虚拟样机技术在FPSO系泊力监测系统设计中的应用

孙晔+武文华+樊哲良+岳前进

摘要： 针对难以直接测量FPSO软刚臂系泊系统受力的问题，在对软刚臂系泊系统运动特性进行分析的基础上，提出基于姿态响应的系泊力间接测量方案，通过测量系统角度变化计算系泊力.用Adams建立系泊系统虚拟样机模型，将通过角度变化计算得到的系泊力与仿真得到的系泊力进行对比，两者吻合较好，验证设计方案的正确性.通过在FPSO现场的实施证明测量方案的可行性.

关键词： 软刚臂系泊系统； 系泊力测量； 虚拟样机； 现场监测

中图分类号： TU392.5文献标志码： 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

随着科技的发展，对浮式平台进行现场监测并获得真实的载荷和响应，以验证设计、保障生产安全已经成为海洋工程的重要发展方向之一.[1]系泊系统是浮式平台的关键设施，对系泊系统的受力监测是浮式平台监测系统的核心.BROWN等[2]对北海浮式平台的系泊系统进行深入的现场监测和检验，刘超等[3]设计浮式平台悬链线式系泊系统系泊力的测量方案，通过间接测量计算浮式平台系泊力.对于渤海FPSO广泛使用的软刚臂系泊系统的受力监测却鲜有研究.对于在役的浮式平台，埋设传统的测力传感器直接测量系泊力是不可行的；而基于应变的测量方法，由于结构庞大复杂，测点的选择比较困难，加之海上环境恶劣，应变测量的长期性难以保证.[4]因此，针对特定结构设计可行的系泊力测量方案成为浮式平台监测的难点.通过对软刚臂运动特性分析，提出基于姿态响应的软刚臂系泊力间接测量方案.在海洋平台上的测量工程大、成本高，因此设计的方案需经过大量试验验证后才能实施.传统的试验验证周期长、成本高，且很难避免比尺效应的影响.目前，对浮式平台监测系统的试验验证研究很少，苑双双[5]通过6自由度平台模拟浮体运动验证浮体姿态测量系统设计的正确性.

虚拟样机技术采用计算机仿真和虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真和分析.虚拟样机建立在计算机上的原型系统，在一定程度上具有与物理样机相同的功能，可以代替物理样机进行虚拟实验，节省时间和成本.高清冉等[6]通过虚拟样机技术实现对机床设计方案的验证，汤晓燕等[7]基于虚拟样机设计深海采矿主动式升沉补偿系统.针对设计的系泊力测量方案，本文应用Adams建立软刚臂系泊系统虚拟样机模型，通过分析验证设计的正确性，通过现场试验证明该方案在实际应用中有很好的效果.

该系统主要由系泊构架、系泊腿、压载舱和系泊刚臂等组成.软刚臂右端通过铰接头与单点小平台上部旋转部分相连，使船体在环境载荷作用下具有风标效应，时刻处于合外力最小位置；同时，铰接头包括pitch和roll等2个方向转轴，能够释放船体的升沉和横纵摇运动约束.软刚臂另一端为压载舱，其为船体运动提供回复力，当船体离开平衡位置朝向或者远离平台运动时，压载舱能够通过重力将船体恢复到平衡位置.系泊腿两端通过铰接点将船体与软刚臂连接在一起，形成一套完整的系泊体系.

4结论

通过设计、验证以及在现场实施浮式平台系泊力间接测量方案，得到以下结论：

（1）虽然基于二维的理论分析存在一定的简化，但由于单点系泊FPSO风标效应良好，船体的横向运动并不显著，设计监测方案计算的系泊力与仿真的结果吻合得较好，在较恶劣的海况下误差也能控制在10%以内.

（2）现场应用表明，倾角传感器具有稳定、便宜和精度好等优点，通过测量角度变化计算系泊力的设计方案具有很好的实用性，该方案能较好地解决FPSO系泊力测量的难题.

