深海浮式起重船和水下起吊物（manifold）耦合运动响应的实验和数值研究外文翻译资料

深海浮式起重船和水下起吊物（manifold）耦合运动响应的实验和数值研究

B.W. Nam*, N.W. Kim, S.Y. Hong

摘要：波浪中的浮式起重船会引起通过钢索连接的提升物体的运动。提升物体所引起的动态张力也会影响浮式起重船的运动响应。通过实验和数值计算，本文研究了浮式起重船和提升式水下起吊物在深水安装作业中的耦合运动响应。在韩国船舶与海洋工程研究所海洋工程水池，我们对深水起重作业进行了一系列模型试验。在模型试验中，我们对具有起重机控制系统的船舶和典型的水下起吊物进行了检验。为了验证实验结果，我们应用了频域运动分析方法。在频域内，通过提升钢索所产生的一个附加的线性刚度矩阵，我们解决了起重机和起重物体的耦合运动方程。根据结构的开孔率和CFD的结果，估计了起重物体的水动力系数，这是影响耦合动力学的重要因素。我们对三个主要问题进行了讨论。首先，通过比较计算结果，研究了起重物体和起重船的运动特性。其次，在各种波浪条件下，对提升钢丝绳的动态张力进行了评估。最后，讨论了被动升沉补偿器对运动和张力响应的影响。

关键词：耦合运动；起重船；水下起吊物；模型试验；起重作业。

1.介绍

深水中水下设备的安装方法多种多样。传统的起重机钢索安装方法在实际海上作业中得到了广泛的应用。为了提高起重机吊运作业的安全性，需要对起重机的吊装能力、绳索设计和吊装构件的结构强度进行检查。如果提升物体的重量是相当大的，那么起重船和起重物体的耦合动力学就变得相当重要了。通过耦合动力学的作用，起吊载荷的动力放大系数会被提高。对于海底安装，水深是提升系统垂直共振的关键参数。近年来，设计了一种新的安装方法，如摆式安装方法、铅笔浮筒法、滑轮法等，克服了钢索安装方法的局限性和不足。

在深水中典型的起重机安装工作包括四个主要阶段（挪威船级社，2011）。第一阶段是从运输驳船的甲板上抬起并操纵物体，其中应该抑制升起物体的瞬态行为以避免碰撞。第二阶段是通过波区降低操作。在此阶段，各种外力包括重力、浮力、拍击力、波浪力作用于提升物体上，这些力根据提升物体的位置而变化。钢索的松弛情况也应该检查一下。第三阶段是深水降低（或提升）的操作，在这一阶段中，提升物体的垂直振荡是一个重要的因素。随着钢索长度的增加，提升系统的第一固有周期可能会延长到操作波周期。在这种情况下，提升物体的垂直运动和提升钢索的动态拉伸张力可能在下降操作过程中发生。最后阶段是在海床上进行接触和检索，这是着陆阶段。提升物体的水平偏移和运动主要受船舶低频水平运动以及海流影响，这些都是与海底设备精确定位有关的重要考虑因素。在真正的海上作业之前，应该对适当的天气条件进行筛选。

在深水下降或提升操作期间，可采用升沉补偿系统来减轻提升设备的垂直共振运动，同时减小钢索系统中的动态负载。三种类型的升沉补偿器已用于深水提升作业：被动式、主动式和组合式升沉补偿器。被动升沉补偿器（PHC）是一种弹簧减振系统，它可以改变起升钢丝绳系统垂直运动的共振频率。被动升沉补偿器还设计为通过在起重钢丝中添加阻尼来减少对海上起重机的影响。主动升沉补偿器（AHC）利用控制的绞车或液压活塞，以及参考信号。主动升沉补偿系统通常使用来自船舶运动参考单元（MRU）的信息来控制绞车线的长度。

