浮标的总体设计基本完成，且保证其在海浪中的垂 荡、纵摇和横摇共振周期满足要求（２．５—３ ｓ）。其后运
动特性计算中输出的响应曲线也证实了这一点。
图１深水浮标几何模型
１．１．１运动响应模拟计算
在线性假设条件下。浮体的运动幅值与规则波 的波幅成正比。模拟浮标在７个不同浪向、不同频 率条件下的运动，通过其运动响应输出，考察浮标在 垂荡和纵、横摇等主要运动中的幅值变化及其随波 运动的特性。 浮标的横摇、纵摇和垂荡是在回复力的作用下
第２３卷第６期（总第１３８期） ２０１２年１２月
船
舶
Ｖ０１．２３
Ｎｏ．６
ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０１２
［船舶舾装／特种装置］
深水作业浮标系泊系统研究与设计
王小波
韩端锋
刘
峰
韩海辉
（哈尔滨工程大学船舶工程学院
哈尔滨１５０００１）
［摘要】以工作在我国南海海域、工作水深为５００ ｍ的深水浮标为研究对象。采用理论分析和数值计算的研究方法．对 其系泊系统进行了研究设计，在满足相关要求的前提下对浮标外形进行总体设计．并对浮标的水动力系数及波浪载荷展开研 究，根据浮标的水动力性能，利用锚泊分析软件对浮标作业状态进行数值模拟分析，最后根据ＡＰＩ规范对系泊链进行强度校 核，经过优化设计研究出一套稳定可靠的系泊系统。 ［关键词］海洋浮标；水动力载荷计算；系泊系统；设计分析 ［中图分类号］Ｕ６６４．５ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１００１—９８５５（２０１２）０６－００６１－０５
标的工作范围：第４组与第２组伸出长度相同，但第 一段长度不同，于是第二段的长度比第２组要长，因 此位移自然会增加。而若是过短，则不太合理。浮标 工作水深是５００ ｍ。因此作者认为５５０ ｍ的伸出长 度已很短．再短的话．浮标的系泊链就呈现张紧状
２
２０
３ ４
４００ ３００
２０ ２０
３００ ３００
１５ ２０
编号
１ Ｌｌ／ｍ ４００ ４００ Ｄｌ／ｒａｍ ２０ Ｌ２／ｍ ４００ ３００ ０５／ｍｍ ２０ ２０
与第２组第一段链长相同，但第二段伸出比第２组
要长。因此位移会大一些：第３组位移较大是因为其 第二段直径的减少。使得第二段锚链的强度韧性降 低，不能很好的限制住浮标，也就不能很好的控制浮
伸出长度，ｍ
６００ ５５０
５５０
态，将有悖于开始预定的系泊方式。
５５０ ６００
（２）受力上看，各组水平张力相近。根据预定的 系泊方式．系泊线的第二段呈现一定的悬垂状态，水 平上基本受力很小，因此水平张力较为接近。而竖
５
４００
２０
３００
２０
表３中：￡。表示第一段链长，￡２表示第二段链
由表２结果知。静力计算后无论是位移还是受
力较初始状态均有所增加．其中沿浪向的位移增幅 尤其明显。而时域分析后各值较静力平衡后也都有
不同程度的增加，除垂直浪向的位移外其余各量增
幅不大。 ２．３优化设计分析
对于系泊系统来讲，在强度满足要求的情况下
６３
万方数据
第２３卷第６期（总第１３８期）
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６２
（２）
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式中：乃为浮体自由横摇固有周期；ｎｊ为浮体 自由横摇固有频率；占为惯性矩；Ｄ易为附加惯性
频率／（ｒ・８‘‘） 图２浮标垂荡响应
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１深水浮标的水动力分析
１．１水动力计算模型及水动力特性分析 根据本文设计的浮标尺度。建立其三维模型并
矩；Ｄ为排水量；ｈ为横稳心高［４］。 将各值代入公式中，可得浮标横摇固有周期约 为１．８ Ｓ。由对称性可知横摇、纵摇固有周期相同。 同理可由下式算得浮标的垂荡固有周期：
万方数据
王小波．等：深水作业浮标系泊系统研究与设计 ¨ ＝宝 ¨ 他
。
置的研究，根据南海海况并考虑到对浮标随波特性 的要求，确定此深水浮标的系泊方式为Ｓ型单点单 链系泊，模拟状态如图４。
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＋ｏｏ ＋３００ ＋６００ －－ｍ－９０＊ ＋１２００ ＋１５０９ 一１８００
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ｏｏ
２ ４
约为３．１４ ｓ，也就是说在波浪周期大于３ ｓ时，浮标 能更好随波运动，从而直接反应波浪运动。同理在
这根系泊线由两段组成。根据浮标的工作水深
及作业海况。选定系泊链的参数如下：在海底与锚 连接的一段为第一段，选为钢缆，缆长４００ ｍ、直径
２０
ｍｍ；第二段为锚链，与导缆孔相连接，链长４００
ｍｉｌｌｏ
ｍ、
６
频率／（ｒ・８－。） 图３浮标纵播响应
从垂荡响应曲线中可以看到。共振时的周期约 为２．０３ ｓ，符合最初浮标设计时的横纵摇周期要求．
图４系泊线静态示意图
这也正面验证了浮标的总体设计；另一方面。浮标随 海浪一起运动的一段过程中（即垂荡无因次幅值为 １时），波浪频率最大值约为２ ｒ／ｓ，对应的波浪周期
