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半张紧深海系泊缆冲击张力特性研究

来源:论文帮手 作者: 发布日期:2017-10-22 19:22:37

 半张紧深海系泊缆冲击张力特性研究

摘要:随着科技的进步与发展,人们对能源的需求越来越大。但是陆地的能源储备毕竟有限,于是人们将目光转移到了海洋。海洋能源的勘探需要海洋平台,而系泊系统对于深海平台来说至关重要,而在深海中冲击张力对于系泊缆的破坏很大,因此研究系泊缆的的冲击张力对于深海平台还说显得尤为重要。本次研究我们通过对系泊缆冲击张力可能造成影响的因素进行研究分析。先用ANSYS Workbench 16.0对研究的半潜式平台以及系泊缆进行建模,然后通过AQWA软件进行分析。分别改变激励幅值、激励频率、缆绳质量、拖曳力系数以及弹性模量进行分析,得出结论。
 
 
关键词:半张紧;系泊缆;冲击张力
分类号:中国分类号
 
Research on impact tension characteristics of semi taut mooring cable of deep sea
Abstract: With the progress and development of science and technology, the demand for energy is more and more big. But the energy reserves of land are limited, so people turn their eyes to the ocean. Marine energy exploration offshore platform and mooring system for deep sea platforms is critical, and in deep impact tension of mooring cable for great damage, so the study of impact tension of mooring cable for deep sea platforms also said it is particularly important. In this study, we analyze the factors that may affect the impact tension of mooring cables. Firstly, ANSYS Workbench 16 is used to model the semi submersible platform and mooring cable, and then analyzed by AQWA software. Changing the excitation amplitude, excitation frequency, cable quality, drag coefficient and elastic modulus were analyzed, the conclusion.
 
Keywords:  tension; mooring line; impact tension
classification:
 
 
目  录
摘要 I
Abstract II
目  录 III
1 绪论................................................................................................................................1
1.1 研究背景及意义.................................................................................................1
1.2 国内外研究现状.................................................................................................3
1.3 系泊缆材料特性及研究进展.....................................................................4
2.基本理论与软件介绍....................................................................................................6
2.1 本次研究的基本理论........................................................................................6
2.2相关软件的介绍.................................................................................................10
3.仿真模型的建立............................................................................................................12
3.1 半潜式钻井平台的简介....................................................................................12
3.2 建立半潜式钻井平台模型................................................................................12
3.3 进行网格划分完成有限元模型的建立..............................17
3.4 系泊缆模型的建立............................................................................................17
4.冲击张力的分析研究....................................................................................................24
   4.1 产生的条件...........................................................................................................24
   4.2 研究对冲击张力造成影响的因素.......................................................................24
   4.3 小结.......................................................................................................................35
5.结论和展望.....................................................................................................................36
5.1 主要结论.............................................................................................................36
5.2 展望.....................................................................................................................36
参考文献............................................................................................................................37
 
 
1绪论
1.1研究背景及意义
随着科技的进步,石油,天然气的需求增加,随着大陆的储存日益减少,因此需要对深海油气资源进行不断的开发。我国南海具有大量天然气、石油的储备,但是我国缺乏对较深海域天然气石油的勘探和生产相应的技术,因而急需相关的技术。对于深海石油天然气的勘探需要向TPL平台和SPAR平台这样的深海平台,系泊系统对于平台的生产勘探的安全和效率有很大的影响 。因此系泊系统在海洋工程中被人们拿来广泛的应用。系泊系统主要研究在海洋中的载荷下的动力响应,以及系泊缆的张力和它的变形情况,具有很强的非线性特性。系泊系统对于深海平台具有很重要的意义。
系泊是为使船、浮标、平台等安全停留于锚或沉块、岸或系泊浮筒的系统或过程。研究发现,当系泊浮体有大幅度运动时,系泊缆会发生变化,这种变化缆绳有时候会出现由张紧变松弛,再由松弛变张紧的情况发生。一般来说,张紧状态指的是绳索悬垂度和跨度的比值小于0.125,反之则是松弛状态。在由松弛状态变成张紧状态的时候,缆绳的内会产生极大的系泊力,也就是说出现了冲击张力 。由于导致系泊缆的张力发生突变,这种突变的张力会是平均张力的几倍甚至十几倍 ,会对结构造成很大的破坏。因此预测冲击载荷的大小,具有非常重大的意义。
 