（3）将虚拟样机与现场监测相结合，通过仿真结果与实测结果比较，能对现役结构的健康状态进行评价，为平台的安全运行提供建议.

参考文献：

[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]刘超. 深水浮式平台原型测量与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2012.

[4]李爱群， 周广东. 光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望（I）： 应变、温度测试[J]. 东南大学学报， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑双双. 浮式海洋平台原型测量与监测技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[6]高清冉， 孙海燕， 李海红， 等. 基于虚拟样机的机床设计与仿真研究[J]. 机械设计， 2009， 26（7）： 1618.

[7]汤晓燕， 刘少军， 云忠. 基于虚拟样机技术的深海采矿主动式升沉补偿系统设计[J]. 北京工业大学学报， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 杨建民， 肖龙飞. FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析[J]. 中国造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陈立平， 张云清， 任卫群， 等. 机械系统动力学分析及Adams应用教程[M]. 2版. 北京： 清华大学出版社， 2006： 2429.

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

[11]安维杰， 范模. 海洋石油工程设计指南（第9册）： FPSO与单点系泊系统设计[M]. 北京： 石油工业出版社， 2007： 9293.

[12]杨建明， 肖龙飞， 盛振邦. 海洋工程水动力学试验研究[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2007： 8687.（编辑武晓英）

摘要： 针对难以直接测量FPSO软刚臂系泊系统受力的问题，在对软刚臂系泊系统运动特性进行分析的基础上，提出基于姿态响应的系泊力间接测量方案，通过测量系统角度变化计算系泊力.用Adams建立系泊系统虚拟样机模型，将通过角度变化计算得到的系泊力与仿真得到的系泊力进行对比，两者吻合较好，验证设计方案的正确性.通过在FPSO现场的实施证明测量方案的可行性.

关键词： 软刚臂系泊系统； 系泊力测量； 虚拟样机； 现场监测

中图分类号： TU392.5文献标志码： 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

随着科技的发展，对浮式平台进行现场监测并获得真实的载荷和响应，以验证设计、保障生产安全已经成为海洋工程的重要发展方向之一.[1]系泊系统是浮式平台的关键设施，对系泊系统的受力监测是浮式平台监测系统的核心.BROWN等[2]对北海浮式平台的系泊系统进行深入的现场监测和检验，刘超等[3]设计浮式平台悬链线式系泊系统系泊力的测量方案，通过间接测量计算浮式平台系泊力.对于渤海FPSO广泛使用的软刚臂系泊系统的受力监测却鲜有研究.对于在役的浮式平台，埋设传统的测力传感器直接测量系泊力是不可行的；而基于应变的测量方法，由于结构庞大复杂，测点的选择比较困难，加之海上环境恶劣，应变测量的长期性难以保证.[4]因此，针对特定结构设计可行的系泊力测量方案成为浮式平台监测的难点.通过对软刚臂运动特性分析，提出基于姿态响应的软刚臂系泊力间接测量方案.在海洋平台上的测量工程大、成本高，因此设计的方案需经过大量试验验证后才能实施.传统的试验验证周期长、成本高，且很难避免比尺效应的影响.目前，对浮式平台监测系统的试验验证研究很少，苑双双[5]通过6自由度平台模拟浮体运动验证浮体姿态测量系统设计的正确性.

虚拟样机技术采用计算机仿真和虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真和分析.虚拟样机建立在计算机上的原型系统，在一定程度上具有与物理样机相同的功能，可以代替物理样机进行虚拟实验，节省时间和成本.高清冉等[6]通过虚拟样机技术实现对机床设计方案的验证，汤晓燕等[7]基于虚拟样机设计深海采矿主动式升沉补偿系统.针对设计的系泊力测量方案，本文应用Adams建立软刚臂系泊系统虚拟样机模型，通过分析验证设计的正确性，通过现场试验证明该方案在实际应用中有很好的效果.

