基于分段外推策略的锚泊系统动态响应估计方法与流程

本发明涉及的是一种锚泊定位方法。

背景技术：

锚泊定位(mooringpositiong)可以说是最早产生的定位方式，属于被动式定位结构，与其他定位方式不同，主要基于系泊线所提供的反向张力来抵消环境作用力，从而限制平台的漂移。锚泊系统具有造价低廉、结构简单、安全性强等特点。考虑到该系统在成本与性能上的相对优势，海洋作业平台中仍将其作为主要技术支持。但随着水深的增加，布链方式以及运营维护的复杂度也会增大，加上锚链材质与定位技术的改进，锚泊系统的配置也呈现出更加多元化的形态，因此需要对整个系泊系统进行详细的运动分析才能确保浮式平台作业的平稳。对其展开深入研究的内容主要集中在两方面：(1)维持平台运动状态的锚索恢复力与力矩；(2)环境载荷作用下锚泊系统的运动响应。重点需分析平衡状态下的锚链形状及张力分布，即浮式结构物的位移与张力间的关系。在锚泊系统的设计阶段，为使计算过程简化，最常用的方法是基于静力计算推导出系泊线的动态响应。这种设计方案已被众多实践操纵所证明，且仍广泛地在海事工程应用。但目前许多高校、科研单位对锚泊系统的动静态分析均采用大型有限元软件进行计算，如abaqus、ansys、patran等，它们都将复杂的非线性特性与综合的多学科理论融合其中，并不能适用于快速而简便的工程应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够快速进行锚泊线动态响应运动的分析，以使锚泊定位系统能够在研究模拟中得到便捷的操作应用的基于分段外推策略的锚泊系统动态响应估计方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括传感器检测单元1、输入参数存储器5、垂向张力计算模块8、锚链分段计算模块11、精度比较器12、船位偏移计算模块18、数值拟合器19，

传感器检测单元1通过水深测量仪2测量海水深度h、长度测量仪3测量锚泊线总长s、张力传感器4实时检测锚泊线顶端拉力t，还通过传感器16采集船舶坐标信息的位置；

输入参数存储器5用于存储锚链属性，主要包括垂向跨距计算精度δ、锚链底端与海床夹角α；

垂向张力计算模块8，首先通过触地点求解器6计算出当前锚链触地分段，若存在、即bt≠0，则将结果输送给锚链处理单元9，若不存在、即bt＝0，则渐增垂向锚力计算器7中的锚链夹角α，使锚爪垂向力产生数值r；

锚链分段计算模块11根据垂向张力计算模块8的结果、联合静态特征量求解器10，对各分段单元进行两端竖向张力ui、li；横向跨距xi；垂向跨距zi这些特征量的计算，并将前段锚链端点作为下一段单元起点递推求解；

精度比较器12，将水深h与锚泊线总的垂向跨距∑zi之间形成的偏差|h-∑zi|与计算精度δ相比较，偏差若小于δ，则直接将水平位移与张力传递非数值拟合器19，偏差若大于δ，则重新对垂向张力计算模块5进行求解；

船位偏移计算模块18，通过水平位移处理器17处理位置传感器16给出的纵向、横向位移；

数值拟合器19采用三次样条插值对实时变化的船位水平偏移量18进行动态张力求解。

本发明的所述的垂向张力计算模块8包括两部分，触地点求解器6和垂向锚力计算器7。当bt＝0时，需要将锚链底端与海床的夹角从0变为α，以考虑进锚对锚链的垂向作用力r，增量α的取值要足够小，太大易造成精度条件的溢出。

锚链分段计算模块18包括锚链处理单元9和静态特征量求解器10。其中对于锚链单元长度δs的划分越小计算结果越严谨，但过小又会导致计算时耗长。

所述的精度比较器12中垂向计算精度δ的选取需要设置合理，一般选为δ＝h/1000。

锚链处理单元9中的长度划分δs和精度比较器12中的精度设置δ两者应满足δs＜2δ，否则会引起程序计算出错。

本发明是一种基于悬链式方程的锚泊线静力分析方法，并在静态特征量的基础之上提出一种采用分段外推法快速求解锚泊线的动态响应。本发明的优点在于针对各个锚链分段单元仅需实现近锚端与近浮体端的垂向张力li、ui求解，然后利用静态特征量关系得到该段水平跨距xi与垂向跨距zi，并基于分段外推法思想计算相邻分段的li+1、ui+1、xi+1、zi+1，以此递推叠加。避免了锚泊线单元两端水平夹角θ的测量，减少了已知量的需要，便于快速得到锚泊线形态与实时的张力求解。

