孫曄+武文華+樊哲良+岳前進

摘要： 針對難以直接測量FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)受力的問題，在對軟剛臂系泊系統(tǒng)運動特性進行分析的基礎(chǔ)上，提出基于姿態(tài)響應的系泊力間接測量方案，通過測量系統(tǒng)角度變化計算系泊力.用Adams建立系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，將通過角度變化計算得到的系泊力與仿真得到的系泊力進行對比，兩者吻合較好，驗證設(shè)計方案的正確性.通過在FPSO現(xiàn)場的實施證明測量方案的可行性.

關(guān)鍵詞： 軟剛臂系泊系統(tǒng)； 系泊力測量； 虛擬樣機； 現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號： TU392.5文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that it is difficult to measure the FPSO mooring force with soft yoke mooring system directly， the kinetic characteristics of the soft yoke mooring system is analyzed， and an indirect mooring force measurement scheme is proposed on the basis of attitude response， which can calculate the mooring force by measuring the angle change of the system. The virtual prototype of the mooring system is built by Adams， and the comparison of mooring forces calculated by angle change with the simulation results indicates that they fit well， which verifies that the design scheme is correct. The feasibility of the measuring scheme is proved by the FPSO scene application.

Key words： soft yoke mooring system； mooring force measuring； virtual prototype； scene monitoring

0引言

隨著科技的發(fā)展，對浮式平臺進行現(xiàn)場監(jiān)測并獲得真實的載荷和響應，以驗證設(shè)計、保障生產(chǎn)安全已經(jīng)成為海洋工程的重要發(fā)展方向之一.[1]系泊系統(tǒng)是浮式平臺的關(guān)鍵設(shè)施，對系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測是浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的核心.BROWN等[2]對北海浮式平臺的系泊系統(tǒng)進行深入的現(xiàn)場監(jiān)測和檢驗，劉超等[3]設(shè)計浮式平臺懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊力的測量方案，通過間接測量計算浮式平臺系泊力.對于渤海FPSO廣泛使用的軟剛臂系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測卻鮮有研究.對于在役的浮式平臺，埋設(shè)傳統(tǒng)的測力傳感器直接測量系泊力是不可行的；而基于應變的測量方法，由于結(jié)構(gòu)龐大復雜，測點的選擇比較困難，加之海上環(huán)境惡劣，應變測量的長期性難以保證.[4]因此，針對特定結(jié)構(gòu)設(shè)計可行的系泊力測量方案成為浮式平臺監(jiān)測的難點.通過對軟剛臂運動特性分析，提出基于姿態(tài)響應的軟剛臂系泊力間接測量方案.在海洋平臺上的測量工程大、成本高，因此設(shè)計的方案需經(jīng)過大量試驗驗證后才能實施.傳統(tǒng)的試驗驗證周期長、成本高，且很難避免比尺效應的影響.目前，對浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的試驗驗證研究很少，苑雙雙[5]通過6自由度平臺模擬浮體運動驗證浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計的正確性.

虛擬樣機技術(shù)采用計算機仿真和虛擬技術(shù)，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真和分析.虛擬樣機建立在計算機上的原型系統(tǒng)，在一定程度上具有與物理樣機相同的功能，可以代替物理樣機進行虛擬實驗，節(jié)省時間和成本.高清冉等[6]通過虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)對機床設(shè)計方案的驗證，湯曉燕等[7]基于虛擬樣機設(shè)計深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng).針對設(shè)計的系泊力測量方案，本文應用Adams建立軟剛臂系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，通過分析驗證設(shè)計的正確性，通過現(xiàn)場試驗證明該方案在實際應用中有很好的效果.

該系統(tǒng)主要由系泊構(gòu)架、系泊腿、壓載艙和系泊剛臂等組成.軟剛臂右端通過鉸接頭與單點小平臺上部旋轉(zhuǎn)部分相連，使船體在環(huán)境載荷作用下具有風標效應，時刻處于合外力最小位置；同時，鉸接頭包括pitch和roll等2個方向轉(zhuǎn)軸，能夠釋放船體的升沉和橫縱搖運動約束.軟剛臂另一端為壓載艙，其為船體運動提供回復力，當船體離開平衡位置朝向或者遠離平臺運動時，壓載艙能夠通過重力將船體恢復到平衡位置.系泊腿兩端通過鉸接點將船體與軟剛臂連接在一起，形成一套完整的系泊體系.

