深水作業浮標系泊系統研究與設計

王小波 韓端鋒 劉 峰 韓海輝

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

0 引 言

海洋環境資料浮標（簡稱“海洋浮標”）是一個無人的自動海洋觀測站，其工作范圍一般限定在某個海域，隨波起伏，如同航道兩旁的航標。它能在惡劣環境下長期、連續、全天候工作，每日定時測量并且發報多種水文氣象要素。根據外形可分為圓盤形、柱形、船形和球形等，本文針對最常見的圓盤形浮標進行研究。

海洋浮標的系泊系統，是用錨與系泊鏈把浮標牢固可靠系留在所布放的海區錨位點上，保證其不傾翻、不走錨、不斷鏈和不跑標。對深水海洋浮標，尤其是對其系泊系統展開研究，對我國深水資源的開發和利用具有重要意義［1］。

本文主要根據南海海況為500 m海洋浮標設計一套系泊系統。經過浮標選型、總體設計、水動力分析以及數值模擬系泊方式等研究，驗證了當前深水浮標單點系泊的適用性，并得出若干有益結論，對后期類似研究工作有一定的參考價值。

1 深水浮標的水動力分析

1.1 水動力計算模型及水動力特性分析

根據本文設計的浮標尺度，建立其三維模型并進行表面網格劃分，見圖1。由于研究對象形狀較規則，因此可采用混合網格法劃分表面網格。最后共劃分出節點1 309個，面元1 986個。其中側面用四邊形的面元，底面用三角形面元。

圖1 深水浮標幾何模型

為降低整個浮標重心、提高浮標的靜穩性，浮標在龍骨基線處配置壓載重塊。根據具體海況，要求浮標在波浪中的垂蕩、縱搖和橫搖共振周期為2.5～3 s，避開海浪主能量頻率，使浮標表現出良好的隨浪運動特性。為滿足上述要求，設定浮標為圓盤型，主體部分直徑2.8 m、厚0.8 m；壓載部分直徑1.17 m、厚度0.5 m；浮標工作吃水0.9 m，排水量3.056 t。靜水中浮標的水線面在主體的中間截面上。

表1 浮標形狀及質量分布

重心計算采用組合體重心計算公式：

式中：mi為某個物體的質量；Zi為對應的垂向坐標；M為整個浮標的質量［3］。

根據船舶耐波性理論，浮體自由橫搖的近似固有周期為：

式中：Tj為浮體自由橫搖固有周期；nj為浮體自由橫搖固有頻率；Jjj為慣性矩；DJjj為附加慣性矩；D 為排水量； h 為橫穩心高［4］。

將各值代入公式中，可得浮標橫搖固有周期約為1.8 s。由對稱性可知橫搖、縱搖固有周期相同。

同理可由下式算得浮標的垂蕩固有周期：

式中：Tz為浮體自由升沉固有周期；nz為浮體自由升沉固有頻率；D為浮體的排水量；g為重力加速度；lzz為升沉運動的附加質量；γ為水的重度，且有 γ=ρ·g；Sw為載重水線面積，且 Sw=CwLB，其中 Cw為水線面系數［4］。

由此可得浮標的垂蕩固有周期約為2.01 s。至此，浮標的總體設計基本完成，且保證其在海浪中的垂蕩、縱搖和橫搖共振周期滿足要求（2.5～3 s）。其后運動特性計算中輸出的響應曲線也證實了這一點。

1.1.1 運動響應模擬計算

在線性假設條件下，浮體的運動幅值與規則波的波幅成正比。模擬浮標在7個不同浪向、不同頻率條件下的運動，通過其運動響應輸出，考察浮標在垂蕩和縱、橫搖等主要運動中的幅值變化及其隨波運動的特性。

浮標的橫搖、縱搖和垂蕩是在回復力的作用下做簡諧運動而產生，當入射波的頻率和浮標的固有頻率相同時，浮標運動與波浪運動產生共振，從而在這個頻率處橫搖和縱搖的運動幅值會達到一個極值，當頻率再加大時，與浮標的固有頻率岔開，共振也隨之消失［5］。

運動響應模擬計算通過水動力計算軟件Hydrostar來完成。圖2、圖3分別給出了浮標的垂蕩和縱搖響應曲線。

圖2 浮標垂蕩響應

圖3 浮標縱搖響應

從垂蕩響應曲線中可以看到，共振時的周期約為2.03 s，符合最初浮標設計時的橫縱搖周期要求，這也正面驗證了浮標的總體設計；另一方面，浮標隨海浪一起運動的一段過程中（即垂蕩無因次幅值為1時），波浪頻率最大值約為2 r/s，對應的波浪周期約為3.14 s，也就是說在波浪周期大于3 s時，浮標能更好隨波運動，從而直接反應波浪運動。同理在縱搖響應曲線中也可以看到類似的情況，這說明浮標可以很好的反映波浪周期大于3 s時的波浪運動，與浮標隨波運動的設計要求相符。

