[发明专利]一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法

摘要

本发明提供一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，运用准静态的悬链线法和动力分析集中质量法，建立浮托安装驳船系泊运动计算数学模型，基于MMG方程理论，根据船舶六自由度操纵运动方程建立拖船运动数学模型，从而实现能够准确的分析在进船阶段浮托安装作业的驳船与缆绳运动与受力，且仿真速度上可以满足实时仿真要求的建模方法，其仿真结果够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中在进船阶段浮托安装作业时设计人员提供良好的参考。

主权项

一种在进船阶段浮托安装作业模型建模仿真方法，其特征在于：包括用来装载平台上部结构的安装驳船、多用途拖船、连接驳船和桩柱的交叉缆、连接驳船和拖船的拖带缆、起到固定作用的锚链线和系泊缆，步骤如下：第一步：设置驳船的船型参数、风速风向、流速流向，并基于时域船舶运动理论，根据船舶六自由度操纵运动方程，结合浮托安装驳船进船耦合运动的特点建立驳船的运动数学模型并得到驳船的运动数据，所述驳船的运动数学模型为：(MRB+A(∞))ξ··+∫0tK‾(t-τ)ξ·(τ)dτ+Cξ=τexc]]>式中：MRB是刚体矩阵；A(∞)是频率趋于无穷时附加矩阵；τexc是其他外部力；K(t)是迟滞矩阵；Cξ是线性恢复力；ξ、分别表示驳船运动距离、速度、加速度矢量；延时函数h(τ)表征了由于自由面记忆效应产生的影响；第二步：设置锚链线属性并输入导缆孔位置与运动数据，建立锚链线的数学模型为：FMDC=πD24CMρu·-πD24CAρx··+12ρCDD(u-x·)|(u-x·)|]]>式中：单位锚链线长度上的作用力，D是锚链线截面直径；ρ是流体密度；CM＝1+CA是惯性力系数；CA是附加质量系数；CD是拖曳力系数；u和是分别为流体质点的速度和加速度；是浮体运动速度；在锚链线上选取n个节点，每个节点的运动计算方法为：[mi+ai]r··i=Ti+(1/2)-Ti-(1/2)+Ci+(1/2)-Ci-(1/2)+Wi+Bi+Dpi+Dqi]]>式中：mi是节点i的质量矩阵；ai是节点i的附加质量矩阵；节点i处的加速度；Ti+(1/2)和Ti‑(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i‑(1/2)处的内部刚度；Ci+(1/2)和Ci‑(1/2)分别是模型中内部分段i+(1/2)处和i‑(1/2)处的内部阻尼力；Wi是节点i处的重力；Bi是节点i处的垂向接触力；Dpi是节点i处的横向阻力；Dqi是考虑表面摩擦和形状阻力的切向阻力；第三步：设置交叉缆的属性并输入驳船与交叉缆的连接点的运动数据，建立交叉缆数学模型：H=TH(secθ0-1)wtanθ0=Lcw2THlc=2THwsinh-1(tanθ0)+THLcEA]]>式中：H是悬垂高度；θ0是线缆端点与水平面间夹角；Lc是不可伸长长度；lc是两端点之间的距离；E是线缆材料弹性模量；TH是水平线缆张力；w是线缆单位长度重量；A是线缆横截面面积；第四步：设置拖带缆属性并输入驳船与拖带缆连接点的运动参数，基于MMG理论，得到拖船的运动方程：(mt+λ11t)u·t-(mt+λ22t)rtvt=XHt+XPt+XRt+XWt+XFt+XCt+XTt(mt+λ22t)v·t+(mt+λ11t)rtut=YHt+YPt+YRt+YWt+YFt+YCt+YTt(mt+λ33t)ω·t+mt(ptvt-qtut)=ZHt+ZWt+ZFt+ZTt(Ixt+λ44t)p·t+(Izt-Iyt)qtrt=LHt+LRt+LWt+LFt+LTt(Iyt+λ55t)q·t+(Ixt-Izt)rtpt=MHt+MPt+MRt+MWt+MFt+MTt(Izt+λ66t)r·t=NHt+NPt+NRt+NWt+NFt+NCt+NTt]]>式中：mt表示拖船质量，Ixt，Iyt，Izt分别表示拖船绕OX、OY和OZ轴的转动惯量，ut、νt、ωt、pt、qt、rt分别表示拖船纵向、横向和垂向的速度以及绕OX、OY和OZ轴的角速度，X、Y、Z、L、M、N分别表示船舶六自由度运动，下标Ht、Pt、Rt、Wt、Ft、Ct、Tt分别表示拖船的水动力、螺旋桨力、舵力、波浪力、风力、水流力、拖缆力，其中：坐标系是O‑XYZ分别沿着拖船的运动方向、船舶左舷方向和垂直方向建立的。