      在海上,尤其是有大风大浪的时候,在码头的系泊船舶会受到很大的外力,因此经常会发生缆绳断裂的情况,进而发生严重的海上事故,造成严重的经济损失以及人员伤亡。例如:1980年位于北海Ekofisk油田的Alexander L Lieland号发生意外事故,造成重大损失,直接导致了数百人的伤亡;2006年5月中旬,台风“珍珠”正面袭击了流花11-1油田,正在油田作业的南海“胜利号”FPSO(浮式生产/储卸油装 置)受到毁灭性打击,流花11-1油田被迫停产。集装箱船上系泊缆断裂致人员死亡:2014年12月9日晚,马耳他籍集装箱船“Merito”号停泊在阿尔及利亚阿尔及尔港,因照明不佳,三副来到岸上检查系泊缆,不料系泊缆断裂弹回,三副正好站在回弹区,击中脸部,不治身亡;2011年8月,如皋通茂船厂的3艘新造船由于发生系泊缆绳断裂,导致3船失控,船体随潮水向上游方向漂移。紧急时刻,如皋市水上搜救中心积极组织开展救援,成功避免事故的发生......这种意外事件不论是在国内还是在国外都会经常发生。而且随着经济的发展,港口的建设显得愈发重要,大型的船舶也越来越多,因此,对于在大风大浪下,系泊船只的系缆力的研究也显得愈发重要。但由于关于系泊的力学问题是一个很复杂的研究,只是单纯的通过理论来研究是不能完美的解决问题。为了知道在大风大浪下船舶与缆绳之间的受力状况和变化规律,便需要对大型船舶在不同风浪大小,以及不同吃水的状态下的受力情况进行时实验研究。因此,这样的研究对大型船舶在大风大浪下的系泊具有十分重要的参考意义。
1.2国内外研究的现状
诸多学者进行了许多相关的科学实验研究,并且都取得了相当不错的研究成果。在国内的研究:向溢,杨健民等 通过对各种缆绳受到的平均张力进行了实验研究,发现缆绳断裂的原因是因为缆绳内部受力不均。杜度,张纬康等 学者经过实验发现冲击张力是在系泊缆有张紧状态变松弛状态的时候产生的。李臻,杨启 等学者通过实验研究发现,不同的风向和吃水对于缆绳收到的张力有一定的影响。张火明,杨健民等 研究了在空气中测量和调整多成分系泊缆绳精力特性的方法,并在模拟实验的水池中测量调整过的系泊缆绳的静力特性,发现测量结果和期望值很符合。唐有刚和张素霞等 学者,对产生冲击张力可能的因素进行了研究。
在国外的研究:1872年,Hopkinson 进行了最早的冲击载荷研究,利用重块的下落测量铁丝的拉伸长度,发现:物体的撞击效果与他们的质量无关;铁丝在靠近固定端的地方断裂;重块在撞击断是铁丝断裂的最小落块高度是固定端的4倍。Shan Huang和Dracos Vasalos进行了一系列关于冲击载荷的问题的研究实验:研究悬垂量较小的动力学 。将缆绳的两端设置在同一高度,固定一端,给另外一端施加一个水平的简谐激励。当缆绳受到冲击载荷时,该系统的阻尼会大幅的增大,在缆绳的张力频率分量中,会出现非线性振动系统中的倍频现象 。Niedzwecki等 学者对缆绳由松弛变张紧的过程进行了研究,发现了非连续性刚度会引起冲击张力的原因。Plaut R H 等学者对挡浪板做大幅度的运动时系泊缆绳内发生的冲击载荷进行了研究。Perkins N C等 学者运用应力波的理论碎缆绳进行研究,并用哈密顿原理推出了弹性悬垂缆绳的运动方程,通过对悬垂弹性缆绳在稳定流的作用下的共振反应进行研究,发现面内运动和面外运动的相互作用,建立完全浸在水中受到浮体拉伸缆绳的线性振动理论模型。J.A.P Aranha 和M.Pinto 在Polar Engineers 的研究成果上,得到有关系泊缆动态激励的张力表达公式。
1.3系泊缆材料特性及研究进展
随着人们往更深的海洋进行石油和天然气的勘探和生产以及科技的进步,系泊缆的材料也得到不断的发展。墨西哥湾的深海勘探平台甚至能在3000米以下的深海中进行工作 。深海平台主要由传统的悬链线系泊系统和张紧索系泊系统两种。悬链式系泊系统只适用于1000米以内的较浅的海洋中,而张紧索系泊系统则能在几千米的海洋中工作。张紧索系泊系统的发展源于纤维材料的开发与应用,相对于悬链式系泊系统,张紧索系泊系统具有(1)平台水平偏离量小;(3)同等深度所需缆绳更短,以节约成本(3)减低平台负载(4)占用海床面积小,避免与水下其他设备碰撞的发生的优点。而材料由传统的钢链,钢索向着合成纤维索发展。钢链由链环组成,具有制造简单,成本低,重量大,强度高,耐磨损,不易遭到破坏等特点;钢索由钢丝组成,具有结构复杂,成本高,易磨损腐蚀,不易存放的特点。而后,外国学者对聚酯纤维(聚酯纤维缆有三种张力成分 ),尼龙等材料进行研究,研制出了合成纤维绳,研究实验表面,合成纤维绳对于作为深海系泊材料是可行的。1997年,巴西石油公司首次在FPSOII上使用聚酯纤维,这个应用很大的减小锚链对船体的向下的拉力,有效提高系泊的恢复力。随后,更多的纤维绳系统得到应用。合成纤维绳具有重量小,减轻平台负担,不易磨损,使用寿命长,强度高等优点,能在恶劣的海洋环境中,承受上百年的考验。但它对安装,运输,环境具有较高的要求,不合理的运输会让它容易被挤压,磨损造成破坏,同时,海底泥沙也会对纤维绳造成极大的破坏,因而需要避免它与海底的接触。
由此可见,不管哪种缆绳,都有各自的有点和缺点,因此目前会倾向于由几段不同材料组成的复合缆。但由于是由几段不同再聊组成,本身弹性刚度的不连续性会造成非线性问题,因而研究新型复合缆的动力学特性,需要进一步研究。
有学者研究不同材料制造而成的系泊缆。Biting 经过研究得到一些成果:合成纤维缆的弹簧常数比准静态时的刚度要大上3倍甚至4倍。Russel 研究发现深水系泊缆有两种材料成分的系泊缆回复力。Michal等 学者发现弹性缆的应力应变关系:
 