4結(jié)論

通過設(shè)計、驗證以及在現(xiàn)場實施浮式平臺系泊力間接測量方案，得到以下結(jié)論：

（1）雖然基于二維的理論分析存在一定的簡化，但由于單點系泊FPSO風標效應良好，船體的橫向運動并不顯著，設(shè)計監(jiān)測方案計算的系泊力與仿真的結(jié)果吻合得較好，在較惡劣的海況下誤差也能控制在10%以內(nèi).

（2）現(xiàn)場應用表明，傾角傳感器具有穩(wěn)定、便宜和精度好等優(yōu)點，通過測量角度變化計算系泊力的設(shè)計方案具有很好的實用性，該方案能較好地解決FPSO系泊力測量的難題.

（3）將虛擬樣機與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，通過仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較，能對現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行評價，為平臺的安全運行提供建議.

參考文獻：

[1]van den BOOM H， KONING J， AALBERTS P. Offshore monitoring； real world data for design， engineering and operation[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[2]BROWN M G， HALL T D， MARR D G， et al. Floating production mooring integrity JIPKey findings[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[3]劉超. 深水浮式平臺原型測量與分析[D]. 大連： 大連理工大學， 2012.

[4]李愛群， 周廣東. 光纖Bragg光柵傳感器測試技術(shù)研究進展與展望（I）： 應變、溫度測試[J]. 東南大學學報， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑雙雙. 浮式海洋平臺原型測量與監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[6]高清冉， 孫海燕， 李海紅， 等. 基于虛擬樣機的機床設(shè)計與仿真研究[J]. 機械設(shè)計， 2009， 26（7）： 1618.

[7]湯曉燕， 劉少軍， 云忠. 基于虛擬樣機技術(shù)的深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng)設(shè)計[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 楊建民， 肖龍飛. FPSO軟剛臂單點系泊系統(tǒng)動力分析[J]. 中國造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陳立平， 張云清， 任衛(wèi)群， 等. 機械系統(tǒng)動力學分析及Adams應用教程[M]. 2版. 北京： 清華大學出版社， 2006： 2429.

[10]Soft yoke design load report， BZ 282S[R]. Monaco： SBM， 2004.

[11]安維杰， 范模. 海洋石油工程設(shè)計指南（第9冊）： FPSO與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2007： 9293.

[12]楊建明， 肖龍飛， 盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海： 上海交通大學出版社， 2007： 8687.（編輯武曉英）

摘要： 針對難以直接測量FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)受力的問題，在對軟剛臂系泊系統(tǒng)運動特性進行分析的基礎(chǔ)上，提出基于姿態(tài)響應的系泊力間接測量方案，通過測量系統(tǒng)角度變化計算系泊力.用Adams建立系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，將通過角度變化計算得到的系泊力與仿真得到的系泊力進行對比，兩者吻合較好，驗證設(shè)計方案的正確性.通過在FPSO現(xiàn)場的實施證明測量方案的可行性.

關(guān)鍵詞： 軟剛臂系泊系統(tǒng)； 系泊力測量； 虛擬樣機； 現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號： TU392.5文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that it is difficult to measure the FPSO mooring force with soft yoke mooring system directly， the kinetic characteristics of the soft yoke mooring system is analyzed， and an indirect mooring force measurement scheme is proposed on the basis of attitude response， which can calculate the mooring force by measuring the angle change of the system. The virtual prototype of the mooring system is built by Adams， and the comparison of mooring forces calculated by angle change with the simulation results indicates that they fit well， which verifies that the design scheme is correct. The feasibility of the measuring scheme is proved by the FPSO scene application.