关于海底设备的实际海上安装操作，动态分析方法在设计阶段得到了广泛的应用，用于预测水下设备的运动响应，确定安装设备的容量以及能进行海上操作的时间。比如，Galgoul等人（2001）描述了，巴西石油公司位于里约热内卢近海坎普斯盆地龙卡多尔油田1860米水深的油管安装项目，所遇到的所有问题并对其进行分析。他们还指出，随着安装深度增加到3000米，轴向共振是一个主要问题。Kimiaei等人（2009）提出了一种简化的数值模型，用于对水下平台的水动力作用进行精确估计，并比较了挪威船级社指导意见的结果。他们使用挪威船级社指南和OrcaFlex模型进行了一系列敏感性分析。Vries等人（2011）描述了一个典型的深水下沉作业的监测活动。在2700米水深使用支撑船的安装过程中，他们提出了两根吸力桩水下表现的监测结果。他们还将监测结果与动态分析的数值模型进行了比较，得出结论：采用动态分析方法可以预测海底结构在深水安装过程中的运动和荷载。Legras和Wang（2011）提出了一种新的方法来确定降低操作的标准，这些标准是基于对船舶运动和时域模拟的实时监测得来的。他们还介绍了该方法在西非降低作业的安装船上的应用情况。Wang等人（2011）使用商业软件OrcaFlex进行管道安装分析和跳线降低分析。他们讨论了用PLET、跳线和飞行导线安装刚性管道所面临的技术挑战。Nam等人（2013）开发了一种适用于浮式起重船系统的时域分析程序。他们调查了降低海底设备操作过程中升沉补偿器的影响。

在文献调查中，只有少数几种与海底安装或浮式起重机有关的模型试验。Clauss等人（2000）对浮式起重机的非线性动力学进行了实验研究。Fujarra等人（2008）进行了一系列简化模型试验，以便对发射电缆进行尺寸测量，并确定海底安装极限环境条件。Nam等人 （2015）进行了深海起重机安装海浪设备的实验研究。在常规和不规则波浪条件下，他们对水下设备的深水降升作业进行了模型试验。他们还讨论了被动升沉补偿器对起吊物深水下沉作业的影响。为了克服流域水深的限制，介绍了采用截断式提升系统的新实验技术。

在本文中，研究了在深水安装操作过程中浮动起重船和提升式水下起吊物的耦合运动响应。在韩国船舶与海洋工程研究所海洋工程水池，我们对深水起重作业进行了一系列模型试验。为了验证实验结果，我们应用了频域运动分析方法。在各种不规则波的条件下，研究了船的运动响应和提升物体的运动响应。在各种波动条件下，对提升钢丝绳的动态张力进行了评估。讨论了被动升沉补偿器对运动和张力响应的影响。

2.模型试验

2.1试验模式

本模型试验选中了名为“HD2500”的浮式起重船，该船曾被用在现代重工（HHI）的实海安装项目中。该起重船的主要尺寸为总长130米、型宽36米、型深10.5米。该船的排水量大约是15000吨。图1显示了起重船的图片和实验模型。模型的比例比为1：50，而比例模型是用木材制作的。该起重船为深水作业配备了动态定位系统。四个方位推进器位于船体的每一个角落。通过倾斜和自由衰减试验，调整了GM的值和横摇的自然周期。纵摇回转是通过摇摆测试来测量的。该船甲板上有一个最大容量为2500吨的单起重机系统。

图1 浮动起重船的图像（左）和实验模型（右）

在各种类型的海底设备中，在该模型试验中考虑了典型的海底起吊物。图2显示了起吊物的CAD图像和实验模型。该起吊物具有复杂的几何形状，由复杂的多孔板和桁架构成。该起吊物的主要尺寸为长15.6米、宽12.3米、高4.3米。该起吊物的干重大约是150吨。起吊物的实验模型是采用3-D打印技术，使用塑料材料制作的。为了调整模型的重量，将额外的铅重量放在起吊物的模型中。表1总结了起重船和起吊物的主要尺寸。