该系统主要由系泊构架、系泊腿、压载舱和系泊刚臂等组成.软刚臂右端通过铰接头与单点小平台上部旋转部分相连，使船体在环境载荷作用下具有风标效应，时刻处于合外力最小位置；同时，铰接头包括pitch和roll等2个方向转轴，能够释放船体的升沉和横纵摇运动约束.软刚臂另一端为压载舱，其为船体运动提供回复力，当船体离开平衡位置朝向或者远离平台运动时，压载舱能够通过重力将船体恢复到平衡位置.系泊腿两端通过铰接点将船体与软刚臂连接在一起，形成一套完整的系泊体系.

4结论

通过设计、验证以及在现场实施浮式平台系泊力间接测量方案，得到以下结论：

（1）虽然基于二维的理论分析存在一定的简化，但由于单点系泊FPSO风标效应良好，船体的横向运动并不显著，设计监测方案计算的系泊力与仿真的结果吻合得较好，在较恶劣的海况下误差也能控制在10%以内.

（2）现场应用表明，倾角传感器具有稳定、便宜和精度好等优点，通过测量角度变化计算系泊力的设计方案具有很好的实用性，该方案能较好地解决FPSO系泊力测量的难题.

（3）将虚拟样机与现场监测相结合，通过仿真结果与实测结果比较，能对现役结构的健康状态进行评价，为平台的安全运行提供建议.

参考文献：

[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]刘超. 深水浮式平台原型测量与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2012.

[4]李爱群， 周广东. 光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望（I）： 应变、温度测试[J]. 东南大学学报， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑双双. 浮式海洋平台原型测量与监测技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[6]高清冉， 孙海燕， 李海红， 等. 基于虚拟样机的机床设计与仿真研究[J]. 机械设计， 2009， 26（7）： 1618.

[7]汤晓燕， 刘少军， 云忠. 基于虚拟样机技术的深海采矿主动式升沉补偿系统设计[J]. 北京工业大学学报， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 杨建民， 肖龙飞. FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析[J]. 中国造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陈立平， 张云清， 任卫群， 等. 机械系统动力学分析及Adams应用教程[M]. 2版. 北京： 清华大学出版社， 2006： 2429.

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

[11]安维杰， 范模. 海洋石油工程设计指南（第9册）： FPSO与单点系泊系统设计[M]. 北京： 石油工业出版社， 2007： 9293.

[12]杨建明， 肖龙飞， 盛振邦. 海洋工程水动力学试验研究[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2007： 8687.（编辑武晓英）

摘要： 针对难以直接测量FPSO软刚臂系泊系统受力的问题，在对软刚臂系泊系统运动特性进行分析的基础上，提出基于姿态响应的系泊力间接测量方案，通过测量系统角度变化计算系泊力.用Adams建立系泊系统虚拟样机模型，将通过角度变化计算得到的系泊力与仿真得到的系泊力进行对比，两者吻合较好，验证设计方案的正确性.通过在FPSO现场的实施证明测量方案的可行性.

关键词： 软刚臂系泊系统； 系泊力测量； 虚拟样机； 现场监测

中图分类号： TU392.5文献标志码： 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

随着科技的发展，对浮式平台进行现场监测并获得真实的载荷和响应，以验证设计、保障生产安全已经成为海洋工程的重要发展方向之一.[1]系泊系统是浮式平台的关键设施，对系泊系统的受力监测是浮式平台监测系统的核心.BROWN等[2]对北海浮式平台的系泊系统进行深入的现场监测和检验，刘超等[3]设计浮式平台悬链线式系泊系统系泊力的测量方案，通过间接测量计算浮式平台系泊力.对于渤海FPSO广泛使用的软刚臂系泊系统的受力监测却鲜有研究.对于在役的浮式平台，埋设传统的测力传感器直接测量系泊力是不可行的；而基于应变的测量方法，由于结构庞大复杂，测点的选择比较困难，加之海上环境恶劣，应变测量的长期性难以保证.[4]因此，针对特定结构设计可行的系泊力测量方案成为浮式平台监测的难点.通过对软刚臂运动特性分析，提出基于姿态响应的软刚臂系泊力间接测量方案.在海洋平台上的测量工程大、成本高，因此设计的方案需经过大量试验验证后才能实施.传统的试验验证周期长、成本高，且很难避免比尺效应的影响.目前，对浮式平台监测系统的试验验证研究很少，苑双双[5]通过6自由度平台模拟浮体运动验证浮体姿态测量系统设计的正确性.