Key words： soft yoke mooring system； mooring force measuring； virtual prototype； scene monitoring

0引言

隨著科技的發(fā)展，對浮式平臺進行現(xiàn)場監(jiān)測并獲得真實的載荷和響應，以驗證設(shè)計、保障生產(chǎn)安全已經(jīng)成為海洋工程的重要發(fā)展方向之一.[1]系泊系統(tǒng)是浮式平臺的關(guān)鍵設(shè)施，對系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測是浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的核心.BROWN等[2]對北海浮式平臺的系泊系統(tǒng)進行深入的現(xiàn)場監(jiān)測和檢驗，劉超等[3]設(shè)計浮式平臺懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊力的測量方案，通過間接測量計算浮式平臺系泊力.對于渤海FPSO廣泛使用的軟剛臂系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測卻鮮有研究.對于在役的浮式平臺，埋設(shè)傳統(tǒng)的測力傳感器直接測量系泊力是不可行的；而基于應變的測量方法，由于結(jié)構(gòu)龐大復雜，測點的選擇比較困難，加之海上環(huán)境惡劣，應變測量的長期性難以保證.[4]因此，針對特定結(jié)構(gòu)設(shè)計可行的系泊力測量方案成為浮式平臺監(jiān)測的難點.通過對軟剛臂運動特性分析，提出基于姿態(tài)響應的軟剛臂系泊力間接測量方案.在海洋平臺上的測量工程大、成本高，因此設(shè)計的方案需經(jīng)過大量試驗驗證后才能實施.傳統(tǒng)的試驗驗證周期長、成本高，且很難避免比尺效應的影響.目前，對浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的試驗驗證研究很少，苑雙雙[5]通過6自由度平臺模擬浮體運動驗證浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計的正確性.

虛擬樣機技術(shù)采用計算機仿真和虛擬技術(shù)，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真和分析.虛擬樣機建立在計算機上的原型系統(tǒng)，在一定程度上具有與物理樣機相同的功能，可以代替物理樣機進行虛擬實驗，節(jié)省時間和成本.高清冉等[6]通過虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)對機床設(shè)計方案的驗證，湯曉燕等[7]基于虛擬樣機設(shè)計深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng).針對設(shè)計的系泊力測量方案，本文應用Adams建立軟剛臂系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，通過分析驗證設(shè)計的正確性，通過現(xiàn)場試驗證明該方案在實際應用中有很好的效果.

該系統(tǒng)主要由系泊構(gòu)架、系泊腿、壓載艙和系泊剛臂等組成.軟剛臂右端通過鉸接頭與單點小平臺上部旋轉(zhuǎn)部分相連，使船體在環(huán)境載荷作用下具有風標效應，時刻處于合外力最小位置；同時，鉸接頭包括pitch和roll等2個方向轉(zhuǎn)軸，能夠釋放船體的升沉和橫縱搖運動約束.軟剛臂另一端為壓載艙，其為船體運動提供回復力，當船體離開平衡位置朝向或者遠離平臺運動時，壓載艙能夠通過重力將船體恢復到平衡位置.系泊腿兩端通過鉸接點將船體與軟剛臂連接在一起，形成一套完整的系泊體系.

4結(jié)論

通過設(shè)計、驗證以及在現(xiàn)場實施浮式平臺系泊力間接測量方案，得到以下結(jié)論：

（1）雖然基于二維的理論分析存在一定的簡化，但由于單點系泊FPSO風標效應良好，船體的橫向運動并不顯著，設(shè)計監(jiān)測方案計算的系泊力與仿真的結(jié)果吻合得較好，在較惡劣的海況下誤差也能控制在10%以內(nèi).

（2）現(xiàn)場應用表明，傾角傳感器具有穩(wěn)定、便宜和精度好等優(yōu)點，通過測量角度變化計算系泊力的設(shè)計方案具有很好的實用性，該方案能較好地解決FPSO系泊力測量的難題.

（3）將虛擬樣機與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，通過仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較，能對現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行評價，為平臺的安全運行提供建議.

參考文獻：

[1]van den BOOM H， KONING J， AALBERTS P. Offshore monitoring； real world data for design， engineering and operation[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[2]BROWN M G， HALL T D， MARR D G， et al. Floating production mooring integrity JIPKey findings[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[3]劉超. 深水浮式平臺原型測量與分析[D]. 大連： 大連理工大學， 2012.

