基于AQWA的铺管船-托管架耦合模型.pdf
《基于AQWA的铺管船-托管架耦合模型.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于AQWA的铺管船-托管架耦合模型.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32No.3Sept.2023文章编号:10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 2 6-0 8D01:10.13340/j.cae.2023.03.005基于 AQWA 的铺管船-托管架耦合模型苏焕婷,滕媛媛,朱勤健(1.上海海事大学物流工程学院,上海2 0 130 6;2.上海航天电子有限公司,上海2 0 18 2 1)摘要:为分析海洋工程结构物在波浪中的运动响应,以用于铺设海底管道的铺管船和托管架为研究对象,阐述大尺度结构物(铺管船)与小尺度结构物(托管架、管道)分
2、别适用的计算理论,采用AQWA软件对铺管船-托管架在不同浪向下的动力特性进行分析。通过频域水动力分析比较铺管船和托管架在规则波与不规则波下的6 个自由度的运动,得到铺管船和托管架的运动响应幅值算子(response amplitude operator,RA O),通过时域分析计算铺管船和托管架在实际海况下的波浪载荷时程,为托管架强度分析奠定基础。关键词:铺管船;托管架;响应幅值算子;时域分析;AQWA中图分类号:U674.34;T B115.1Coupling model of pipe laying vessel-stinger based on AQWA文献标志码:BSU Huantin
3、g,TENG Yuanyuan,ZHU Qinjian?2(1.Logistic Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2.Shanghai Aerospace Electronics Co.,Ltd.,Shanghai 201821,China)Abstract:To analyze the motion response of offshore engineering structures in waves,the pipe layingvessel and stinger used f
4、or laying submarine pipelines are selected as the study objects,the applicablecomputation theory of large-scale structure(pipe laying vessel)and small-scale structure(stinger andpipeline)is expounded,AQWA sofware is used to analyze the dynamic characteristics of the pipe layingvessel-stinger under d
5、ifferent waves.The six direction motions of the pipeline laying vessel and stingersunder regular and irregular waves are compared using frequency domain hydrodynamic analysis,and theresponse amplitude operator(RAO)for the motion response of the pipe laying vessel and stingers is get.The wave load ti
6、me history of the pipe laying vessel and stingers under actual sea conditions is computedusing time domain analysis,which lays the foundation for the strength analysis of the stinger.Key words:pipe laying vessel;stinger;response amplitude operator;time domain analysis;AQWA广、铺设效率高,因此被广泛使用。托管架是S型管0引 言
7、道铺设法的核心装备,一般位于铺管船船尾,起到支随着油气资源的开采逐渐从陆地转向海洋,更撑管道使其安全、顺利地从船上滑人水面至海底的多的海底管道需要铺设。S型管道铺设法铺设范围功能。本文以上海振华重工自主设计制造的深水铺收稿日期:2 0 2 3-0 5-14修回日期:2 0 2 3-0 6-0 7基金项目:上海市科委资助项目(2 0 dz1206802)作者简介:苏焕婷(2 0 0 0 一),女,广东东莞人,硕士研究生,研究方向为机械设计及理论,(E-mail)s u h t 136 50 2 33996 16 3.c o m;滕媛媛(1959一),女,辽宁大连人,讲师,博士,研究方向为港机与海