其中: , 为平均断裂强度,T为张力,p,q位常数, 为缆绳长度。
Sakar和Eatock在 系泊浮体在随机的激励下的非线性响应进行了深入的研究。分析悬链系的动力学问题,系泊浮体的所自由度的运动。
 
2.基本理论及软件介绍
 2.1本次研究的基本理论:
系泊缆的浮力,重力,拖曳力等因素可能会对系泊缆的冲击张力造成影响,建立运动微分方程。系泊缆上的各个质点的速度我们可以表示为下面的表达式:
            (2-1)
缆绳一端固定,另一端受横向激励,描述平面动力学的非线性方程可以写成:
 
 (2-2)  (2-3)
其中u和v是水平和垂直分量的位移,s是拉格朗日坐标,To,T是静态和动态的紧张局势, 是流体密度,D是缆绳直径,A是横截面积, 和 是切向和正阻力系数,m是质量分布, 和 是附加质量,g是重力加速度,x(s)和y(s)定义系泊缆的初始静态轮廓。在这个模型中,缆绳上的流体阻力近似的假设下,它可以被分解成正向和切向分量,每个该方向的相对速度的函数。上述方程适用于拉紧系泊缆 。对于 ,在方程右边第一项(1)和(2)应设置为零 。
       如果采用线性应变-张力关系,张力缆绳的动态张力T由以下表达式给出:
 
是由于静张力引起的应变。所有拉紧力被假定为小的统一。
    方程(2-2)和(2-3)给出耦合控制方程的垂直面内运动和水平。简化可基于以下假设实现:
(a) 并且 <<1这些来自小凹陷的假设。
(b)拉紧电缆的动态张力T是时间的函数。这个假设是基于考虑的动态张力沿电缆传播的速度 ,虽然本文研究的横向运动传播沿电缆的速度 假定T与s无关是有效的。
(c)水平位移的梯度的动态位移是小的,因此 ,在以上假定中,方程(2-4)导致 。
 