1.1.2 傳遞函數的構造

以上模擬計算得到的浮體的運動、速度、加速度和二階載荷等流體動力相關信息，通過建立轉移函數，以函數形式傳遞至錨泊分析的前期輸入中。作為錨泊設計的參數基礎，其精確性和重要性是不言而喻的。

2 深水浮標系泊系統設計

2.1 錨泊布置方式

根據相關參考資料，目前浮標主要采用單點單鏈S型順應式錨泊系統和單點張緊式錨泊系統。前者主要適用于深水、惡劣的海洋環境條件，整個錨泊系統包括上端順應式錨泊線，懸浮浮子，底端張緊式錨泊線，海底重力基礎錨組成；后者主要適用于海況較為溫和的海域，具有系泊浮標水平運動范圍小的特點，整個錨泊系統由張力彈簧，張緊式錨泊線，海底重力基礎錨組成。

利用錨泊分析軟件Ariane7對浮標進行錨泊布置的研究，根據南海海況并考慮到對浮標隨波特性的要求，確定此深水浮標的系泊方式為S型單點單鏈系泊，模擬狀態如圖4。

圖4 系泊線靜態示意圖

這根系泊線由兩段組成。根據浮標的工作水深及作業海況，選定系泊鏈的參數如下：在海底與錨連接的一段為第一段，選為鋼纜，纜長400 m、直徑20 mm；第二段為錨鏈，與導纜孔相連接，鏈長400 m、直徑20 mm。

2.2 初步設計分析

針對初步設定的系泊線尺寸及材料，數值模擬浮標系泊系統工作狀態，對錨鏈作加載受力分析，先后進行靜力計算和時域分析，系泊系統設計及計算采用錨泊分析軟件Ariane7完成，表2給出了初步模擬計算結果。

表2 初步設計相關參數

由表2結果知，靜力計算后無論是位移還是受力較初始狀態均有所增加，其中沿浪向的位移增幅尤其明顯，而時域分析后各值較靜力平衡后也都有不同程度的增加，除垂直浪向的位移外其余各量增幅不大。

2.3 優化設計分析

對于系泊系統來講，在強度滿足要求的情況下應該存在一組最優方案。因此有必要對初步設計進行優化，即多做幾組設計以進行比較分析，從而得到最優方案。優化分析時主要依據時域分析的計算結果。

先從作業工況入手，各組的參數見表3。

表3 各組系泊鏈參數對比

表3中：L1表示第一段鏈長，L2表示第二段鏈長，D1表示第一段直徑，D2表示第二段直徑。第二段錨鏈的破壞載荷：第3組是243.639 kN，其余均為429.088 kN。

經過數據整理，表4給出了時域分析后的沿浪方向的位移及導纜孔處兩個方向的張力數據。

表4 作業工況浮標位移及系泊鏈受力

表中MAX、MIN分別表示位移最大值和最小值，V-MAX和H-MAX分別表示豎直方向受力最大值和水平方向受力最大值。

結果一目了然。在位移峰值的比較中，第2組的峰值最小，也就是能最好地將浮標限制在固定范圍內；再來看錨鏈在導纜孔處的豎直張力峰值，第3組的受力峰值最小，表現出最好的抗拉能力；水平張力則各組相差不是很多，其中第3組的張力最小。具體分析如下：

（1）位移上看，第2組位移峰值最小，是因為其第二段鏈長較為適中，且伸出長度也較適宜，這樣就有效地限制了浮標工作時的移動范圍；其余各組過長或過短都將導致位移的增加。分析如下：第1組與第2組第一段鏈長相同，但第二段伸出比第2組要長，因此位移會大一些；第3組位移較大是因為其第二段直徑的減少，使得第二段錨鏈的強度韌性降低，不能很好的限制住浮標，也就不能很好的控制浮標的工作范圍；第4組與第2組伸出長度相同，但第一段長度不同，于是第二段的長度比第2組要長，因此位移自然會增加。而若是過短，則不太合理。浮標工作水深是500 m，因此作者認為550 m的伸出長度已很短，再短的話，浮標的系泊鏈就呈現張緊狀態，將有悖于開始預定的系泊方式。

