置方式的选择等，设计了直径4.5米、高2.5米的浮筒。推导了锚链与海底夹角不为零情形下的悬链线方程，针对系船浮筒方案设计的结果，计算系船浮筒系统的静刚度，分析锚链重量及长度对系泊系统刚度的影响；依据长波假设及切片理论，计算规则波作用在浮筒上的载荷。对系船浮筒水平运动的强非线性静刚度曲线进行分段多项式拟合，建立了自存海况下浮筒升沉与纵荡的运动微分方程，采用四阶龙格库塔数值方法计算浮筒的运动和锚链张力，分析浮筒运动对锚链的碰撞作用，评估系船浮筒在极值波高作用下的自存能力。 计算分析表明，当水深一定时，系船浮筒系统的静刚度由锚链参数决定，锚链长度越长，单位长度重量越大，系泊系统的弹性越好；系船浮筒系统的恢复刚度为强非线性的，浮筒在波流作用下发生强非线性运动；本系泊系统锚链重量较轻，锚链对浮筒升沉运动的恢复刚度影响较小；在风、流作用下的平衡位置周围，浮筒纵荡运动的恢复刚度非对称，因而浮筒的纵荡为非对称运动。此外锚链容易拉直，当波高大于3m时，出现浮筒与锚链的碰撞作用，引起锚链中的张力突变，链中的张力突然增大5～10倍，出现较大的冲击张力，但碰撞张力小于锚链的破断强度，故本文设计的系船浮筒系统强度满足自存要求。

目录

文摘

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第一章前言

1.1研究背景

1.1.1单点系泊的分类

1.1.2系船浮筒系泊系统简介

1.2国内外研究现状及存在问题

1.4本文工作

第二章系泊系统研究理论及方法简介

2.1系泊力的种类

2.1.1码头系泊力

2.1.2单点系泊力

2.2系泊船舶的运动

2.2.1船舶在风和流作用下的响应

2.2.2船舶在波浪作用下的响应

2.2.3船舶在风、浪、流联合作用下的响应

2.3系泊系统的研究方法

2.3.1实测法

2.3.2数值分析法

2.3.3模型试验法

2.4系泊力的规范计算方法

2.4.1我国海军标准(GJB1119-91)计算法[39]

2.4.2港口工程载荷规范法(JTJ215-98)[40]

2.4.3计算方法比较分析[22]

第三章系船浮筒方案设计

3.1设计说明

3.1.1系船类型及吨位

3.1.2系船浮筒海域的环境参数

3.2系船浮筒系统选型

3.3系泊力计算

3.3.1水平系泊力计算

3.3.2锚链受力计算

3.4锚链、转环及卸扣设计

3.5沉锤设计方案

3.5.1沉锤设计方案Ⅰ

3.5.2沉锤设计方案Ⅱ[18]

3.6浮筒设计与布置

3.7本章小结

第四章系船浮筒系泊系统的动力响应分析

4.1悬链线方程的一般形式及应用

4.1.1悬链线方程[23]

4.1.2悬链线方程的一般形式

4.1.3悬链线方程在系船浮筒系统中的应用

4.2系船浮筒系泊系统的静刚度

4.2.1作用在浮筒上的风力和海流力

4.2.2浮筒在平衡位置处的吃水

4.2.3锚链对浮筒水平方向运动的恢复刚度

4.2.4锚链张力与浮筒水平位移的关系

4.2.5锚链对浮筒垂直方向运动的恢复刚度

4.3系船浮筒自存状态运动及锚链动张力分析

4.3.1规则波对浮筒的作用及运动方程的建立[23]

4.3.2浮筒的升沉运动

4.3.3波浪较小时浮筒的纵荡运动及锚链动张力

4.3.4浮筒升沉对纵荡的影响

4.3.5锚链碰撞分析

4.3.6波高较大时浮筒的纵荡与锚链碰撞张力

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