[发明专利]一种系泊系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种系泊系统的设计方法。本发明包括如下步骤：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；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、利用几何关系钢管倾斜角度的求解；步骤6、得到浮标半径；步骤7、调节重物球质量控制钢桶倾斜角度。本发明通过确定锚链的型号、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的小，从而保证水声通讯设备的工作效果。

技术领域

本发明属于近浅海观测网领域，具体涉及一种系泊系统的设计方法。

背景技术

单点系泊码头通常由一个能够漂浮在海面上的浮筒和铺设在海底与陆地贮藏系统连接的管道组成。浮筒漂浮在海面上，油轮上的原油通过漂浮软管进入浮筒后，从水下软管进入海底管线，输到岸上的原油储罐。为防止浮筒随海浪远距离漂移，用数根巨大的锚链将其与海床相连，这样浮筒既可在一定范围内随风浪流漂浮移动，增加缓冲作用，减少与巨轮间发生碰撞的危险，又不至于被海浪漂走。

单点系泊系统SPM(Single point mooring system)，它的主要作用是将FPSO定位于预定海域，起着输送井流，电力、通信等功能。同时，使FPSO具有风向标的效应，在各种风浪流作用下FPSO的受力为最小，从而保证FPSO在海上能长期连续工作。

为了实现单点系泊系统的功能，多年来已发展了多种类型的单点系泊系统，主要有悬链腿系泊系统(CALM)，依靠悬链效应来产生恢复力；单锚腿系泊系统(SALM)，依靠浮筒的净浮力来产生恢复力；内转塔系泊系统(STP)，其实质上是CALM系统的不同型式；固定塔式系泊系统(FTM)，依靠缆索的弹性来产生恢复力；软刚臂系泊系统(SYM)，依靠重力势能来产生恢复力。

水动力分析是单点系泊系统的一个关键技术。系泊系统本身的主要作用是减小浮体的位移，但同时为保证系泊系统本身的强度，又不宜产生过大的约束力。最小运动与最小系泊力是矛盾的要求，因此系泊系统的设计在于选择最适宜的系泊刚度。系泊系统的刚度(产生回复力)可由三种途径得到：重力，如用锚链等；浮力，如系泊装置本身或浮筒产生的浮力；材料弹性，如用尼龙缆、聚酯缆等。单点系泊是一个复杂的非线性系统，在风、浪、流环境条件下，作用在系泊系统上的载荷，按其随时间变化的不同特点可划分为：(1)数值恒定的平均载荷；(2)缓慢变化的低频载荷；(3)以波浪频率变化的高频载荷(一阶力)。平均载荷使海洋结构物具有一个平衡位置，结构物将围绕这一平衡位置做振荡运动。低频载荷是不规则波引起的二阶漂力，它与一阶力相比，通常具有较小的数量级，但因其变化频率接近系泊系统的固有频率，容易使结构物发生慢漂振荡，这是系泊系统中的主要问题。

发明内容

本发明主要设计一种简单的系泊系统，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的小，从而保证水声通讯设备的工作效果。

近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成(如图1所示)。水声通讯系统安装在一个密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为m千克。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度(钢桶与竖直线的夹角)超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。为了实现上述的要求，本发明通过建立数学模型，利用力学关系对系泊系统进行了研究。具体的方法由以下步骤实现：

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

如图1所示的系泊系统中，锚链时可以近似使用悬链线来代替分析建立悬链线模型。我们得到有悬链线的近似状态方程为：