8、工装备,(E-mail)http:/cae ;smucae 第3期管船JSD6000及托管架为研究对象,分析铺管船、托管架在规则波和不规则波海况下的水动力特性以及运动响应。JSD6000铺管船总长2 15.0 8 m,型宽49.00m,型深2 2.40 m,最大吃水10.8 7 m,可进行J-Lay和S-Lay两种铺设方式,具有8 点定位锚泊系统和DP3动力定位系统,功能强大,可以进行单船浅水、深水、超深水铺管作业。铺管船托管架图1JSD6000深水起重铺管船与托管架1数学模型分析1.1势流理论三维势流理论主要用于求解大尺度结构物所受到的流体载荷。假设流体是不会旋转、没有黏度并且不能被压缩的理
9、想流体,旋度为0 的流场条件为xu=0。其中:V为那勃勒算子;u为速度矢量。同时,流场中还存在一个速度势函数(,y,z,t)满足u=V,由此可得V(x,y,z,t)=0式中:x、y、z 为坐标位置;t为时间。式(1)在整个流域内满足拉普拉斯方程。因为速度势函数分布在流场中的各个空间位置,所以该方程为流场中流体的运动学控制方程。仅有控制方程还不能求解,还需要边界条件。为便于计算,将整个系统线性化,忽略边界条件中的高阶小量,得到的边界方程如下:自由表面条件为+g=0,z=0z海底条件为:0,z=-h物面条件为6Zufi(x,y,2)an式中:j表示浮体的6 个自由度;U为浮体的运动速度;f(x,y
10、,z)为液面下浮体的单位法向量;h为海底cae ;smucae 苏焕婷,等:基于AQWA的铺管船-托管架耦合模型以仅考虑线性动压力,即p=-pat式中:p为线性动压力;p为流体密度。根据速度势的分解,流体的动压力可分解为3个部分,adPD=-patPI=-patPr=-pt式中:Pp为绕射波动压力;P为人射波动压力;PR为辐射波动压力。作用在浮体上的广义作用力(包含力和力矩)(1)可以通过在浮体湿表面上对流体力进行积分获得,Fu=J,pin.ds(10)Fo.,=J,pn,ds(11)Fr.=J,prn,ds(12)式中:下标i代表6 个自由度方向;FI、FD、FR分别为入射波作用力、绕射波作
11、用力和辐射波作用力;n为由浮体内指向流场的方向矢量。(2)由入射波速度势在浮体湿表面上积分获得的作用力称为Froude-Krylow力,由绕射速度势积分获得的在结构物上的作用力称为绕射力,式(12)为由浮(3)体运动产生的辐射作用力。1.2莫里森方程对于小尺度结构物(如托管架),可以忽略流体(4)的绕射作用,其主要载荷为流体黏性特性所产生的拖电力载荷和流体对结构的惯性力载荷。托管架上所受到的波浪力载荷采用半经验半理论的莫里森方27水深。在规则波中,流体的速度势可以分成3个部分求解,即(x,y,z)=dl(x,y,z)+p(x,y,z)+式中:(x,y,z)为无浮体状态下的入射波速度势,是仅考虑
12、自由表面与海底条件的线性波速度势;,(,y,z)为绕射速度势,是人射波受固定浮体影响后的流场速度势;r(,z)为辐射速度势,是静水中浮体自由摇荡产生的流场速度势。在已知流场速度势的情况下,浮体所受到的流体压力可以通过伯努利方程计算。无航速的浮体可(6)(7)(8)(9)http:/r(x,y,z)(5)28程计算,FM=F+FD=pc.iZA+pCpUIUIZDCm=1+Ca式中:F.为波浪惯性力;F,为波浪拖电力;U为波浪水质点的水平速度;U为波浪水质点的水平加速度;p为流体密度;A为单位长度圆柱体截面面积,A为整个圆柱体的排水量体积;D为单位长度圆柱体的直径,乙D为整个圆柱体的投影面积;C
13、.为惯性力系数;Ca为附加质量系数;Cp为拖电力系数。附加质量系数与拖电力系数可由软件自主计算获得,本文取 Cp=0.75。在实际使用中,通常以不同柱体切片积分的形式求得整个圆柱形结构件上的波浪载荷。某个圆柱受到的水平(x)方向的作用力F,=pC.UEA-pC.XEA+式中:X为圆柱的水平速度;x为圆柱的水平加速度。拖曳力中的(U-X)IU-X I不适合在频域中=/Uu 为相对速度的均方计算,令IU-XI=根,则拖电力可线性化为FUTTrms8ZD27Trms式中:F为线性化后作用在结构上的拖电力,可分为波浪拖电力和圆柱拖电阻尼力。1.3AQWA软件介绍AQWA是一款海洋工程领域内常用的水动力