时域分析后
３９．２ ７．５７２
２深水浮标系泊系统设计
２．１锚泊布置方式 根据相关参考资料。目前浮标主要采用单点单
位移／ｍ 垂直浪向 锚 受力／ｌ【Ｎ 导缆孔
１１．４２
链Ｓ型顺应式锚泊系统和单点张紧式锚泊系统。前
者主要适用于深水、恶劣的海洋环境条件，整个锚泊 系统包括上端顺应式锚泊线，悬浮浮子，底端张紧式 锚泊线，海底重力基础锚组成；后者主要适用于海况 较为温和的海域。具有系泊浮标水平运动范围小的 特点，整个锚泊系统由张力弹簧，张紧式锚泊线，海 底重力基础锚组成。 利用锚泊分析软件Ａｒｉａｎｅ７对浮标进行锚泊布
ｄｅｓｉｇｎ．
ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ
海洋浮标的系泊系统，是用锚与系泊链把浮标
０
引
言
牢固可靠系留在所布放的海区锚位点上，保证其不 倾翻、不走锚、不断链和不跑标。对深水海洋浮标，
海洋环境资料浮标（简称“海洋浮标”）是一个无 人的自动海洋观测站，其工作范围一般限定在某个 海域．随波起伏，如同航道两旁的航标。它能在恶劣 环境下长期、连续、全天候工作，每日定时测量并且 发报多种水文气象要素。根据外形可分为圆盘形、 柱形、船形和球形等，本文针对最常见的圆盘形浮标 进行研究。
［作者简介】王小波（１９８６一），男．蒙古族，硕士，主要从事船舶与海洋工程水动力研究。 韩端锋（１９６６一），男，汉族，博士，博士生导师，教授，主要从事船舶与海洋工程模拟仿真系统研究、数字化造船技术和总体设
计技术与方法研究。
刘峰（１９８２一），男．汉族。博士，主要从事载人潜水器总体设计与系统集成、潜水器设计理论与优化方法等研究。 韩海辉（１９８６一），男，汉族。硕士．主要从事船舶水动力性能及水动力数值计算研究。 ６１
ｏｎ
１５０００１，Ｃｈｉｎａ） ａｎｄ
ａｓ
ｔｈｅ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｂｕｏｙ ｗｈｉｃｈ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ５００ ｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ， ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｏｏｒｉｎｇ
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ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ
船Leabharlann 舶Ｖ０１．２３Ｎｏ．６
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应该存在一组最优方案。因此有必要对初步设计进 行优化，即多做几组设计以进行比较分析，从而得
有效地限制了浮标工作时的移动范围；其余各组过 长或过短都将导致位移的增加。分析如下：第ｌ组
到最优方案。优化分析时主要依据时域分析的计算
结果。 先从作业工况人手，各组的参数见表３。 表３各组系泊链参数对比
进行表面网格划分，见图１。由于研究对象形状较规 则．因此可采用混合网格法划分表面网格。最后共
划分出节点ｌ ３０９个，面元１ ９８６个。其中侧面用四 边形的面元，底面用三角形面元。
华生：２ｐ 心
。
（３）
式中：瓦为浮体自由升沉固有周期；心为浮体自
由升沉固有频率；Ｄ为浮体的排水量；ｇ为重力加 速度；ｊ口为升沉运动的附加质量；ｙ为水的重度，且 有７＝１０・ｇ；Ｓ。为载重水线面积，且３．＝Ｃ＝ＬＢ，其中Ｑ 为水线面系数［４】。 由此可得浮标的垂荡固有周期约为２．０１ ｓ。至此，
为降低整个浮标重心、提高浮标的静稳性，浮标 在龙骨基线处配置压载重块。根据具体海况，要求浮
标在波浪中的垂荡、纵摇和横摇共振周期为２．５—３ 避开海浪主能量频率。使浮标表现出良好的随浪运
ｓ，
动特性。为满足上述要求，设定浮标为圆盘型，主体 部分直径２．８ ｍ、厚０．８ ｍ；压载部分直径１．１７ ｍ、厚 度０．５ ｍ；浮标工作吃水０．９ ｍ，排水量３．０５６ ｔ。静水 中浮标的水线面在主体的中间截面上。 裹１浮标形状及质量分布
ｔｏ
ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｓ ｗｅｌｌ
ｔｈｅ ｂｕｏｙ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｏｏｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍｏｏｒｉｎｇ ｌｉｎｅ ｉｓ ｃｈｅｃｋｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＡＰＩ ｒｕｌｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ ｂｕｏｙ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｍｏｏｒｉｎｇ