何寧強，湯 珂，張美榮，張新虎，段夢蘭

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300450；2.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）①

深水下放作業(yè)鋼絲繩吊放系統(tǒng)動力學分析

何寧強1，湯 珂2，張美榮1，張新虎2，段夢蘭2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300450；2.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）①

深水下放作業(yè)鋼絲繩動力學分析對于深水水下安裝、維修等作業(yè)的順利實施和纜體動力行為的虛擬仿真都具有重要意義。借助于動力學分析軟件ADAMS對鋼絲繩的動力學進行分析，確定了影響鋼絲繩動力學響應的主要因素，提高了鋼絲繩動力學虛擬仿真結果的精度和可靠性，對鋼絲繩動力學的虛擬仿真具有指導意義。

深水作業(yè)；鋼絲繩；動力學；虛擬仿真

隨著海洋石油開發(fā)熱點轉(zhuǎn)向深水以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的廣泛應用，使得水下的安裝、維修等作業(yè)變得日益頻繁和重要。在海上安裝作業(yè)過程中，作業(yè)系統(tǒng)受到海上風、浪、流的聯(lián)合作用，作業(yè)環(huán)境惡劣，風險很大。

深水作業(yè)方式主要為作業(yè)船與ROV（Remote Operated Vehicle）、HOV（Human Occupied Vehicle）與ROV。目前，作業(yè)船和ROV的作業(yè)方式是最主要的作業(yè)方式，這種作業(yè)方式受到海上風、浪、流環(huán)境的干擾更加明顯。HOV與ROV的作業(yè)方式是完全在水下作業(yè)，受環(huán)境干擾較少，但是受HOV裝備資源、作業(yè)能力、技術不夠成熟等因素限制，應用較少。作業(yè)船和ROV作業(yè)方式是通過起重機下放設備或維修工具并在ROV的協(xié)助下完成安裝或維修作業(yè)，起重機鋼絲繩的動力學特性直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性［1］。因此，分析研究作業(yè)系統(tǒng)動力學具有重要意義。

1 計算模型

由于鋼絲繩具有較大的柔性和撓性，其幾何建模有很大的不確定性，加之仿真軟件類型限制，鋼絲繩的建模成為仿真的關鍵問題。為了能夠反映鋼絲繩的柔性和動態(tài)特性，一般采用以下2種方法建立鋼絲繩類結構的動力學仿真模型：

1） 將1條連續(xù)的鋼絲繩離散成為若干段圓柱剛體，各圓柱剛體之間通過柔性連接副連接，從而建立整條鋼絲繩的多剛體動力學模型。

2） 采用有限元法離散柔性體，建立鋼絲繩柔性結構動力學模型。

這2種方法都能較好地滿足鋼絲繩的動態(tài)特性，前者適合于對振動較低的起重系統(tǒng)進行纜的動力學分析［2］。因此，本文采用鋼絲繩多剛體方法進行模型研究深水吊放時鋼絲繩的動力學特性。

1.1 鋼絲繩多剛體物理模型

雖然多體動力學仿真軟件中沒有提供直接建立鋼絲繩模型的方法，但可以將鋼絲繩用許多圓柱剛性體通過球鉸副或軸套力（Bushing）連接來近似模擬。采用軸套力連接對鋼絲繩這種具有一定的抗彎、抗扭和抗拉剛度的系統(tǒng)來說，可以達到仿真要求，不會造成仿真失真現(xiàn)象［3］。Bushing連接實際上就是2個剛體之間在6個自由度上通過彈簧阻尼進行連接，實現(xiàn)2個剛體之間的柔性連接。

鋼絲繩的物理模型如圖1所示，坐標原點表示起重機吊點（crane tip），吊物和起重機吊點之間通過鋼絲繩連接。在海水波流作用下，鋼絲繩的形狀發(fā)生彎曲。為了計算鋼絲繩和吊物在海水波流作用下的動力學響應，將鋼絲繩分成很多等長的圓柱剛體，各圓柱剛體之間建立Bushing連接，每個圓柱體上施加海水波流作用力。鋼絲繩與起重機吊臂、鋼絲繩和吊物的連接均使用鉸鏈連接。