（2）受力上看，各組水平張力相近。根據預定的系泊方式，系泊線的第二段呈現一定的懸垂狀態，水平上基本受力很小，因此水平張力較為接近。而豎直張力上第3組最小。分析其原因是第3組的第二段錨鏈直徑最小，其錨鏈的懸垂程度較為緩和，那么錨鏈在導纜孔處的豎直方向上受力就會小一些；同理，第1組的豎直張力大一些，是其懸垂度過大且直徑比第3組要大，因此豎直張力會增加很多；至于第2組比第3組張力大，其原因不排除是直徑的增加所致；第4組的張力最大，因為第4組的第一段最短，即其浮筒的位置最深，那么在距水面200 m的豎直距離上僅有250 m的鏈長，可見其懸垂度過小。簡單計算可得到其懸垂度為250/200=1.25，其他各組均要大于此數，也就是說第4組的第二段錨鏈較為張緊，從而導致錨鏈受拉過大，而且第4組的水平張力也是最大，這也證實了筆者的分析。

（3）為了再次驗證第2組是最優設計，第5組顯得尤為重要（相關數據已列于表3及表4中）。在系泊鏈尺寸與第2組完全相同的情況下，將系泊鏈的伸出長度改為600 m。從表4的結果分析，其位移峰值大于第2組，受力峰值也比第二組略有增加，這說明盡管系泊鏈長度適宜，但是過長的伸出長度也會影響浮標的位移，使其工作時的范圍增加，不能更好地監測限定范圍內的水文要素；同時如前所述，系泊鏈的伸出長度也不可過短，因為工作水深500 m，所以550 m的伸出長度是較為理想的，這就再次驗證了第2組的系泊鏈尺寸及伸出長度確為最優設計。最終得出了以下結論：在500 m工作水深情況下，浮標的系泊鏈伸出長度以第2組的550 m為宜，尺寸以第一段400 m加第二段300 m為宜，即第2組的系泊線設計方案最為合理。

（4）綜上，給出浮標系泊系統設計的最佳方案，見表 5、表 6。

表5 浮標設計最佳方案

表6 系泊系統浮筒相關參數

2.4 系泊鏈強度校核

按照API RP 2SK規范相關要求對系泊系統設計分析，需先預測系泊系統的極限響應，如在作業工況和生存工況條件下系泊線的張力；然后將預測值與規范要求值進行校核，以保證系泊線有足夠的張力。表7給出了規范的張力極限與安全系數。

表7 API規范中張力極限與安全系數

本設計的強度校核主要針對錨鏈在導纜孔處的豎直張力進行。表8是準靜態及時域分析（動態情況的安全校核系數適用于時域分析）兩種海況下，第2組的受力：

表8 兩種分析形態下的受力

首先校核作業工況。準靜態下，安全系數約為45.9，遠遠大于API規定的安全系數2；時域分析下，安全系數為44.67，比API規定的安全系數1.67同樣高出很多，可知錨鏈滿足作業工況的強度要求。同樣，可知生存工況下錨鏈強度也滿足要求，即在惡劣海況下，此系泊系統的強度穩定性能也十分可靠。

此處給出該系泊系統所選錨的參數：錨的類型取為重力錨，重量約為4 t，材料為鋼筋混凝土。

3 結 論

本文由浮標設計開始，經過水動力分析及系泊系統設計，通過具體的數值計算和系泊研究，最終得到最優設計，并由此得出以下結論：

（1）適當的浮標形狀給前期研究帶來了極大的便利。本次設計選用國際上常用的圓盤形作為浮標的基本形狀，使得在研究風、浪、流載荷對系泊系統的影響時，能從任一方向來考察而不影響最終結論。

（2）針對浮標的工作水深，適宜的錨鏈尺寸將更有效的限制浮標的移動范圍，以使其順利完成固定區域內的氣象監測任務，因此本文所做的最優化設計對浮標系泊的相關研究有重要的參考作用

（3）從計算結果上分析，錨和導纜孔的水平張力都非常小，豎直張力也有限值，均在錨鏈極限強度范圍內，由此可見浮標的這種單點單線的系泊方式合理且適用。

綜合整個研究過程及本次設計的結論，可以認為：在南海的海洋環境下，此系泊系統既可以滿足浮標作業海況下對位移的要求，同時系泊線的強度也滿足生存工況的要求。

［1］黃飛龍，呂雪芹，陳剛.海洋氣象探測基地——浮標［J］.海洋技術，2011（4）：62-69.

［2］戴遺山.艦船在波浪中運動的頻域與時域勢流理論［M］.北京：國防工業出版社，1998.

［3］商大中.理論力學［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.8.

［4］李積德.船舶耐波性［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社.1991.4.

［5］NEWMAN J N.Ship Fluid Dynamics［M］.周樹國譯.北京：人民交通出版社.

［6］張海彬.船舶運動與波浪載荷三維計算方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2001.

［7］BV.Ariane7 Guided Tour［M］.［s.l.］：BV，2008.

［8］BV.Ariane7 User guide［M］.［s.l.］：BV，2008.