虚拟样机技术采用计算机仿真和虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真和分析.虚拟样机建立在计算机上的原型系统，在一定程度上具有与物理样机相同的功能，可以代替物理样机进行虚拟实验，节省时间和成本.高清冉等[6]通过虚拟样机技术实现对机床设计方案的验证，汤晓燕等[7]基于虚拟样机设计深海采矿主动式升沉补偿系统.针对设计的系泊力测量方案，本文应用Adams建立软刚臂系泊系统虚拟样机模型，通过分析验证设计的正确性，通过现场试验证明该方案在实际应用中有很好的效果.

该系统主要由系泊构架、系泊腿、压载舱和系泊刚臂等组成.软刚臂右端通过铰接头与单点小平台上部旋转部分相连，使船体在环境载荷作用下具有风标效应，时刻处于合外力最小位置；同时，铰接头包括pitch和roll等2个方向转轴，能够释放船体的升沉和横纵摇运动约束.软刚臂另一端为压载舱，其为船体运动提供回复力，当船体离开平衡位置朝向或者远离平台运动时，压载舱能够通过重力将船体恢复到平衡位置.系泊腿两端通过铰接点将船体与软刚臂连接在一起，形成一套完整的系泊体系.

4结论

通过设计、验证以及在现场实施浮式平台系泊力间接测量方案，得到以下结论：

（1）虽然基于二维的理论分析存在一定的简化，但由于单点系泊FPSO风标效应良好，船体的横向运动并不显著，设计监测方案计算的系泊力与仿真的结果吻合得较好，在较恶劣的海况下误差也能控制在10%以内.

（2）现场应用表明，倾角传感器具有稳定、便宜和精度好等优点，通过测量角度变化计算系泊力的设计方案具有很好的实用性，该方案能较好地解决FPSO系泊力测量的难题.

（3）将虚拟样机与现场监测相结合，通过仿真结果与实测结果比较，能对现役结构的健康状态进行评价，为平台的安全运行提供建议.

参考文献：

[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]刘超. 深水浮式平台原型测量与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2012.

[4]李爱群， 周广东. 光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望（I）： 应变、温度测试[J]. 东南大学学报， 2009， 39（6）： 12991305.

[5]苑双双. 浮式海洋平台原型测量与监测技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[6]高清冉， 孙海燕， 李海红， 等. 基于虚拟样机的机床设计与仿真研究[J]. 机械设计， 2009， 26（7）： 1618.

[7]汤晓燕， 刘少军， 云忠. 基于虚拟样机技术的深海采矿主动式升沉补偿系统设计[J]. 北京工业大学学报， 2008， 34（5）： 454458.

[8]李欣， 杨建民， 肖龙飞. FPSO软刚臂单点系泊系统动力分析[J]. 中国造船， 2005， 46（S1）： 141148.

[9]陈立平， 张云清， 任卫群， 等. 机械系统动力学分析及Adams应用教程[M]. 2版. 北京： 清华大学出版社， 2006： 2429.

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

[11]安维杰， 范模. 海洋石油工程设计指南（第9册）： FPSO与单点系泊系统设计[M]. 北京： 石油工业出版社， 2007： 9293.

[12]杨建明， 肖龙飞， 盛振邦. 海洋工程水动力学试验研究[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2007： 8687.（编辑武晓英）