圖1 吊放模型示意

1.2 環(huán)境條件

由于深水下放操作，鋼絲繩大部分都浸沒于海水中，海面波浪對鋼絲繩的影響只是局部的。假設鋼絲繩、吊物、浪流方向都在同一豎直平面內(nèi)，不考慮海流的升力，海水流速隨水深分布如表1所示［4］。

表1 海水流速隨水深分布

1.3 鋼絲繩段受力

在海洋工程中，對于相對尺度?。ńY構特征尺寸與波長之比小于0.2）的結構物，此類結構物的存在對波流運動無顯著影響，波流對柱體的作用主要是黏滯效應和附加質(zhì)量力。波流力采用莫里森公式（Morison）進行計算，它是以繞射理論為基礎的半經(jīng)驗公式。考慮整個鋼絲繩，鋼絲繩段上的流體力為分布力，為了便于計算流體分布力對應的廣義力，需根據(jù)等效力系的概念，將流場分布力等效變換為作用于鋼絲繩段質(zhì)心處的力和力矩。流場中鋼絲繩所受的分布力采用莫里森公式進行計算。

式中：FMi為附加質(zhì)量力；FDi為黏滯效應的拖曳力；CMi為附加質(zhì)量力系數(shù)；CDi為拖曳力系數(shù)；ρ為海水密度；V0為結構物排開水的體積；ui為結構物相對于海水的速度；Ai為結構物在流動方向的投影面積。

海流力隨時間的變化不大，所以主要考慮其橫向阻力的作用。鋼絲繩單位長度上的海流力為

式中：CD為拖曳力系數(shù)；uc為海流速度（隨深度變化，某一深度范圍為常數(shù)）。

2 Adams模擬

考慮1條長度為1 200 m的鋼絲繩，吊機吊點至海平面的高度為20 m，這一段鋼絲繩不受波流作用。由于波浪區(qū)深度有限，深水下放忽略波浪力不會產(chǎn)生較大的誤差，因此在計算波流載荷對深水下放過程鋼絲繩動力學響應影響時，只考慮海流力的作用［5］。鋼絲繩的干重、濕重、直徑、水動力系統(tǒng)如表2所示。

表2 鋼絲繩參數(shù)

在Adams中建立鋼絲繩的模型時，需要將鋼絲繩離散為一段段的圓柱剛體，鋼絲繩的段數(shù)越多整個鋼絲繩的離散體表現(xiàn)出來的連續(xù)性越好，越接近真實的鋼絲繩柔性體，因而仿真精度越高，但是計算的速度大幅下降。在計算精度和計算速度方面折中，取鋼絲繩離散化的段數(shù)為240段，每段長5 m。

實際操作過程中，如果一段段去建模，既費時費力又容易出錯，Adams提供的宏命令及條件循環(huán)命令可以方便快捷地解決此問題。利用宏命令建立鋼絲繩的步驟如下：

首先建立一小段圓柱體，然后通過復制移動該小段圓柱體使其依次排列成為連續(xù)體，復制和移動的操作通過調(diào)入宏命令自動完成。如果要建立更長更形象的鋼絲繩，或者為了提高仿真精度，只需修改宏命令中的相關參數(shù)即可。

通過循環(huán)條件命令為相鄰2個圓柱添加約束，設置剛體的拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度。然后創(chuàng)建鋼絲繩上端與大地、下端與吊物的鉸鏈約束。最后，施加外部作用力海流力。外部作用力的添加需要用到相關公式。在實際計算時，每一段的速度很小，對作用力影響不大，而且使計算速度大幅降低，因此每一段的海流力為由它所在深度海流速度確定的常數(shù)。

吊放物為大型水下結構物管匯，其長、寬、高分別為13.5、5.2、4.5 m。由于管匯外形與長方體非常相似，仿真中管匯用長、寬、高分別13.5、5.2、4.5 m的長方體代替。鋼絲繩下端與管匯通過鉸鏈連接，管匯參數(shù)如表3所示。與鋼絲繩相同，管匯受到的附加質(zhì)量力和拖曳力仍需要考慮。

表3 管匯參數(shù)