[4]李愛群， 周廣東. 光纖Bragg光柵傳感器測試技術(shù)研究進展與展望（I）： 應變、溫度測試[J]. 東南大學學報， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑雙雙. 浮式海洋平臺原型測量與監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[6]高清冉， 孫海燕， 李海紅， 等. 基于虛擬樣機的機床設(shè)計與仿真研究[J]. 機械設(shè)計， 2009， 26（7）： 1618.

[7]湯曉燕， 劉少軍， 云忠. 基于虛擬樣機技術(shù)的深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng)設(shè)計[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 楊建民， 肖龍飛. FPSO軟剛臂單點系泊系統(tǒng)動力分析[J]. 中國造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陳立平， 張云清， 任衛(wèi)群， 等. 機械系統(tǒng)動力學分析及Adams應用教程[M]. 2版. 北京： 清華大學出版社， 2006： 2429.

[10]Soft yoke design load report， BZ 282S[R]. Monaco： SBM， 2004.

[11]安維杰， 范模. 海洋石油工程設(shè)計指南（第9冊）： FPSO與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2007： 9293.

[12]楊建明， 肖龍飛， 盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海： 上海交通大學出版社， 2007： 8687.（編輯武曉英）

摘要： 針對難以直接測量FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)受力的問題，在對軟剛臂系泊系統(tǒng)運動特性進行分析的基礎(chǔ)上，提出基于姿態(tài)響應的系泊力間接測量方案，通過測量系統(tǒng)角度變化計算系泊力.用Adams建立系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，將通過角度變化計算得到的系泊力與仿真得到的系泊力進行對比，兩者吻合較好，驗證設(shè)計方案的正確性.通過在FPSO現(xiàn)場的實施證明測量方案的可行性.

關(guān)鍵詞： 軟剛臂系泊系統(tǒng)； 系泊力測量； 虛擬樣機； 現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號： TU392.5文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that it is difficult to measure the FPSO mooring force with soft yoke mooring system directly， the kinetic characteristics of the soft yoke mooring system is analyzed， and an indirect mooring force measurement scheme is proposed on the basis of attitude response， which can calculate the mooring force by measuring the angle change of the system. The virtual prototype of the mooring system is built by Adams， and the comparison of mooring forces calculated by angle change with the simulation results indicates that they fit well， which verifies that the design scheme is correct. The feasibility of the measuring scheme is proved by the FPSO scene application.

Key words： soft yoke mooring system； mooring force measuring； virtual prototype； scene monitoring

0引言

隨著科技的發(fā)展，對浮式平臺進行現(xiàn)場監(jiān)測并獲得真實的載荷和響應，以驗證設(shè)計、保障生產(chǎn)安全已經(jīng)成為海洋工程的重要發(fā)展方向之一.[1]系泊系統(tǒng)是浮式平臺的關(guān)鍵設(shè)施，對系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測是浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的核心.BROWN等[2]對北海浮式平臺的系泊系統(tǒng)進行深入的現(xiàn)場監(jiān)測和檢驗，劉超等[3]設(shè)計浮式平臺懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊力的測量方案，通過間接測量計算浮式平臺系泊力.對于渤海FPSO廣泛使用的軟剛臂系泊系統(tǒng)的受力監(jiān)測卻鮮有研究.對于在役的浮式平臺，埋設(shè)傳統(tǒng)的測力傳感器直接測量系泊力是不可行的；而基于應變的測量方法，由于結(jié)構(gòu)龐大復雜，測點的選擇比較困難，加之海上環(huán)境惡劣，應變測量的長期性難以保證.[4]因此，針對特定結(jié)構(gòu)設(shè)計可行的系泊力測量方案成為浮式平臺監(jiān)測的難點.通過對軟剛臂運動特性分析，提出基于姿態(tài)響應的軟剛臂系泊力間接測量方案.在海洋平臺上的測量工程大、成本高，因此設(shè)計的方案需經(jīng)過大量試驗驗證后才能實施.傳統(tǒng)的試驗驗證周期長、成本高，且很難避免比尺效應的影響.目前，對浮式平臺監(jiān)測系統(tǒng)的試驗驗證研究很少，苑雙雙[5]通過6自由度平臺模擬浮體運動驗證浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計的正確性.