    此方程的积分相对于x和数值分析, 导致
                    (2-7)
其中l是跨度。很明显从方程式(2),无论是对称或反对称相对于(4)和假设 现在垂直运动与水平运动分离。在此基础上,只有垂直运动将被认为在以下。
    对于一根系泊缆,初始静态配置文件可以由下面的抛物线[1]近似
                                 (2-8)
引入下面的归一化变量:
                (2-9)
代入方程式(4)和(5)到(2)式,并利用假设 我们有下列垂直运动的无量纲方程(简洁的符号,所有符号都省略)
    (2-10)
其中       
                (2-11)
在这种近似的方式,无论是对称或反对称相对于跨中。应用Galerkin的水平。关于以下n个方程:
     
                                                  (2-12)
其中
   (2-13)
上述方程可以看出,不同的模式的耦合效应可以通过非线性表示。
建立运动方程:
              
                                         (2-14)
可将i节点的方程写成:
  
                                          (2-15)
同时添加加速度 
其中             
                                         (2-16)       
而      
                                               (2-17)         
将(6)带入(5)并展开。得到   
                                                             (2-18)
因为具有相同加速度,
则i点运动方程
 
                                              (2-19)
因为只有产生横向加速度才会长生水质量。因此附连水质量所用的加速度矩阵为缆单元本身的加速度矢量在垂直缆单元上的分量
 
                                              (2-20)
因此,最终我们可以得到 
 
                                                         (2-21)
公式(2-18)就是系泊缆的运动方程。
 
 
 2.2 软件ANSYS的介绍:
ANSYS是一款大型的工程仿真软件,能够进行有限元分析。它是由美国ANSYS公司(全球最大的仿真软件公司)研究出来的,这款有限元分析软件是全球的使用率增长最快的软件。它能够与很多的辅助设计软件(如CAD,NASTRAN等)一起连接使用,它们的数据能够共享并且可以互相交换。它能够对磁场、力学、流体等许多方面进行有限元分析,在土木工程、铁道铁路、电子等很多方面得到广泛的应用。强大的功能,简单便捷的操作,使得ANSYS能称谓世界最流行的有限元分析软件,受到中国高校的普遍欢迎。
 
图2-1 ANSYS Workbench 16.0的用户界面
ANSYS的版本有很多,比如ANSYS12.0,ANSYS13.0等,此次我们用的是ANSYS 16.0。ANSYS16.0具有以下特点:1.能够实现电子设备的互联;2.仿真各种类型的结构材料;3简化复杂流体动力学工程问题;4.基于模型的系统和嵌入式软件开发。凭借其新功能的独特性,为产品研发过程中的优化提供了更加合理的解决方案。同时,ANSYS 16.0能够对结构静力和动力学、结构的非线性、动力学。热分析、电磁场、流体动力学、声场、压电等类型进行分析。ANSYS 16.0分析步骤分3步:1 .前处理模块;2 .分析计算模块;3 .后处理模块。前处理模块需要先建立实体模型,然后进行网格划分,再施加一定的载荷。后处理模块需要通过通用后处理器和时间历程后处理器来实现,可以对基本数据以及派生数据进行处理。
 
3仿真模型的建立
3.1半潜式钻井平台的简介
    我们此次运用的平台是半潜式钻井平台,它由四部分组成,分别是浮体、立柱、管道、甲板。它能够在3000米的水中进行作业。它用的是张紧式系泊系统,而我们需要研究的课题冲击张力在悬挂式系泊系统中无法产生,只能在张紧式系泊系统中的系泊缆上产生的,刚好符合我们的需求。
参数 主甲板长 主甲板宽 柱体高度 立柱高 立柱截面 立柱圆角半径 浮体长 浮体截面 圆角半径
数值 78.40 m 78.00 m 38.50 m 20.00 m 17.60 m
*18.00m 4.00m 110.40m 18.00 m
*10.00 m 1.50 m
半潜式钻井平台参数如下:
表一.半潜式钻井平台参数设置
 
3.2建立半潜式钻井平台模型
    打开ANSYS Workbench,在Toolbox中选择分析系统中的Hydrodynamic Diffraction系统,得到图3-1。
 
   双击Geometry,进入半潜式钻井平台建模界面。在左侧的结构树中选择XYPlane,并点击工作栏中的New Sketch按钮,在树结构中的Sketching中选择直线,矩形等进行2D绘图,并选择Dimendions中的General进行尺寸标注,以便修改尺寸。
分别对平台的主甲板、立柱、浮体、管道进行草图绘制。
 