3 結果分析與討論

按照如表2～3所示參數(shù)進行建模，按照表1的參數(shù)設置流速，設置仿真時間為100 s，最小積分步長為0.005 s。通過計算可以得到吊物平衡位置的水平位移為15 m，與文獻［4］中的計算結果很接近。采用DNV（DNV-RP-H103）規(guī)范中的估算公式進行計算，結果為11 m，是保守估計。

吊點處的拉力響應如圖2所示，可以看出：變化幅值較大，最大值約為系統(tǒng)總重的3～4倍，與DNV計算許可工作載荷的系數(shù)3.72很接近（安全系數(shù)為3.1，動力放大系數(shù)為1.2）。深水下放時鋼絲繩重力很大，使吊放能力迅速降低，因此這種吊放方式較適合于1 000 m以內(nèi)的水深。對于這種吊放方式來說，還需要注意軸向共振問題［6-8］。垂向近似為彈簧振子系統(tǒng)，剛度隨深度增加而變小，固有頻率減小。

圖2 吊點處拉力響應

對于橫向運動，吊物在豎直面內(nèi)作擺動運動，擺動周期為68 s，與單擺系統(tǒng)周期相同，因此鋼絲繩和吊物可以看作是1個單擺或者水平方向看作是彈簧振子。在虛擬仿真時，可以用彈簧振子系統(tǒng)來模擬吊物水平方向的運動，吊物所處的水深決定振動周期，海流對吊物的作用力影響吊物的平衡位置。由于求解問題，本文沒有考慮系統(tǒng)的運動阻尼，在虛擬仿真時鋼絲繩運動阻尼較小可以忽略，吊放物運動方向上可以增加適當?shù)倪\動阻尼。

分別設置不同參數(shù)，研究海流力、吊放物的重力對吊物運動響應的影響。海流速度和拖曳力系數(shù)都是在一定取值范圍內(nèi)，當海流力每增大20 N，位移增大6 m，近似成線性關系。海流力對振動平衡位置影響很大，因此海流流速和拖曳力系數(shù)是仿真中很重要的2個參數(shù)。

吊放物的重力增大1倍（即1×106N）時，水平位移減小了5 m。因此，吊放物的重力對吊放系統(tǒng)的運動響應影響也很大，尤其是吊放物的重力較小的情況，吊點的運動對吊放系統(tǒng)影響較大，需要進一步研究。

4 結論

1） 通過建立鋼絲繩多剛體模型，考慮海流環(huán)境載荷的影響，獲得了鋼絲繩吊放系統(tǒng)在不同條件下的動力學響應，包括吊物位移及吊點垂向作用力。

2） 與DNV標準公式計算結果及相關文獻計算結果很接近，表面多剛體模型是研究鋼絲繩吊放系統(tǒng)動力學響應的一種可行方法。

3） 不同條件下動力學響應結果表明：海流速度、拖曳力系數(shù)、吊物的重力對鋼絲繩動力響應影響較大，因此在虛擬仿真中建立鋼絲繩物理模型時海流速度、拖曳力系數(shù)、吊物的質(zhì)量是需要確定的重要參數(shù)。

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Dynamics Analysis of Wire Rope Lowering System in Deepwater Lowering Operations

Dynamic analysis of wire rope in deepwater lowing operation has important significance to the smooth implementation of deepwater installation and maintenance and the cable body virtual simulation of dynamic behavior.Based on modeling and calculation of dynamic analysis for wire rope in dynamic analysis software ADAMS，the main factors to impact the dynamic response can be determined and we can guide dynamics calculations in virtual simulation system and improve the reliability of the results.

deep water operation；wire rope；dynamic；virtual simulation

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.003

1001-3482（2014）11-0001-04

2014-05-21

國家科技重大專項“深水水下應急維修裝備與技術”子課題“深水水下應急維修方法研究與半物理仿真系統(tǒng)研制”（2011ZX05027-005-001）；國家重點基礎發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2011CB013702）

何寧強（1980-），男，陜西鳳翔人，工程師，碩士研究生，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究設計工作，E-mail：henq＠m(xù)ail.cooec.com.cn。