虛擬樣機技術(shù)采用計算機仿真和虛擬技術(shù)，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真和分析.虛擬樣機建立在計算機上的原型系統(tǒng)，在一定程度上具有與物理樣機相同的功能，可以代替物理樣機進行虛擬實驗，節(jié)省時間和成本.高清冉等[6]通過虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)對機床設(shè)計方案的驗證，湯曉燕等[7]基于虛擬樣機設(shè)計深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng).針對設(shè)計的系泊力測量方案，本文應用Adams建立軟剛臂系泊系統(tǒng)虛擬樣機模型，通過分析驗證設(shè)計的正確性，通過現(xiàn)場試驗證明該方案在實際應用中有很好的效果.

該系統(tǒng)主要由系泊構(gòu)架、系泊腿、壓載艙和系泊剛臂等組成.軟剛臂右端通過鉸接頭與單點小平臺上部旋轉(zhuǎn)部分相連，使船體在環(huán)境載荷作用下具有風標效應，時刻處于合外力最小位置；同時，鉸接頭包括pitch和roll等2個方向轉(zhuǎn)軸，能夠釋放船體的升沉和橫縱搖運動約束.軟剛臂另一端為壓載艙，其為船體運動提供回復力，當船體離開平衡位置朝向或者遠離平臺運動時，壓載艙能夠通過重力將船體恢復到平衡位置.系泊腿兩端通過鉸接點將船體與軟剛臂連接在一起，形成一套完整的系泊體系.

4結(jié)論

通過設(shè)計、驗證以及在現(xiàn)場實施浮式平臺系泊力間接測量方案，得到以下結(jié)論：

（1）雖然基于二維的理論分析存在一定的簡化，但由于單點系泊FPSO風標效應良好，船體的橫向運動并不顯著，設(shè)計監(jiān)測方案計算的系泊力與仿真的結(jié)果吻合得較好，在較惡劣的海況下誤差也能控制在10%以內(nèi).

（2）現(xiàn)場應用表明，傾角傳感器具有穩(wěn)定、便宜和精度好等優(yōu)點，通過測量角度變化計算系泊力的設(shè)計方案具有很好的實用性，該方案能較好地解決FPSO系泊力測量的難題.

（3）將虛擬樣機與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，通過仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較，能對現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行評價，為平臺的安全運行提供建議.

參考文獻：

[1]van den BOOM H， KONING J， AALBERTS P. Offshore monitoring； real world data for design， engineering and operation[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[2]BROWN M G， HALL T D， MARR D G， et al. Floating production mooring integrity JIPKey findings[C]//Proc Offshore Technol Conf. Houston， 2005.

[3]劉超. 深水浮式平臺原型測量與分析[D]. 大連： 大連理工大學， 2012.

[4]李愛群， 周廣東. 光纖Bragg光柵傳感器測試技術(shù)研究進展與展望（I）： 應變、溫度測試[J]. 東南大學學報， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑雙雙. 浮式海洋平臺原型測量與監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[6]高清冉， 孫海燕， 李海紅， 等. 基于虛擬樣機的機床設(shè)計與仿真研究[J]. 機械設(shè)計， 2009， 26（7）： 1618.

[7]湯曉燕， 劉少軍， 云忠. 基于虛擬樣機技術(shù)的深海采礦主動式升沉補償系統(tǒng)設(shè)計[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 楊建民， 肖龍飛. FPSO軟剛臂單點系泊系統(tǒng)動力分析[J]. 中國造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陳立平， 張云清， 任衛(wèi)群， 等. 機械系統(tǒng)動力學分析及Adams應用教程[M]. 2版. 北京： 清華大學出版社， 2006： 2429.

[10]Soft yoke design load report， BZ 282S[R]. Monaco： SBM， 2004.

[11]安維杰， 范模. 海洋石油工程設(shè)計指南（第9冊）： FPSO與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2007： 9293.

[12]楊建明， 肖龍飛， 盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海： 上海交通大學出版社， 2007： 8687.（編輯武曉英）