[发明专利]一种系泊系统的设计方法

权利要求书

1.一种系泊系统的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、用悬链线近似代替锚链形状并对锚链进行受力分析，建立基于悬链线方程的锚链受力分析模型；

步骤2、对钢桶进行受力分析；

将钢桶看做一个质点，对钢桶进行受力分析，设钢桶的质量为m，重物球的质量为m′，钢桶与重物球所受的浮力为f，钢桶受钢管的拉力为T₁，拉力T₁与竖直方向成角β；根据力学知识，当钢桶受力平衡得到钢桶的状态；

步骤3、对钢管以及浮标进行受力分析；

步骤4、利用逐步逼近思想求解浮标吃水深度；

步骤5、利用几何关系进行钢管倾斜角度的求解

步骤6、得到浮标浮动区域半径；

步骤7、调节重物球质量控制钢桶倾斜角度；

步骤1具体实现如下：

在进行建模之前先做出以下的假设：

a.假设受力分析时可将钢桶看做质点进行分析；

b.假设构成锚链的环之间的作用力能够忽略不计；

c.由于水流力的铅直分力很小，假设水流力的铅直分力能够忽略；

d.假设风荷载力与水流力是独立的，能够线性叠加；

设锚链与海底相切于点A，锚链与钢桶相连于点B，设点A处锚链受水平向左的力为F'，B点受一个斜向上的拉力T，且拉力T与水平方向成夹角，AB段锚链的质量为m_AB，对锚链进行受力分析，B点受力平衡，则有：

以点A为坐标原点建立坐标系，设锚链与钢桶相连于点B的坐标为(x,y),由力学关系得：

其中，当海水静止时，所受风力F即为近海风荷载，对传输节点有二力平衡：

F＝F' (3)

传输节点所受风力F即为近海风荷载：

F＝0.625Sv² (4)

S为物体在风向法平面的投影面积，v为风速；

设锚链单位长度的质量为σ，AB段的弧长为L_AB，则AB段锚链的质量m_AB为：

m_AB＝σ×L_AB (5)

将式(5)代入式(2)得：

由勾股定理得：

对等式两边同时进行积分得：

将式(8)代入式(6)得:

对等式两边同时对x进行求导，从而去掉积分符号，则有:

之后，对式(10)进行变量分离，分离后对等式两边同时进行积分，则有：

又

所以得到：

对式(11)等式两边同时取双曲正弦，有：

对式(12)进行变量分离并同时对等式两边进行积分，得到解：

由于该坐标系以锚链的最低点A点为坐标原点，故式(13)经过点(0,0)，将(0,0)代入式(13)，得C＝0；

将式(13)代入式(8)得AB段弧长L_AB为：

至此，得到悬链线的精确状态方程：

将双曲正弦函数和双曲余弦函数分别以泰勒级数展开，有：

将方程(16)代入方程(15)，取前三项为有效项，则有悬链线的近似状态方程为：

由于传输节点所受风力F即为近海风荷载：F＝0.625Sv²

近海风荷载正比于S，且当海水静止时，物体在风向法平面的投影面积S应取浮标在风向法平面最大的投影面积为：

S＝D*H (18)

其中，D为浮标圆柱的直径，H为浮标圆柱露出海面的高度；

利用式(17)确定当锚链恰好与海底相切时风速的大小，即确定锚链恰好着地时的风速临界值；当风速的水平分量等于风速临界值时，锚链恰好与海底相切；当风速的水平分量小于风速临界值时，锚链着地；当风速的水平分量大于风速临界值时，锚链与海底成一定的角度；

步骤2具体实现如下：

将钢桶看做一个质点，对钢桶进行受力分析，设钢桶的质量为m，重物球的质量为m’，钢桶与重物球所受的浮力为f，钢桶受钢管的拉力为T₁，拉力T₁与竖直方向成角β，由力学知识，钢桶受力平衡，则有：

钢桶与重物球所受的浮力f为：

f＝pgV (20)

其中，ρ为海水密度，g为重力加速度，V为钢桶和重物球的体积；

步骤3具体实现如下：

将浮标及钢管看做一个整体并对其进行受力分析，设f_浮为浮标所受的浮力，f_钢管为一节钢管所受的浮力，m_钢管为一节钢管的质量，T₁为钢桶对钢管的拉力，与竖直方向成角β，浮标与钢管受力平衡，则有：

T₁cosβ+(m_浮+4m_钢管)g＝f_浮+4f_钢管 (21)

步骤4具体实现步骤如下：

Step1：分析无风荷载时系统竖直方向重力与浮力相平衡，求出浮标的吃水深度h₀；经判断有无风荷载对浮标的吃水深度影响不大，故将h₀作为吃水深度的初始值；

Step2：由h₀计算出锚链在水中的竖直投影高度最大值y1，利用公式(17)计算出锚链的水平投影最大值x1；

Step3：由x1利用公式(17)求出没有着地的锚链长度L1；

Step4：由L1求出此情况下实际浮标的吃水深度h₁，比较h₀和h₁，满足两者间误差小于5％继续，否则，将h₀＝h₀+0.02代入跳至Step2让h₀和h₁逐渐逼近满足误差求出最终的h₁。