    单击工具栏中的Extrude,创建浮体、立柱、主甲板的Extrude对象。对Detail View细节窗口中选择相应的Sketch草图,并将Depth设置需要的高度,点击Generate,分别得到浮体、立柱、主甲板的3D模型。点击菜单栏中的Concept,选择cross section中的Cirular Tube,在细节蓝中选择管道草图中的4根线,并设置管道半径。再次点击菜单栏中的Concept,选择Line From Sketches,在细节栏中选择Cirular Tube。点击Apply,完成管道的建模。点击工具栏中的Slice,选择平面,切割成两部分,一部分作为水上部分,另外一部分作为水下部分。然后在左侧树结构中的Part Body,选择所有结构右键选择From New Part,让它变成一个整体。图3-7 平台就是我们需要的半潜式钻井平台的3D模型。
 
图3-7 平台的3D模型
    建完模型之后,单击Design Modeler界面右上角的关闭按钮,回到Workbench主界面,同时将Hydrodynamic Response拖到Hydrodynamic Diffraction中,将两者构建在一起,如图3-8所示。
 
图3-8 design Modeler界面
3.3进行网格划分完成有限元模型的建立
    设置相应的参数,完成模型网格的划分。如图3-7所示为半潜式钻井平台的网格的划分结构。
 
图3-8 平台网格的划分
3.4系泊缆模型的建立
点击结构树Geometry,在细节栏中设置水深为1500米。
 
图3-9 平台工作水深的设置
 
    点击Part6,右键,选择Add,再选择Point Mass。在细节栏中设置回转半径Kxx为28.5米,Kyy为30米,Kzz为31.1米。
 
图3-10 平台回转半径的参数设置
 
点击Part6,右键选择Add中的Connection Point,在细节栏中设置连接点的坐标,需确保连接点的位置在平台的立柱上。需要8根系泊缆,因此需要设置8个连接点。
 
表3-2. 连接点坐标
连接点 1 2 3 4 5 6 7 8
x 33.2 m 27.2 m -27.2 m -33.2 m -33.2 m -27.2 m 27.2 m 33.2 m
y 39.2 m 39.2 m 39.2 m 39.2 m -39.2 m -39.2 m -39.2 m -39.2 m
z -2.5 m -2.5 m -2.5 m -2.5 m -2.5 m -2.5 m -2.5 m -2.5 m
 
 
图3-11 连接点的坐标参数设置
    点击结构树Geometry,右键,选择Add中的Fixed Point,在细节栏中设置固定点的坐标,因为有8根系泊缆,对应的需要设置8个固定点。图3-11位平台的坐标系,图3-12为系泊缆的分布,其中,同一立柱上两根系泊缆的夹角 为22.5度。系泊缆水平角度为45度,系泊缆的张力夹角为45度。由此来计算固定点水平面上的坐标。经计算,得出的坐标列入表三中。
 
图3-12 平台坐标系
 
图3-13 系泊缆编号及布置
表三 固定点的坐标
1 2 3 4 5 6 7 8
X 1550m 950m -950m -1350m -1550m -950m 950m 1550m
Y 950m 1550m 1550m 950m -950m -1550m -1550m -950m
Z -1500m -1500m -1500m -1500m -1500m -1500m -1500m -1500m
 
 
图3-14固定点的参数坐标设置
    右键点击结构树中Connections中Insert Connection中的Cable,构建系泊缆。在细节栏中,Connectivity,需要选择Fixed Point & Structure(固定点与结构),在Start Fixed Point和End Connection Point选择合适的连接点和固定点,在Type栏中,选择Non-Linear Catenary(非线性链)。由于我们选择的系泊缆是由钢链和聚酯缆做成的合成缆,两端为钢链,中间为聚酯缆。经查的资料,我们选择钢链的长度为300米,聚酯缆的长路1521米。在细节栏的Catenary Section Selection栏中进行长度设置,Catenary Section 1指的是钢链,Catenary Section 2指的是聚酯缆。设置如图3-14和3-15,完成系泊缆模型的建立。
 
图3-15 系泊缆的参数设置(1)
 
图3-16系泊缆参数设置(2)
 
