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系泊舰船动力学特性研究 1 浮式生产系统的数值计算 海洋不仅是重要的运输通道，也是丰富的自然资源的通道。航运业对海洋有着很大的依赖，全球大部分的货物运输均是在海上进行的。但另一方面，洋面上变幻莫测的气象水文条件，可能带来的狂风巨浪，也给人类在海洋中的经济活动造成了严重威胁。为抵御台风、大浪和强潮流的袭击，使得海洋结构物，如各种船舶、浮式生产装置，能在这种极限环境中免遭损坏，人类发明建造了种类繁多的系泊设施。它们对于保障系泊海洋结构物的安全起着重要作用。 在过去的几十年间，世界经济的快速发展导致了能源消耗，尤其是原油消费的急剧增加。为满足日益增长的石油需求，人们将目光投向了海底石油资源。事实上，早在1896年，人类历史上第一座海上石油钻井平台就在加利福尼亚近海建立了。尽管陆上原油产量仍在不断提高，但可以预料的是，对于海上油气资源的依赖程度会越来越严重。随着石油开采逐渐向深海远洋推进，原油输送成为一个必须解决的问题。在此种条件之下，管线输运方式已经不具有经济性的优势。于是FPSO(Floating Production Storage&Offloading Vessel:浮式生产储油卸油装置）应运而生，应用日渐广泛。迄今为止，用于海上油气开采及矿产资源开发的浮式生产系统主要有各种半潜式平台、张力腿平台和圆柱形平台。不论采用哪种平台型式，它都要通过系泊设施长期系留于恶劣多变的海洋环境中作业；而且海上油气矿产生产作业要求平台具有低幅运动的特性，因此系留系统性能的好坏直接影响到生产作业的效率和安全。 船舶系泊是一种常见的海上作业形式。而舰艇单缆系泊，则是海军舰船在锚地水域防御台风的主要手段之一。为保障恶劣海况下系泊舰船的安全性，配系包括系缆在内的整个系泊系统，必须对系缆所产生的系泊力进行迅速、准确的计算。这依赖于实用简便的系泊力计算公式。为达此目的，必须对系泊舰船的动力学特性做全面深入的研究。从海军防御台风的实际情况来看，目前尚缺乏兼具实用性与有效性的系泊力计算公式。使用部门因此对于系泊缆绳的配置总是难以做到确保安全。如1996年南海15号台风中，系泊于某港内的舰船在满足缆绳配系现有规范要求的条件下，有2/3以上发生了缆绳断裂事故，造成了严重损失。 根据我们的试验，单缆系泊舰艇的运动有以下特点: (1）易发生振转运动（围绕某个系泊位置的鱼尾状摆动），此时系泊力要远大于静止系泊位置时的系泊力。 (2）由于舰船的大幅振转运动，将会导致缆绳发生张紧—松弛—张紧的过程，试验结果表明这时缆绳受力会增加50%以上。这可能是导致缆绳突然断裂的重要原因。 (3）系泊舰艇的运动具有强烈的非线性特征。系泊力水平与系泊舰艇的稳定运动模式有着密切的关系。缆绳长度、流速等因素小的改变可能会导致完全不同的运动模式，这也给舰艇系泊运动和系泊力的预报带来了不便。 分析国内外现有的实用系泊力计算公式，如我国交通部标准JTJ215-98所用公式、国家军用标准GJB1119-91所采用的公式、舰船设计实用手册上所载公式、日本“港口建筑物设计标准”中的系泊力计算公式、美国的奎因公式和布鲁恩公式等等，发现它们有以下特点： (1）将系泊力划分为潮流引起的系泊力和风载荷引起的系泊力这两种成分； (2）计算中采用静力假定，没有考虑动力效应，如舰船鱼尾状摆动对于系泊力的影响。但如前所述的试验结果表明，舰船发生鱼尾状摆动时，系泊缆绳所承受的系泊力要远大于舰船静止时的情形； (3）以顶风顶流的静止系泊位置作为计算工况；但研究已经发现，这一工况并不一定是最为危险的工况； (4）没有考虑波浪力，尤其是二阶波浪力的影响。当波浪由深水向浅水传播时将发生畸变，表现为波高更高，波形更陡。由于二阶波浪力与波高的平方成正比，故对于系泊于水深变化较大海域的舰船而言，这一问题更为严重。 为分析动力学特性对于最大系泊力的影响，根据文献中的计算数据和我们的船模试验数据，对仅有潮流作用下某型舰的计算结果和试验数据进行了比较，结果如表1所示。为方便对比分析，对数据进行了无因次化处理。计算所用的潮流速度为2m/s；试验采用的是缩尺比为25的船模，对应的试验流速为0.4m/s。试验表明，在相同的潮流速度环境中，根据所选择的系泊缆绳长度的不同，船模的稳定系泊运动模式也是不一样的。表中运动模式1和运动模式2的数据来自于试验测量。其中，运动模式1是指系泊船模没有发生大幅鱼尾状摆动时的情形；运动模式2则表示船模已经发生了大幅鱼尾状摆动。 对比表1中的计算结果可以看到，当舰船没有发生大幅鱼尾摆动时，JTJ215-98公式、布鲁恩公式和奎因公式的计算结果和试验数据比较接近；但是当系泊舰船发生大幅鱼尾摆动时，由于动力效应所导致的系泊力要远大于现有公式的计算结果。这说明，为得到准确实用的系泊力计算公式，就必须研究系泊系统的稳定性、分岔