深水下放作业钢丝绳吊放系统动力学分析

何宁强，汤 珂，张美荣，张新虎，段梦兰

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300450；2.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）①

深水下放作业钢丝绳吊放系统动力学分析

何宁强1，汤 珂2，张美荣1，张新虎2，段梦兰2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300450；2.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）①

深水下放作业钢丝绳动力学分析对于深水水下安装、维修等作业的顺利实施和缆体动力行为的虚拟仿真都具有重要意义。借助于动力学分析软件ADAMS对钢丝绳的动力学进行分析，确定了影响钢丝绳动力学响应的主要因素，提高了钢丝绳动力学虚拟仿真结果的精度和可靠性，对钢丝绳动力学的虚拟仿真具有指导意义。

深水作业；钢丝绳；动力学；虚拟仿真

随着海洋石油开发热点转向深水以及水下生产系统的广泛应用，使得水下的安装、维修等作业变得日益频繁和重要。在海上安装作业过程中，作业系统受到海上风、浪、流的联合作用，作业环境恶劣，风险很大。

深水作业方式主要为作业船与ROV（Remote Operated Vehicle）、HOV（Human Occupied Vehicle）与ROV。目前，作业船和ROV的作业方式是最主要的作业方式，这种作业方式受到海上风、浪、流环境的干扰更加明显。HOV与ROV的作业方式是完全在水下作业，受环境干扰较少，但是受HOV装备资源、作业能力、技术不够成熟等因素限制，应用较少。作业船和ROV作业方式是通过起重机下放设备或维修工具并在ROV的协助下完成安装或维修作业，起重机钢丝绳的动力学特性直接影响到系统的稳定性、安全性［1］。因此，分析研究作业系统动力学具有重要意义。

1 计算模型

由于钢丝绳具有较大的柔性和挠性，其几何建模有很大的不确定性，加之仿真软件类型限制，钢丝绳的建模成为仿真的关键问题。为了能够反映钢丝绳的柔性和动态特性，一般采用以下2种方法建立钢丝绳类结构的动力学仿真模型：

1） 将1条连续的钢丝绳离散成为若干段圆柱刚体，各圆柱刚体之间通过柔性连接副连接，从而建立整条钢丝绳的多刚体动力学模型。

2） 采用有限元法离散柔性体，建立钢丝绳柔性结构动力学模型。

这2种方法都能较好地满足钢丝绳的动态特性，前者适合于对振动较低的起重系统进行缆的动力学分析［2］。因此，本文采用钢丝绳多刚体方法进行模型研究深水吊放时钢丝绳的动力学特性。

1.1 钢丝绳多刚体物理模型

虽然多体动力学仿真软件中没有提供直接建立钢丝绳模型的方法，但可以将钢丝绳用许多圆柱刚性体通过球铰副或轴套力（Bushing）连接来近似模拟。采用轴套力连接对钢丝绳这种具有一定的抗弯、抗扭和抗拉刚度的系统来说，可以达到仿真要求，不会造成仿真失真现象［3］。Bushing连接实际上就是2个刚体之间在6个自由度上通过弹簧阻尼进行连接，实现2个刚体之间的柔性连接。

钢丝绳的物理模型如图1所示，坐标原点表示起重机吊点（crane tip），吊物和起重机吊点之间通过钢丝绳连接。在海水波流作用下，钢丝绳的形状发生弯曲。为了计算钢丝绳和吊物在海水波流作用下的动力学响应，将钢丝绳分成很多等长的圆柱刚体，各圆柱刚体之间建立Bushing连接，每个圆柱体上施加海水波流作用力。钢丝绳与起重机吊臂、钢丝绳和吊物的连接均使用铰链连接。

图1 吊放模型示意

1.2 环境条件

由于深水下放操作，钢丝绳大部分都浸没于海水中，海面波浪对钢丝绳的影响只是局部的。假设钢丝绳、吊物、浪流方向都在同一竖直平面内，不考虑海流的升力，海水流速随水深分布如表1所示［4］。

表1 海水流速随水深分布

1.3 钢丝绳段受力

在海洋工程中，对于相对尺度小（结构特征尺寸与波长之比小于0.2）的结构物，此类结构物的存在对波流运动无显著影响，波流对柱体的作用主要是黏滞效应和附加质量力。波流力采用莫里森公式（Morison）进行计算，它是以绕射理论为基础的半经验公式。考虑整个钢丝绳，钢丝绳段上的流体力为分布力，为了便于计算流体分布力对应的广义力，需根据等效力系的概念，将流场分布力等效变换为作用于钢丝绳段质心处的力和力矩。流场中钢丝绳所受的分布力采用莫里森公式进行计算。