图2 海底起吊物的实验模型

表1 起重船和起吊物的主要尺寸

2.2起重机系统和被动升沉补偿器

起重机系统由三个主要部分组成，即起重臂、后桥和起重机底座。图3展示了起重机系统的CAD图像和实验模型，其中主要的起重机框架是木制的。电动马达被用于提升钢丝和吊杆的旋转。起重机控制马达通过减速齿轮和联轴器连接到绞盘卷筒，如图4所示。在本项研究中，采用单轴测力传感器和滑轮系统，测量了钢丝绳的张力。为了匹配提升系统的垂直自然周期，模型尺度中提升线的轴向刚度应与实际系统的轴向刚度相当。在这项研究中，测试了几条用于钓鱼的尼龙线，然后选择了最合适的一条。

图3 CAD模型（左）和起重机系统的实验模型

图4 起重机控制马达（左）和张力测量系统（右）

被动升沉补偿器可被建模为附加的弹簧和阻尼器。图5展示了被动升沉补偿器的照片和示意图。众所周知，被动平动补偿器通过改变共振周期来减小提升系统的起伏峰值和张力响应（Nam等人 2013）。虽然实际的被动升沉补偿器具有非线性弹簧和阻尼特性，但可以用线性弹簧来研究被动升沉补偿器的基本作用。在本研究中，被动升沉补偿器被建模为线性弹簧，而阻尼器则不考虑。

图5 被动升沉补偿器的照片（左）和示意图（右）

2.3实验条件和测量方法

首先，采用白噪声测试，以评估运动和张力的幅值响应算子（RAOs）。然后在不同的不规则波条件下，对船舶和起吊物的耦合运动响应进行了检查。图6显示了目前模型试验中使用的白噪声和不规则波谱。表2总结了不规则波的情况。本研究中使用的波谱是ITTC波谱。有效波高固定为1.0米，因为安装操作通常在温和的海洋环境下进行，这种环境下有义波高小于1.0米或1.5米。波浪周期在4秒到14秒的范围内。超过10秒的波浪周期对于正常安装地点来说意义不大。然而，对于某些特定的安装区域，长波周期的膨胀条件对于安装操作可能至关重要。另外，我们希望在宽范围的周期条件下评估PHC性能。

图6 白噪声和不规则波谱

表2 不规则波情况

为了测量水中上升的水下设备的运动，在这个模型测试中引入了一个水下夹具和两个摄像机，如图7所示。水下夹具安装在水深700米的坑内。将黑球机连接到海底设备上，目的是通过应用图像处理来捕获提升物体的运动。图8显示了从录制的实验影片中提取的起吊物的典型运动轨迹。

图7 水下夹具（左），相机（中）和图像处理结果（右）

图8 不规则波浪条件下（水深=700米）提升海底起吊物的运动轨迹

3.数值分析

3.1运动方程

在本项研究中，假定起重船经历6自由度的运动，并且被提升的物体仅经受3自由度的平移运动。总耦合运动方程可以表达为如下：

（1）

其中，M_V和M_S分别是船舶和提升结构的惯性矩阵，A_V和B_V^pot（omega;）为船舶的附加质量矩阵和潜在阻尼矩阵，它们基本上是运动频率的函数。船舶表面的附加质量和潜在的阻尼系数，通过应用传统的波浪格林函数法和边界元法，可以很容易地进行评估。在本项研究中，应用高阶边界元法，得到了该船舶的附加质量和阻尼系数。A_S和B_S^vis是提升结构的附加质量矩阵和粘性阻尼矩阵。如果提升位置足够深，可以假定提升结构的附加质量是恒定的，潜在的阻尼可以忽略不计。在这种情况下，与潜在的阻尼相比，粘性阻力产生的额外阻尼会变得很重要。在本项研究中，考虑了线性粘滞阻尼。C_V^hydro是水动力恢复矩阵。<em

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