同时,对环境因素进行设置。
表四. 平台环境因素的设置
水深 1500米
 
波浪 谱名称 JONSWAP
有义波高(Hs) 1.55米
周期(Tp) 1.05rad/s
 
谱名称 API
风速 15m/s
 
表面流速 2.05m/s
水下100米 2.05m/s
水下300米 1.93m/s
水下500米 1.80m/s
水下700米 1.70m/s
水下900米 1.61m/s
水下1100米 1.56m/s
 
在结构树的Solution中,我们可以选择想要的进行分析,得出想要的结果。
 
图3-17 最终模型
    颜色较淡的平面是表示海平面,下方较深的面表示深海海底,图中海平面与海底之间的斜线为系泊缆和海平面上的点为半潜式钻井平台。
 
 
4.冲击张力的分析研究
4.1产生的条件
    系泊缆冲击张力的产生是由于系泊缆有松弛状态变成张静状态时产生的。我们可以通过对系泊缆上面的点的激励增幅的改变来模拟系泊缆从松弛状态变成张紧状态。
4.2研究对冲击张力造成影响的因素
研究过程中引入动力放大系数a。动力放大系数指的是缆绳最大动态的张力与静态时张力的比值。
(1)影响因素——质量
设置相关参数:激励幅值的大小设置2.5米,频率参数大小设置为1rad/s,横向阻尼设置为1.25,纵向阻尼设置为0.025。增加缆绳的质量大小的时候保持其他参数不改变,只改变缆绳质量的大小。设置的缆绳的质量参数分别为20、40、60、80、100、120、140、160(单位都是kg)分析得出结果如下。
表4-1 质量影响的数据结果
质量(kg) 20 40 60 80 100 120 140 160
动态最大张力(E+06N) 8.567 7.966 7.149 5.639 5.024 5.669 6.218 7.739
静态张力(E+06N) 2.380 1.875 1.431 1.190 1.429 2.060 2.828 3.638
动力放大系数 3.600 4.248 4.993 3.945 3.515 2.766 2.200 2.12
 
如图所示,当质量为20kg和40kg时,冲击张力的出现不明显。同时随着质量的增加,最大动态张力不断减小,但是到当质量增加到60kg以后,最大动态张力会随着质量的变大而变大。我们可以发现当质量小于一定值的时候并不会出现冲击张力。
(2)影响因素——激励幅值
设置相关参数:频率参数设置为1rad/s,缆绳质量设置为110千克,横向阻尼设置为1.25,纵向阻尼设置为0.025。增加激励幅值大小的时候保持其他参数不改变,只改变幅值的大小。本次分析我们改变的幅值的范围为1.5米至5米,通过研究动态最大张力来分析。
 
表4-2. 激励幅值影响下的数据结果
激励幅值(m) 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
动态最大张力(E+06N) 4.058 4.684 5.145 5.785 6.261 6.762 7.275 8.280
静态张力(E+06N) 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5
 
改变幅值的大小,并不会对缆绳的静态张力的大小产生任何的影响。但是会对最大动态张力产生影响。同时随着幅值的变大,动态最大张力也会慢慢变大,呈现出一种非线性关系。同时当幅值小于0.5的时候,正弦曲线和圆滑,并没有出现冲击张力。只有当激励幅值大于一定值的时候它才会产生冲击张力。并且冲击张力会随着激励增幅的增大而增大。
(3)影响因素——拖曳阻力系数
拖曳力系数有两种,一种是横向的,另外一种是纵向的。
我们先分析横向所造成的影响:
设置相关参数:激励幅值的参数大小设置为2.5米,频率参数大小设置为1rad/s,缆绳质量大小设置为110千克,纵向阻尼设置为1。改变横向阻尼大小的时候保持其他参数不改变,只改变横向阻尼的大小。
表4-3横向阻尼影响下的数据结果
  0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
动态最大张力(E+06N) 5.528 5.381 5.155 5.242 5.325 5.380 5.384 5.579
静态张力(E+06N) 1.785 1.732 1.715 1.736 1.793 1.879 1.992 2.125
动力放大系数 3.095 3.106 3.004 3.018 2.970 2.862 2.702 2.625
 