附图说明

图1为基于分段外推策略的锚泊系统动态响应计算结构图；

图2为不同预张力下的锚泊线形态；

图3为锚泊线静态恢复力特性曲线；

图4为迎浪方向下船舶纵荡运动响应；

图5为迎浪方向下锚链张力历时曲线。

具体实施方式

本发明以使锚泊定位系统能够在工程模拟中得到便捷快速的操作应用。对于含有复合成分的锚泊定位缆索，考虑到锚泊线自身所受重力、张力、海流力以及弹性伸长等因素的影响，基于分段外推的思想，求解整个锚泊系统的动态响应。由于不同类型的系泊线材质特性不同，因此从锚固点开始对各成分段进行划分，然后根据离散数值法，将各个成分段细分为不同的锚链单元，结合静力方程，求出各单元锚泊线张力与方向跨距，最后叠加得到总的垂向跨距并与水深进行比较，在满足精度条件的前提下即可得到整个锚泊线的静态特性。给定系统激励，利用样条插值对锚泊线静态特征曲线进行数值拟合，再由分布式系泊线与船艏间的夹角关系进行力的合成，由此便实现了锚泊系统的动态响应。

下面结合附图举例对本发明进行详细描述：

结合图1，本发明的基于分段外推策略的锚泊系统动态响应计算方法主要包括：1—测量单元；2—水深测量仪；3—长度测量仪；4—张力传感器；5—输入存储器；6—触地点求解器；7—垂向锚力计算器；8—垂向张力计算模块；9—锚链处理单元；10—静态特征量求解器；11—锚链分段计算模块；12—精度比较器；13—叠加求和器；14—函数生成器；15—叠加求和器；16—船舶位置传感器；17—水平位移处理器；18—船位偏移计算模块；19—数值拟合器；20—输出存储器。

输入参数存储器5，将锚链组成成分、分段长度si、湿重ωi、垂向跨距计算精度δ、锚链底端与海床夹角α等存储在内。

触地点求解器6，在开始阶段设置最大的可能触地分段btmax＝∑si-h，当精度条件不满足δ＞0时，则需要将触地点递减得到新的触地分段bt。当bt≠0时，说明此时锚爪对锚泊线的垂向作用力为零；若bt＝0，则需要通过垂向锚力计算器7考虑锚链底端与海床水平夹角α，以增加锚爪的垂向作用力r。

锚链处理单元9，针对锚泊线各组成成分从锚固点开始进行单元分段划分，以三成分复合式锚泊线为例：

n＝n1+n2+n3，s＝s1+s2+s3

δs表示输入参数存储器5中的单元长度参数，n则表示总的待分析单元数。各单元重量及外载荷均集中在单元中心上，作用于锚链单元的主要外力有海流力与重力。基于分段外推思想，将前一段锚链单元的尾端作为下一段锚链单元的始端，通过锚链处理单元9对任意单元段i进行受力分析，有：

tx,i+1＝tx,i-ficosθi(1+ε)δs-disinθi(1+ε)δs

tz,i+1＝tz,i-fisinθi(1+ε)δs+dicosθi(1+ε)δs+ωiδs

式中，tx,i、tx,i+1分别表示第i个和第i+1个分段单元上的锚链水平张力；tz,i、tz,i+1分别表示第i个和第i+1个分段单元上的锚链竖向张力；di、fi分别为切向和法向上的海流力；θi为锚链水平夹角。总的锚链张力表达式为：

通常海流力相对锚泊线湿重来说量级极小，因此在快速求解中可忽略不计，于是有：

tx,i+1＝tx,i

tz,i+1＝tz,i+ωiδs

上式说明任一点处的锚链水平张力都近似相等。结合锚泊线悬链线方程：

于是可得分段悬链线表达式为：

其中θi+1表示分段近浮体段的水平夹角，θi为分段近锚段的水平夹角。

静态特征量求解器10，基于上述悬链线方程，代入三角函数关系式sinθi+1＝ui/ti+1，sinθi＝li/ti，于是各分段静态特征量间的关系有：

叠加求和器13，接收静态特征量求解器9的各段垂向输出zi，并进行求和计算

精度比较器12，将预设精度值δ与垂向跨距偏差|h-∑zi|进行比较，若两者所得差值δ＝|h-∑zi|-δ＞0，则重新回到垂向张力计算模块8进行触地点bt和锚爪垂向张力r的判断求解。若δ＝|h-∑zi|-δ≤0，则说明满足精度要求，将锚链分段计算模块11中的横向跨距传递到叠加求和器15，得到锚泊线总的水平跨距∑xi，利用函数生成器14产生所需函数关系t＝f(x)。

水平位移处理器17，将船舶位置传感器16检测到的纵向、横向位移进行计算处理，得到

数值拟合器19，利用三次样条插值，将船位偏移计算模块18的输出δx进行数值拟合，结果存储到输出存储器20中。

本发明采用锚链—缆索—锚链形式的三成分复合式锚泊线作为仿真对象进行数值验证。顶端锚链长度为200m，湿重为149kg/m，中间缆索长度为2000m，湿重为38kg/m，底端锚链长度为18000m，湿重为149kg/m，水深h为1500m，单元长度δs为0.4m，精度条件δ为h/1000，锚泊线底端与海床夹角的增量α＝1rad。

仿真结果见附图2-图5。

通过对仿真曲线和数据分析后可以看出，本发明所提出的基于分段外推策略的锚泊系统动态响应计算方法能够便捷可靠的实现系泊定位系统的运动分析，不仅能够得到不同预张力下锚泊线的形状曲线，也能快速计算分析出锚泊线静态特性曲线和动态响应历时曲线。