本發(fā)明涉及的是一種錨泊定位方法。

背景技術(shù)：

錨泊定位(mooringpositiong)可以說是最早產(chǎn)生的定位方式，屬于被動式定位結(jié)構(gòu)，與其他定位方式不同，主要基于系泊線所提供的反向張力來抵消環(huán)境作用力，從而限制平臺的漂移。錨泊系統(tǒng)具有造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。考慮到該系統(tǒng)在成本與性能上的相對優(yōu)勢，海洋作業(yè)平臺中仍將其作為主要技術(shù)支持。但隨著水深的增加，布鏈方式以及運(yùn)營維護(hù)的復(fù)雜度也會增大，加上錨鏈材質(zhì)與定位技術(shù)的改進(jìn)，錨泊系統(tǒng)的配置也呈現(xiàn)出更加多元化的形態(tài)，因此需要對整個系泊系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動分析才能確保浮式平臺作業(yè)的平穩(wěn)。對其展開深入研究的內(nèi)容主要集中在兩方面：(1)維持平臺運(yùn)動狀態(tài)的錨索恢復(fù)力與力矩；(2)環(huán)境載荷作用下錨泊系統(tǒng)的運(yùn)動響應(yīng)。重點(diǎn)需分析平衡狀態(tài)下的錨鏈形狀及張力分布，即浮式結(jié)構(gòu)物的位移與張力間的關(guān)系。在錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，為使計(jì)算過程簡化，最常用的方法是基于靜力計(jì)算推導(dǎo)出系泊線的動態(tài)響應(yīng)。這種設(shè)計(jì)方案已被眾多實(shí)踐操縱所證明，且仍廣泛地在海事工程應(yīng)用。但目前許多高校、科研單位對錨泊系統(tǒng)的動靜態(tài)分析均采用大型有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，如abaqus、ansys、patran等，它們都將復(fù)雜的非線性特性與綜合的多學(xué)科理論融合其中，并不能適用于快速而簡便的工程應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠快速進(jìn)行錨泊線動態(tài)響應(yīng)運(yùn)動的分析，以使錨泊定位系統(tǒng)能夠在研究模擬中得到便捷的操作應(yīng)用的基于分段外推策略的錨泊系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)估計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

包括傳感器檢測單元1、輸入?yún)?shù)存儲器5、垂向張力計(jì)算模塊8、錨鏈分段計(jì)算模塊11、精度比較器12、船位偏移計(jì)算模塊18、數(shù)值擬合器19，

傳感器檢測單元1通過水深測量儀2測量海水深度h、長度測量儀3測量錨泊線總長s、張力傳感器4實(shí)時檢測錨泊線頂端拉力t，還通過傳感器16采集船舶坐標(biāo)信息的位置；

輸入?yún)?shù)存儲器5用于存儲錨鏈屬性，主要包括垂向跨距計(jì)算精度δ、錨鏈底端與海床夾角α；

垂向張力計(jì)算模塊8，首先通過觸地點(diǎn)求解器6計(jì)算出當(dāng)前錨鏈觸地分段，若存在、即bt≠0，則將結(jié)果輸送給錨鏈處理單元9，若不存在、即bt＝0，則漸增垂向錨力計(jì)算器7中的錨鏈夾角α，使錨爪垂向力產(chǎn)生數(shù)值r；

錨鏈分段計(jì)算模塊11根據(jù)垂向張力計(jì)算模塊8的結(jié)果、聯(lián)合靜態(tài)特征量求解器10，對各分段單元進(jìn)行兩端豎向張力ui、li；橫向跨距xi；垂向跨距zi這些特征量的計(jì)算，并將前段錨鏈端點(diǎn)作為下一段單元起點(diǎn)遞推求解；

精度比較器12，將水深h與錨泊線總的垂向跨距∑zi之間形成的偏差|h-∑zi|與計(jì)算精度δ相比較，偏差若小于δ，則直接將水平位移與張力傳遞非數(shù)值擬合器19，偏差若大于δ，則重新對垂向張力計(jì)算模塊5進(jìn)行求解；