    由图中可看出,最大动态张力随着横向阻尼的增大呈现出先减小后增大的变化。而动力放大系数总的来说大致是随着阻尼的增大而减小。
然后再分析纵向阻尼造成的影响:
设置相关参数:激励幅值的参数大小设置为2.5米,频率参数大小设置为1rad/s,缆绳质量大小设置为110千克,横向阻尼设置为1.25。改变纵向阻尼大小的时候保持其他参数不改变,只改变纵向阻尼的大小。
表4-4.纵向阻尼影响下的数据结果
Cx 0.02 0.06 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3
动态最大张力(E+06N) 5.150 5.143 5.146 5.154 5.164 5176 5.188 5.200
静态张力(E+06N) 1.715 1.725 1.736 1.746 1.757 1.767 1.778 1.788
动力放大系数 3.002 2.982 2.962 2.951 2.925 2.915 2.911 2.901
                             
由图中可以看出最大动态张力随着纵向阻尼的增大先减小后增大。而动力放大系数随着纵向阻尼的增大一直减小,和横向阻尼呈现的趋势大体一致。
由此可以看出阻尼对动力放大系数具有抑制作用。
(4)影响因素——频率
设置相关参数:激励幅值的参数大小设置为2.5米,缆绳质量大小设置为110千克,横向阻尼设置为1.25,纵向阻尼大小设置为0.025。改变频率大小的时候保持其他参数不改变,只改变频率的大小。大小为0.2-1.6,每次增加0.2.
表4-5频率影响下的数据结果
激励频率(rad/s) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1..4 1.6
动态最大张力(E+06N) 2.550 4.044 4.244 4.892 5.145 6.462 6.860 7.275
静态张力(E+06N) 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5 1716.5
 
从表中可以看出,改变频率的大小并不会对静态张力的大小产生影响,但是会对动态张力的大小产生影响。从图中可以看出,当频率大小小于一定值的时候,并不会产生冲击张力。只有当频率达到一定值的时候才能产生冲击张力。同时随着频率的增大,动态最大张力也会随着变大。由此我们可以得出最大动态张力会随着频率的增大而增大。
(5)影响因素——弹性模量
弹性模量与缆绳横截面积的乘积等于线性刚度,因此不改变缆绳横截面积的情况下,改变线性刚度的大小可以看做等同于改变弹性模量。设置相关参数:激励幅值的参数大小设置为2.5米,频率参数设置为1rad/s,缆绳质量大小设置为110千克,横向阻尼设置为1.25,纵向阻尼大小设置为0.025。
表4-6弹性模量影响下的数据结果
弹性模量(E+11 N/m2) 2 2.5 3 4 4.5 5 6 6.5
动态最大张力(E+06N) 4.254 4.435 4.627 5.155 5.731 6.218 6.384 6.687
静态张力(E+06N) 1700.5 1708.2 1712.9 1715.9 1718.1 1719.7 1720.9 1721.9
 
图4-15弹性模量与最大动态张力曲线
改变弹性模量的大小会对最大动态张力以及静态张力都会造成影响。随着弹性模量的增大,最大动态张力呈现非线性增加,我们可以得出,系泊缆的最大动态张力会随着弹性模量的增大而增大。
4.3 小结
本章我们研究了最系泊缆最大动态张力以及冲击张力的影响因素,得出系泊缆质量、激励幅值、拖曳阻尼系数、频率、弹性模量都会有影响。
5.结论和展望
5.1总结
通过ANSYS建立仿真模型,用AQWA GS来分析对系泊缆动态张力以及冲击张力可能会造成影响的因素进行分析。结果发现
(1)当质量小于一定值的时候并不会出现冲击张力。
(2)当激励增幅小于一定值是不会产生冲击张力,只有当激励幅值大于一定值的时候它才会产生冲击张力,并且冲击张力会随着激励增幅的增大而增大。
(3)阻尼对动力放大系数具有抑制作用。
   (4)当频率大小小于一定值的时候,并不会产生冲击张力。只有当频率达到一定值的时候才能产生冲击张力。同时随着频率的增大,动态最大张力也会随着变大。由此我们可以得出最大动态张力会随着频率的增大而增大。
(5)系泊缆的最大动态张力会随着弹性模量的增大而增大。
5.2展望
    本文只是初步研究,并没有深入研究,许多地方需要完善,如需要对合成纤维缆的非线性需要深入研究,当然还有其他一些地方也需要后来者的不断完善。
 
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