胡 勇，李 慧，朱 剛，李 雷，李 光

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

單點系泊系統(tǒng)（Single Point Mooring System，SPM）是一種特殊的海洋工程裝備[1]，主要作用是通過纜繩或特定結(jié)構(gòu)將船舶系泊在一定的海域，同時使船舶可以繞系泊點作360°回轉(zhuǎn)，并且可以將船舶上的油、水、氣、電、信號等輸出至海底管線，或?qū)⑵漭斔椭链┧笥洼啞?958 年，由美國IMODCO 公司設(shè)計的第1 套懸鏈浮筒式單點系泊（CALM）系統(tǒng)在瑞典制造成功，該浮筒直徑4.5 m，由4 根錨鏈對稱固定，重60 t，可以系泊2 000 t 左右的艦船，用于軍艦的海上加油，揭開了單點系泊技術(shù)在海洋石油開采和海上原油中轉(zhuǎn)等領(lǐng)域上的應(yīng)用的序幕[2]。

塔架式軟剛臂單點系泊系統(tǒng)是通過軟剛臂系統(tǒng)和固定塔架將船舶系泊于預(yù)定海域，在各種風(fēng)浪流作用下受力最小，從而保證船舶在海上能長期連續(xù)工作。按照軟剛臂結(jié)構(gòu)相對水面的位置分為水上軟剛臂和水下軟剛臂2 種主要類型[3]，其中水上軟剛臂根據(jù)壓載艙型式的不同又分為橫向單壓載艙式、雙瓶型壓載艙式、雙箱型壓載艙式。本文研究的軟剛臂系泊系統(tǒng)是國家能源局批復(fù)的海洋核動力平臺示范工程項目的重要組成部分。

1 軟剛臂系泊系統(tǒng)

圖1 為軟剛臂單點系泊系統(tǒng)示意圖，其主要組成為軟剛臂系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)塔臺系統(tǒng)和導(dǎo)管架系統(tǒng)等。

圖 1 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the soft-arm single-point mooring system

軟剛臂YOKE 通過系泊軸承掛鉤與旋轉(zhuǎn)甲板相連，當(dāng)船體縱搖運(yùn)動時，它能圍繞掛鉤軸線上下轉(zhuǎn)動；當(dāng)船體橫搖運(yùn)動時，YOKE 通過自身發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，另外船體能通過軟剛臂系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，繞著導(dǎo)管架轉(zhuǎn)動。 系泊腿下部通過萬向節(jié)與軟剛臂YOKE 連接，上部也是通過萬向節(jié)與系泊支架連接，上下兩端均通過銷軸能實現(xiàn)多自由度運(yùn)動。

本文主要針對軟剛臂系統(tǒng)、系泊腿與船體支架、導(dǎo)管架系統(tǒng)之間的多自由度運(yùn)動進(jìn)行分析，有學(xué)者已經(jīng)針對船體縱向運(yùn)動剛度曲線進(jìn)行了研究，肖龍飛研究FPSO 的水動力發(fā)展，通過理論推導(dǎo)，計算軟剛臂系統(tǒng)的受力特性[4-5]。蘇方磊研究水上軟剛臂系統(tǒng)的水動力響應(yīng)特性，進(jìn)一步分析其縱向剛度特性[6]。軟剛臂系統(tǒng)的橫向運(yùn)動剛度很少研究，本文通過船體縱向剛度曲線理論推導(dǎo)和試驗，驗證ADAMS 模型分析正確性，重點分析船體橫向運(yùn)動時，軟剛臂YOKE 呈現(xiàn)空間扭轉(zhuǎn)變化，系統(tǒng)的剛度隨位移的變化以及各關(guān)節(jié)點的受力，同時也分析了船體與軟剛臂在極限位置時的碰撞情況，為示范工程單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支撐。

2 縱向運(yùn)動時軟剛臂系統(tǒng)剛度理論計算

圖2 為軟剛臂與系泊腿的幾何關(guān)系與受力簡化圖，根據(jù)圖中幾何關(guān)系、力平衡和力矩平衡，可得到如下計算式：

軟剛臂系統(tǒng)水平X 向受力平衡

系統(tǒng)Z 方向受力平衡

系泊腿相對于B 點的力矩平衡

圖 2 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的幾何關(guān)系與受力Fig.2 Geometric relationship and force of the soft-arm single-point mooring system

軟剛臂系統(tǒng)對于A 點力矩平衡

由式（3）和式（4）式得出：

平衡狀態(tài)下：

軟剛臂系統(tǒng)運(yùn)動偏移距離：

通過上述關(guān)系等式，計算出C 點的水平回復(fù)力為：

系泊系統(tǒng)的剛度為特性曲線切線的斜率值，系統(tǒng)剛度隨曲線的變化而變化。當(dāng)曲線為直線時，其系統(tǒng)剛度如下：

3 縱向運(yùn)動時軟剛臂系統(tǒng)剛度驗證

本文以ADAMS 進(jìn)行平臺與系泊系統(tǒng)的三維建模，并進(jìn)行一定的簡化[7]，如圖3 所示。

圖 3 ADAMS 三維分析模型Fig.3 Adams three-dimensional analysis model

表 1 軟剛臂系統(tǒng)主要構(gòu)件參數(shù)Tab.1 Main component parameters of soft rigid arm system