14、分析软件,主要用于计算各种结构的流体动力学特性以及对波浪的响应。根据初始条件的不同,AQWA可分为时域和频域2 种计算理论。时域理论通过时间步对流场的初始值问题进行求解计算,频域理论假设波浪和船舶已作用了很长时间,其流场和船舶的摇荡运动已趋于稳态。本文所采用的空间坐标系为右手坐标系,所有转动方向满足右手法则:船尾至船首为x轴正方向(纵荡),绕x轴旋转为横摇;右至左舫为y轴正方向(横荡),绕轴旋转为纵摇;水面至甲板上为z轴http:/计算机辅助工程正方向(垂荡),绕z轴旋转为摇。AQWA中船舶的6 自由度运动方向见图2。船体在波浪中航行时受到各个方向的波浪冲击,0 浪向角为沿x轴正方(13)向,
15、9 0 浪向角为沿轴正方向,18 0 浪向角为沿x(14)轴负方向,波浪方向满足右手法则,见图3。船尾船首图2 AQWA中船舶的6 自由度运动方向315波浪1270波浪225波浪铺管船0波浪135波浪45波浪90波浪(15)图3AQWA中波浪方向示意1.4已知参数以上海振华重工集团设计制造的JSD6000深水铺管船以及4节托管架作为研究对象。托管架悬挂于铺管船船尾,托管架首节下端两铰点与铺管船铰接,上端两铰点与托管架的核心连接件铰接,该连接件位于铺管船上,通过机构的变幅运动将托管架放入水中进行铺设。S型铺设系统由模块化的托管D-架完成,托管架总共4节,各节之间采用连杆铰接,各节长度分别是8 2
16、、56、40 和13m。铺管船船体主(16)要参数见表1。表1铺管船船体主要参数参数符号实船参数值单位垂线间长Lpp船宽B主甲板高度HMD横摇回转半径Rx纵摇回转半径R.y摇回转半径R65.5为满足大管径与超深水的铺设要求,设计适用于管径为6 和16 in(1 in=25.4 mm)的30 0 0 m超深水的托管架模型,以及管径为2 0 和48 in的1500.600m深水的托管架模型,48 in管径的管道在铺设时会漂浮在水面上,因此需要加人配重层使其顺利沉人海底。各个托管架模型相关参数见cae ;smucae 2023年RzRX215.0849.022.419.566.2180波浪mmmmm
17、m第3期表2。管径/铺设水曲率半第一节/第二节/第三节/第四节/in深/m径/m2015001630004860063 000托管架的主体结构以及托辊结构采用空心钢管简化模拟,连接各节的连杆采用型钢,使用通用有限元软件AnsysWorkbench根据托管架图纸建立各节铺设的几何模型,并根据不同的铺设条件将4节托管架调整为铺设时的状态。托管架的主要参数见表3。表3托管架的主要参数参数名称数值第一节长度/m82第二节长度/m56第三节长度/m40第四节长度/m131.5建立铺管船-托管架耦合模型采用AQWA软件模块,将铺管船与托管架耦合建立模型,结果见图4,铺管船与托管架的铰接点示意见图5。铺管船
18、图4铺管船-托管架耦合模型CDB图5托管架上的铰接点示意铺管船的工作吃水范围为7.12 10.7 8 m,由于铺管船的静水力数据不足,因此在根据铺管船型线图建立水动力模型后,在AQWA中对铺管船进行cae ;smucae 苏焕婷,等:基于AQWA的铺管船-托管架耦合模型表2 托管架模型参数()()18020180202701316025参数名称可实现曲率半径/m130350最大铺设深度/m3 000铺设管径/in660托管架A29静水力计算,得到铺管船在工作吃水下的排水量、吃水深度和重心高度。铺设开始和结束时的铺管船参数分别见表4和5。表4铺设开始时的铺管船参数23182318181323数值
19、1313018管径/in2016648表5铺设结束时的铺管船参数管径/in排水量/2066 1541666 235665 4544866 414托管架是研究的重点,必须设置托管架的详细信息,如质量、重心位置以及惯性矩等。4种托管架模型的质量点信息见表6,其中1xll分别为绕X、y Vz 轴的转动惯量。表6 AQWA中托管架的质量点信息管径/in质量/I/(kg:m)203 102.00.334 53 109163 081.50.333 31 109483 225.00.240 70 10962.455.70.167 39 1092铺管船-托管架频域分析2.1规则波中的铺管船和托管架频域分析以适
20、用于2 0 in管道的托管架模型为例,以铺设结束时的铺管船状态作为设置参数,船舶吃水8.0 0m,重心高度为2 0.7 0 m,理论船速为0.0 7 m/s,设置海洋水深为150 0 m,采用16%的横摇临界阻尼作为铺管船横摇运动的修正量。波浪输人条件为:幅值1m,周期范围3.8 35s,规则波,共7 9个波浪周期;波浪环绕作用于铺管船,即在0 36 0 范围内每隔45受到1个波浪,共计8 个浪向角。2.1.120in管道铺设时铺管船和托管架频域分析使用AQWA模拟规则波下铺管船-托管架的运动响应,以2 0 in管道为例,铺管船和托管架的运动响应幅值算子(response amplitude
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 AQWA 铺管船 托管 耦合 模型
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。