船位偏移計(jì)算模塊18，通過水平位移處理器17處理位置傳感器16給出的縱向、橫向位移；

數(shù)值擬合器19采用三次樣條插值對實(shí)時變化的船位水平偏移量18進(jìn)行動態(tài)張力求解。

本發(fā)明的所述的垂向張力計(jì)算模塊8包括兩部分，觸地點(diǎn)求解器6和垂向錨力計(jì)算器7。當(dāng)bt＝0時，需要將錨鏈底端與海床的夾角從0變?yōu)棣?，以考慮進(jìn)錨對錨鏈的垂向作用力r，增量α的取值要足夠小，太大易造成精度條件的溢出。

錨鏈分段計(jì)算模塊18包括錨鏈處理單元9和靜態(tài)特征量求解器10。其中對于錨鏈單元長度δs的劃分越小計(jì)算結(jié)果越嚴(yán)謹(jǐn)，但過小又會導(dǎo)致計(jì)算時耗長。

所述的精度比較器12中垂向計(jì)算精度δ的選取需要設(shè)置合理，一般選為δ＝h/1000。

錨鏈處理單元9中的長度劃分δs和精度比較器12中的精度設(shè)置δ兩者應(yīng)滿足δs＜2δ，否則會引起程序計(jì)算出錯。

本發(fā)明是一種基于懸鏈?zhǔn)椒匠痰腻^泊線靜力分析方法，并在靜態(tài)特征量的基礎(chǔ)之上提出一種采用分段外推法快速求解錨泊線的動態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于針對各個錨鏈分段單元僅需實(shí)現(xiàn)近錨端與近浮體端的垂向張力li、ui求解，然后利用靜態(tài)特征量關(guān)系得到該段水平跨距xi與垂向跨距zi，并基于分段外推法思想計(jì)算相鄰分段的li+1、ui+1、xi+1、zi+1，以此遞推疊加。避免了錨泊線單元兩端水平夾角θ的測量，減少了已知量的需要，便于快速得到錨泊線形態(tài)與實(shí)時的張力求解。

附圖說明

圖1為基于分段外推策略的錨泊系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)圖；

圖2為不同預(yù)張力下的錨泊線形態(tài)；

圖3為錨泊線靜態(tài)恢復(fù)力特性曲線；

圖4為迎浪方向下船舶縱蕩運(yùn)動響應(yīng)；

圖5為迎浪方向下錨鏈張力歷時曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明以使錨泊定位系統(tǒng)能夠在工程模擬中得到便捷快速的操作應(yīng)用。對于含有復(fù)合成分的錨泊定位纜索，考慮到錨泊線自身所受重力、張力、海流力以及彈性伸長等因素的影響，基于分段外推的思想，求解整個錨泊系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。由于不同類型的系泊線材質(zhì)特性不同，因此從錨固點(diǎn)開始對各成分段進(jìn)行劃分，然后根據(jù)離散數(shù)值法，將各個成分段細(xì)分為不同的錨鏈單元，結(jié)合靜力方程，求出各單元錨泊線張力與方向跨距，最后疊加得到總的垂向跨距并與水深進(jìn)行比較，在滿足精度條件的前提下即可得到整個錨泊線的靜態(tài)特性。給定系統(tǒng)激勵，利用樣條插值對錨泊線靜態(tài)特征曲線進(jìn)行數(shù)值擬合，再由分布式系泊線與船艏間的夾角關(guān)系進(jìn)行力的合成，由此便實(shí)現(xiàn)了錨泊系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于分段外推策略的錨泊系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法主要包括：1—測量單元；2—水深測量儀；3—長度測量儀；4—張力傳感器；5—輸入存儲器；6—觸地點(diǎn)求解器；7—垂向錨力計(jì)算器；8—垂向張力計(jì)算模塊；9—錨鏈處理單元；10—靜態(tài)特征量求解器；11—錨鏈分段計(jì)算模塊；12—精度比較器；13—疊加求和器；14—函數(shù)生成器；15—疊加求和器；16—船舶位置傳感器；17—水平位移處理器；18—船位偏移計(jì)算模塊；19—數(shù)值擬合器；20—輸出存儲器。