導(dǎo)管架到旋轉(zhuǎn)塔臺之間采用固定約束，旋轉(zhuǎn)甲板與管匯甲板添加繞導(dǎo)管架主軸中心線的轉(zhuǎn)動副，軟剛臂YOKE 與旋轉(zhuǎn)甲板掛鉤處添加繞掛鉤中心線的轉(zhuǎn)動副，其系泊頭同時添加自轉(zhuǎn)的約束，系泊腿下部和上部萬向節(jié)分別與軟剛臂和系泊支架添加相應(yīng)活動鉸接轉(zhuǎn)動副，能實現(xiàn)系泊腿多個方向的運(yùn)動。通過仿真運(yùn)動測試，整個系統(tǒng)能實現(xiàn)船體沿x，y，z 方向上的多自由度運(yùn)動。分析過程中，縱向運(yùn)動以平衡位置靠近導(dǎo)管架為負(fù)方向，遠(yuǎn)離導(dǎo)管架為正方向；由于橫向運(yùn)動具有對稱性，方向不影響分析結(jié)果。

由圖4 可知，通過對比船體縱向運(yùn)動，理論公式推導(dǎo)的剛度曲線和試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的質(zhì)點坐標(biāo)和質(zhì)心重量下，ADAMS 計算結(jié)果和理論公式推導(dǎo)結(jié)果是一樣的，剛度隨著平衡位置位移的增大，呈現(xiàn)增加趨勢，在遠(yuǎn)離和靠近導(dǎo)管架8 m 以上，剛度出現(xiàn)陡增，這是因為軟剛臂分別處于水平拉直和豎向下垂的2 種極端狀態(tài)。這2 種結(jié)果和試驗結(jié)果存在一定的偏差，當(dāng)船體靠近導(dǎo)管架6 m 以上和遠(yuǎn)離10 m 以上時，計算結(jié)果值大于試驗值，在其他區(qū)域，兩者幾乎保持一致，這主要是由于水池試驗?zāi)Ｐ褪前幢壤s放，質(zhì)心和理論會存在一定偏差，隨著縱向運(yùn)動位移增大，這種偏差逐漸變得明顯。

圖 4 船體縱向運(yùn)動剛度曲線Fig.4 Longitudinal motion stiffness curve of hull

圖5 為ADAMS 模擬船體縱向運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)塔臺所受FZ（如圖2 中a 點FAZ方向）方向力和系泊腿張力，由于2 條系泊腿在船體縱向運(yùn)動時，呈平行運(yùn)動，關(guān)節(jié)角度變化一致，受力完全一樣，從靠近導(dǎo)管架到平衡位置，張力從大變?。粡钠胶馕恢玫竭h(yuǎn)離導(dǎo)管架，張力從小變大，方向均為正值。在FZ方向上，靠近導(dǎo)管架，旋轉(zhuǎn)塔臺受拉，方向向上；在平衡位置受壓，方向向下；遠(yuǎn)離導(dǎo)管架，塔臺受拉，方向向上。

圖 5 船體縱向運(yùn)動時塔臺作用力及系泊腿張力Fig.5 Tower force and mooring leg tension during longitudinal movement of the hull

4 船體橫向運(yùn)動時軟剛臂系統(tǒng)分析

4.1 橫向運(yùn)動剛度曲線

圖6 為船體橫向運(yùn)動時，系泊腿的恢復(fù)力和軟剛臂系統(tǒng)的剛度曲線，由于軟剛臂系統(tǒng)在橫向運(yùn)動時，依靠2 條系泊腿來提供恢復(fù)力，所以軟剛臂系統(tǒng)的剛度為2 條系泊腿恢復(fù)力之和。軟剛臂系統(tǒng)的剛度隨著橫向運(yùn)動位移的增加而增加，變化趨勢和縱向運(yùn)動時一致。相同位移下，其幅值小于縱向時的剛度，橫向運(yùn)動10 m 時，其剛度值為81.17 t 的力，遠(yuǎn)小于縱向運(yùn)動10 m 時的剛度。另外2 條系泊腿的剛度也不相同，沿正方向運(yùn)動時，左系泊腿的恢復(fù)力接近為右系泊腿恢復(fù)力的2 倍，變化趨勢是一致的。

