[发明专利]一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力定位能力的分析方法，特别涉及一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法。

背景技术

随着人类的探索领域向广袤的大洋延伸，在深水区域作业的海洋结构物，如海洋平台，各类工作船等的定位问题变的日益突出。在浅水区域，海洋结构物的定位尚且可以通过锚泊方式解决，但随着水深的加大，锚泊定位的成本呈指数趋势升高，所以需要新型的定位方式解决海洋结构物定位的问题。动力定位便是在这一背景下出现并发展起来的。海洋结构物上配置的动力定位系统通过卫星或水声列阵获得结构物当前位置，控制器由其与目标位置的偏差值计算出结构物回复到目标位置所需推力和转矩，推力系统产生所需的推力和转矩，使海洋结构物保持在目标位置附近。

动力定位能力分析能够得到海洋结构物在不同艏向角下的动力定位能力。在设计和使用一套新的动力定位系统时，操作安全一直是第一要位的。为了预期达到一种安全和有效的操作，该系统在工作海域不同艏向下能够承受的最大环境力是必须要了解清楚的。因此在设计新的动力定位系统海洋结构物时，必须要进行动力定位能力分析。

在进行动力定位能力分析时，传统的求解方法是在某计算角度下，逐步增加风速，通过推力分配，判断有无可行解。如果有可行解，则代表海洋结构物能够抵抗该风速所产生的力。继续增加风速，直到无可行解产生，即得到该角度下海洋结构物所能抵抗的最大风速，该角度的定位能力分析完成。再变换到其他角度进行分析。但是该方法所存在的缺点就是求解过程较慢，在进行求解的过程中，通常是要遍历计算域内的所有值，以判断是否存在可行解。另外，计算的规模以及计算步数事先也并不可知和估计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，以解决现有技术在动力定位能力分析计算中计算速度较慢以及求解步数事先不可估计的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法，其特创新点在于：包括如下步骤：

(1)建立环境载荷模块，包括风载荷计算模块、流载荷计算模块和波浪载荷计算模块，估计船舶所受风速的下限值v₁和上限值v₂，给定风速精度δ并确定环境条件的作用角度，即船舶相对于风、流、浪的迎角φ，初始角φ为0°，并将风浪流同向迎角φ作用于船舶，计算出风速的平均值v＝(v₁+v₂)/2，再将该平均值输入至风载荷计算模块计算出风载荷；

(2)将步骤(1)计算出的风载荷输入至波浪载荷计算模块计算出波浪载荷，同时将海流的恒速值输入至流载荷计算模块，计算出流载荷，风载荷、波浪载荷和流载荷相叠加，形成环境总载荷；

(3)建立船舶作用力模块，通过船舶作用力模块计算出船舶所受的船舶作用力；

(4)建立推力分配模块，将上述计算出的环境总载荷和船舶作用力叠加，并输入至推力分配模块对外载荷进行推力器推力分配，计算出主推进器推力T_i；

(5)判断条件T_i＞T_imax和v₂-v₁＜δ是否满足，若满足则v₂为船舶在当前环境载荷下的极限风速，若不满足则利用二分法循环计算得到极限风速；接着，增加风向角φ一个单位，即10°，重复前四个步骤，直到完成360°以内所有角的极限风速的计算；最后，根据360°极限风速的计算，绘制出船舶极限风速的动力定位能力曲线图。

进一步地，所述风载荷计算模块用于对船型风载荷计算，船舶在水面上受到风作用分解到运动坐标系，可看成风对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度方向上的平均作用力和力矩，其计算公式如下：