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        三維空間下系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

        2018-03-03 05:51:36陳桂糖任馳遠(yuǎn)鄧秋福余莎黃輝紅蒲思蓓
        天津科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:鏈環(huán)錨泊錨鏈

        陳桂糖,任馳遠(yuǎn),鄧秋福,余莎,黃輝紅,蒲思蓓

        (西南石油大學(xué) 四川成都610500)

        0 引 言

        隨著海上資源開發(fā)的增加,系泊系統(tǒng)的運用也越來越廣泛[1]。目前針對相關(guān)研究的文獻(xiàn)很多,但其中大部分文獻(xiàn)沒有考慮到風(fēng)力、水流力和水深等因素的影響,將系泊系統(tǒng)的靜力分析采用二維直角坐標(biāo)系,這樣雖然給計算和建模帶來了很大方便,但誤差也相對較大[2-4]。本文在三維空間下,基于多目標(biāo)規(guī)劃和迭代思想,利用 MATLAB[5]專業(yè)軟件,對近海水聲通訊系統(tǒng)傳輸節(jié)點的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究。

        1 結(jié)構(gòu)簡圖

        近淺海觀測網(wǎng)的某傳輸節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        2 三維空間下系泊系統(tǒng)的受力分析

        圖1 傳輸節(jié)點示意圖Fig.1 Diagram of transmission nodes

        以錨與水流方向為坐標(biāo)系統(tǒng)的 X軸正向,豎直向上為 Z軸正向,XOZ面的垂直方向為Y軸方向,滿足右手系準(zhǔn)則,并采用向量運算描述數(shù)學(xué)模型。

        2.1 錨鏈的受力分析

        錨鏈由多個鏈環(huán)組成,因此對錨鏈進(jìn)行離散,直接對每個鏈環(huán)進(jìn)行受力分析。

        2.1.1 最下端第一個鏈環(huán)

        該鏈環(huán)受到錨的拉力T1,自身重力G1,浮力B1,上端鏈環(huán)的拉力T2U,以及水流的沖擊力1F。首先將該鏈環(huán)視作質(zhì)點,建立靜力學(xué)平衡關(guān)系:

        然后以該鏈環(huán)的上鉸接點為轉(zhuǎn)動點,根據(jù)剛體的力矩平衡關(guān)系,建立力矩平衡關(guān)系:

        2.1.2 中間鏈環(huán)

        中間鏈環(huán)受到下端鏈環(huán)的拉力T2L,自身重力G1,浮力B1,上端鏈環(huán)的拉力T2U,以及水流的沖擊力F1。同樣,根據(jù)受力和力矩平衡關(guān)系,可得到:

        2.2 鋼桶的受力分析

        鋼筒受到下端鏈環(huán)的拉力T2L,自身重力G2,重物球的拉力G0,浮力B2,上端鋼管的拉力T3,以及水流的沖擊力F2。同樣,根據(jù)受力和力矩平衡關(guān)系,可得到:

        2.3 鋼管的受力分析

        鋼管受到下端鏈環(huán)的拉力 Ti,自身重力Gi,浮力Bi,上端鋼管的拉力Ti+1,以及水流的沖擊力 Fi。同樣,根據(jù)受力和力矩平衡關(guān)系,可得到:

        2.4 浮標(biāo)的受力分析

        浮標(biāo)受到下端鋼管的拉力T7,自身重力G7,浮力B7,風(fēng)的推力FW,以及水流的沖擊力F7。同樣,根據(jù)受力平衡關(guān)系,可得到:

        3 基于多目標(biāo)規(guī)劃的系泊系統(tǒng)設(shè)計模型

        3.1 目標(biāo)函數(shù)

        考慮復(fù)雜海況下的系泊系統(tǒng)設(shè)計,即在任意海況下能正常運行的前提下,設(shè)計最優(yōu)的系泊系統(tǒng)。為了保證錨泊系統(tǒng)的正常運行,設(shè)計一個錨泊系統(tǒng)需要考慮以下5個方面,包括:吃水深度小;游動半徑小;鋼筒傾斜角度小;錨鏈與海床夾角?。诲^鏈與重物球質(zhì)量小。

        因此,得到優(yōu)化錨泊系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù):

        這是一個多目標(biāo)規(guī)劃問題,首先通過無量綱歸一化,然后等權(quán)加權(quán)得到一個單目標(biāo)規(guī)劃問題,即:

        3.2 模型的結(jié)論與分析

        3.2.1 相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

        以系泊系統(tǒng)在海上為例,由于潮汐等因素的影響,布放海域的實測水深介于 16~20,m;布放點的海水速度最大可達(dá)到1.5,m/s、風(fēng)速最大可達(dá)到36,m/s。錨鏈的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

        表1 錨鏈型號和參數(shù)表Tab.1 Type and parameter of anchor chain

        3.2.2 該海域系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

        運用 MATLAB工具箱編程進(jìn)行求解,可以得到采用5種型號的錨鏈的最優(yōu)系泊系統(tǒng)的設(shè)計方案,結(jié)果如表2所示。

        表2 5種型號錨鏈的最優(yōu)設(shè)計方案Tab.2 Five types of anchor chain of optimal design scheme

        由表 2可知,對于該海域,應(yīng)該采用第 III種錨鏈,經(jīng) MATLAB優(yōu)化后,長度為 25.2,mm,重物球質(zhì)量為 1,542,kg,能夠滿足該海域錨泊系統(tǒng)的使用需求。

        4 結(jié) 語

        本文的模型具有明顯的整體性和可觀性,易于理解,變量已被控制到最小的計算量,便于分析和得到結(jié)果。由于單點系泊系統(tǒng)具有成本低、方向性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點,其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,因而本文研究該模型具有很強的實用性,為保證該系統(tǒng)的完整性和可靠性提供了依據(jù)?!?/p>

        [1]郝春玲,滕斌. 不均勻可拉伸單錨鏈系統(tǒng)的靜力分析[J]. 中國海洋平臺,2003(4):19-22,34.

        [2]王丹,劉家新. 一般狀態(tài)下懸鏈線方程的應(yīng)用[J]. 船海工程,2007(3):26-28.

        [3]侯建軍,東昉,石愛國,等. 錨泊狀態(tài)下錨鏈作用力的計算方法[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報,2005(4):12-16.

        [4]滕斌,郝春玲,韓凌. Chebyshev多項式在錨鏈分析中的應(yīng)用[J]. 中國工程科學(xué),2005(1):21-26.

        [5]馬莉. MATLAB數(shù)學(xué)實驗與建模[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2010.

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