圖 6 船體橫向運(yùn)動剛度曲線Fig.6 Hull lateral motion stiffness curve

4.2 橫向運(yùn)動系泊腿張力和塔臺作用力

圖7 為船體橫向運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)塔臺承受的作用力和系泊腿的張力，從圖中可以看出，曲線在平衡位置兩端呈現(xiàn)對稱分布。從橫向運(yùn)動正方向上看，左右2 條系泊腿的張力并不相同，主要由于隨著船體運(yùn)動位移的增加，2 條系泊腿的姿態(tài)也不相同，左系泊腿隨著軟剛臂自轉(zhuǎn)，出現(xiàn)向上翹起，張力大于右系泊腿，反向運(yùn)動時，右系泊腿張力大于左系泊腿。旋轉(zhuǎn)塔臺在FZ方向上始終是負(fù)值，方向向下，變化比較平穩(wěn)，這是由于橫向運(yùn)動時，軟剛臂一直處于下垂?fàn)顟B(tài)，不同于縱向運(yùn)動時被拉直和下垂向上頂?shù)臉O端狀態(tài)。

圖 7 船體橫向運(yùn)動時塔臺作用力及系泊腿張力Fig.7 Tower force and mooring leg tension when the hull is moving laterally

4.3 軟剛臂系統(tǒng)角度變化

圖8 為船體橫向運(yùn)動時，軟剛臂系統(tǒng)繞導(dǎo)管架中心軸線的轉(zhuǎn)角變化，系泊頭處橫搖角變化以及縱搖角變化（船體橫搖和縱搖產(chǎn)生的角度，在船體橫向平動時，這2 個角度也發(fā)生相應(yīng)變化）?？梢钥闯觯w橫向位移增加，軟剛臂自轉(zhuǎn)角度較大，增大至22.3°后趨于穩(wěn)定，說明船體運(yùn)動接近極限位置，縱搖角度值較小，最大為1.5°，橫搖角度數(shù)值略微大于縱搖角度。

圖 8 船體橫向運(yùn)動時軟剛臂角度變化Fig.8 Angle change of soft rigid arm when the hull moves laterally

4.4 軟剛臂系統(tǒng)與船體甲板的碰撞

由圖9 可知，當(dāng)船體靠近導(dǎo)管架時，隨著距離的靠近，軟剛臂與船體很容易發(fā)生碰撞，針對單點系統(tǒng)模型進(jìn)行分析。

圖 9 船體縱向運(yùn)動靠近導(dǎo)管架時與軟剛臂碰撞分析Fig.9 Collision analysis between the soft rigid arm and the jacket when the longitudinal movement of the hull

船體縱向運(yùn)動靠近距離為8.19 m 時，軟剛臂與船首甲板會發(fā)生碰撞[8,9]，其碰撞力達(dá)到8 251 N，表2 為接觸碰撞參數(shù)設(shè)置。若船體存在一定的沖擊速度，碰撞力也會相應(yīng)變大；當(dāng)碰撞造成材料塑性變形或者破壞時，其碰撞力會逐漸變小，逐漸趨于穩(wěn)定。碰撞分析有利于前期設(shè)計的優(yōu)化，通過模型參數(shù)的調(diào)整或者有效的措施來避免發(fā)生碰撞破壞。

表 2 接觸碰撞參數(shù)設(shè)置Tab.2 Contact collision parameter settings

5 結(jié) 語

本文采用ADAMS 對單點系泊軟剛臂系統(tǒng)進(jìn)行多自由度運(yùn)動分析，船體縱向運(yùn)動時，通過軟剛臂系統(tǒng)剛度理論推導(dǎo)和水池試驗值，驗證軟件計算模型和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步分析討論船體橫向運(yùn)動，軟剛臂系統(tǒng)的剛度、受力以及碰撞等運(yùn)動分析，得出以下結(jié)論：

1）船體橫向運(yùn)動時，軟剛臂系統(tǒng)的剛度呈遞增的趨勢，和縱向運(yùn)動時一致，當(dāng)橫向運(yùn)動Y=10 m 時，F(xiàn)Y=81.17 t，數(shù)值上小于相同位移的縱向運(yùn)動剛度。2 條系泊腿的恢復(fù)力也不相同，沿正方向運(yùn)動時，左系泊腿的恢復(fù)力接近為右系泊腿恢復(fù)力的2 倍。

2）橫向運(yùn)動系泊腿張力和塔臺作用力與縱向運(yùn)動時也不相同，主要由于隨著船體正向運(yùn)動位移的增加，2 條系泊腿的姿態(tài)逐漸不相同，左系泊腿隨著軟剛臂自轉(zhuǎn)，出現(xiàn)向上翹起，張力大于右系泊腿。

3）當(dāng)船體橫向運(yùn)動時，軟剛臂系統(tǒng)繞導(dǎo)管架中心軸線的轉(zhuǎn)角變化、橫搖角和縱搖角度也發(fā)生一定的變化，軟剛臂自轉(zhuǎn)角度變大，增大至22.3°后趨于穩(wěn)定，說明船體運(yùn)動接近極限位置，縱搖角度值較小，最大為1.5°。

4）通過碰撞分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船體靠近導(dǎo)管架8.19 m時，軟剛臂與船首甲板發(fā)生碰撞，其碰撞力達(dá)到8 251 N，當(dāng)碰撞造成材料塑性變形或者破壞時，其碰撞力會逐漸變小，這有利于單點系泊系統(tǒng)前期設(shè)計的優(yōu)化。