輸入?yún)?shù)存儲器5，將錨鏈組成成分、分段長度si、濕重ωi、垂向跨距計(jì)算精度δ、錨鏈底端與海床夾角α等存儲在內(nèi)。

觸地點(diǎn)求解器6，在開始階段設(shè)置最大的可能觸地分段btmax＝∑si-h，當(dāng)精度條件不滿足δ＞0時，則需要將觸地點(diǎn)遞減得到新的觸地分段bt。當(dāng)bt≠0時，說明此時錨爪對錨泊線的垂向作用力為零；若bt＝0，則需要通過垂向錨力計(jì)算器7考慮錨鏈底端與海床水平夾角α，以增加錨爪的垂向作用力r。

錨鏈處理單元9，針對錨泊線各組成成分從錨固點(diǎn)開始進(jìn)行單元分段劃分，以三成分復(fù)合式錨泊線為例：

n＝n1+n2+n3，s＝s1+s2+s3

δs表示輸入?yún)?shù)存儲器5中的單元長度參數(shù)，n則表示總的待分析單元數(shù)。各單元重量及外載荷均集中在單元中心上，作用于錨鏈單元的主要外力有海流力與重力?；诜侄瓮馔扑枷?，將前一段錨鏈單元的尾端作為下一段錨鏈單元的始端，通過錨鏈處理單元9對任意單元段i進(jìn)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分別表示第i個和第i+1個分段單元上的錨鏈水平張力；tz,i、tz,i+1分別表示第i個和第i+1個分段單元上的錨鏈豎向張力；di、fi分別為切向和法向上的海流力；θi為錨鏈水平夾角?？偟腻^鏈張力表達(dá)式為：

通常海流力相對錨泊線濕重來說量級極小，因此在快速求解中可忽略不計(jì)，于是有：

tx,i+1＝tx,i

tz,i+1＝tz,i+ωiδs

上式說明任一點(diǎn)處的錨鏈水平張力都近似相等。結(jié)合錨泊線懸鏈線方程：

于是可得分段懸鏈線表達(dá)式為：

其中θi+1表示分段近浮體段的水平夾角，θi為分段近錨段的水平夾角。

靜態(tài)特征量求解器10，基于上述懸鏈線方程，代入三角函數(shù)關(guān)系式sinθi+1＝ui/ti+1，sinθi＝li/ti，于是各分段靜態(tài)特征量間的關(guān)系有：

疊加求和器13，接收靜態(tài)特征量求解器9的各段垂向輸出zi，并進(jìn)行求和計(jì)算

精度比較器12，將預(yù)設(shè)精度值δ與垂向跨距偏差|h-∑zi|進(jìn)行比較，若兩者所得差值δ＝|h-∑zi|-δ＞0，則重新回到垂向張力計(jì)算模塊8進(jìn)行觸地點(diǎn)bt和錨爪垂向張力r的判斷求解。若δ＝|h-∑zi|-δ≤0，則說明滿足精度要求，將錨鏈分段計(jì)算模塊11中的橫向跨距傳遞到疊加求和器15，得到錨泊線總的水平跨距∑xi，利用函數(shù)生成器14產(chǎn)生所需函數(shù)關(guān)系t＝f(x)。

水平位移處理器17，將船舶位置傳感器16檢測到的縱向、橫向位移進(jìn)行計(jì)算處理，得到

數(shù)值擬合器19，利用三次樣條插值，將船位偏移計(jì)算模塊18的輸出δx進(jìn)行數(shù)值擬合，結(jié)果存儲到輸出存儲器20中。

本發(fā)明采用錨鏈—纜索—錨鏈形式的三成分復(fù)合式錨泊線作為仿真對象進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。頂端錨鏈長度為200m，濕重為149kg/m，中間纜索長度為2000m，濕重為38kg/m，底端錨鏈長度為18000m，濕重為149kg/m，水深h為1500m，單元長度δs為0.4m，精度條件δ為h/1000，錨泊線底端與海床夾角的增量α＝1rad。

仿真結(jié)果見附圖2-圖5。

通過對仿真曲線和數(shù)據(jù)分析后可以看出，本發(fā)明所提出的基于分段外推策略的錨泊系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法能夠便捷可靠的實(shí)現(xiàn)系泊定位系統(tǒng)的運(yùn)動分析，不僅能夠得到不同預(yù)張力下錨泊線的形狀曲線，也能快速計(jì)算分析出錨泊線靜態(tài)特性曲線和動態(tài)響應(yīng)歷時曲線。