式中：FMi为附加质量力；FDi为黏滞效应的拖曳力；CMi为附加质量力系数；CDi为拖曳力系数；ρ为海水密度；V0为结构物排开水的体积；ui为结构物相对于海水的速度；Ai为结构物在流动方向的投影面积。

海流力随时间的变化不大，所以主要考虑其横向阻力的作用。钢丝绳单位长度上的海流力为

式中：CD为拖曳力系数；uc为海流速度（随深度变化，某一深度范围为常数）。

2 Adams模拟

考虑1条长度为1 200 m的钢丝绳，吊机吊点至海平面的高度为20 m，这一段钢丝绳不受波流作用。由于波浪区深度有限，深水下放忽略波浪力不会产生较大的误差，因此在计算波流载荷对深水下放过程钢丝绳动力学响应影响时，只考虑海流力的作用［5］。钢丝绳的干重、湿重、直径、水动力系统如表2所示。

表2 钢丝绳参数

在Adams中建立钢丝绳的模型时，需要将钢丝绳离散为一段段的圆柱刚体，钢丝绳的段数越多整个钢丝绳的离散体表现出来的连续性越好，越接近真实的钢丝绳柔性体，因而仿真精度越高，但是计算的速度大幅下降。在计算精度和计算速度方面折中，取钢丝绳离散化的段数为240段，每段长5 m。

实际操作过程中，如果一段段去建模，既费时费力又容易出错，Adams提供的宏命令及条件循环命令可以方便快捷地解决此问题。利用宏命令建立钢丝绳的步骤如下：

首先建立一小段圆柱体，然后通过复制移动该小段圆柱体使其依次排列成为连续体，复制和移动的操作通过调入宏命令自动完成。如果要建立更长更形象的钢丝绳，或者为了提高仿真精度，只需修改宏命令中的相关参数即可。

通过循环条件命令为相邻2个圆柱添加约束，设置刚体的拉伸、扭转和弯曲刚度。然后创建钢丝绳上端与大地、下端与吊物的铰链约束。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关公式。在实际计算时，每一段的速度很小，对作用力影响不大，而且使计算速度大幅降低，因此每一段的海流力为由它所在深度海流速度确定的常数。

吊放物为大型水下结构物管汇，其长、宽、高分别为13.5、5.2、4.5 m。由于管汇外形与长方体非常相似，仿真中管汇用长、宽、高分别13.5、5.2、4.5 m的长方体代替。钢丝绳下端与管汇通过铰链连接，管汇参数如表3所示。与钢丝绳相同，管汇受到的附加质量力和拖曳力仍需要考虑。

表3 管汇参数

3 结果分析与讨论

按照如表2～3所示参数进行建模，按照表1的参数设置流速，设置仿真时间为100 s，最小积分步长为0.005 s。通过计算可以得到吊物平衡位置的水平位移为15 m，与文献［4］中的计算结果很接近。采用DNV（DNV-RP-H103）规范中的估算公式进行计算，结果为11 m，是保守估计。

吊点处的拉力响应如图2所示，可以看出：变化幅值较大，最大值约为系统总重的3～4倍，与DNV计算许可工作载荷的系数3.72很接近（安全系数为3.1，动力放大系数为1.2）。深水下放时钢丝绳重力很大，使吊放能力迅速降低，因此这种吊放方式较适合于1 000 m以内的水深。对于这种吊放方式来说，还需要注意轴向共振问题［6-8］。垂向近似为弹簧振子系统，刚度随深度增加而变小，固有频率减小。

图2 吊点处拉力响应

对于横向运动，吊物在竖直面内作摆动运动，摆动周期为68 s，与单摆系统周期相同，因此钢丝绳和吊物可以看作是1个单摆或者水平方向看作是弹簧振子。在虚拟仿真时，可以用弹簧振子系统来模拟吊物水平方向的运动，吊物所处的水深决定振动周期，海流对吊物的作用力影响吊物的平衡位置。由于求解问题，本文没有考虑系统的运动阻尼，在虚拟仿真时钢丝绳运动阻尼较小可以忽略，吊放物运动方向上可以增加适当的运动阻尼。

分别设置不同参数，研究海流力、吊放物的重力对吊物运动响应的影响。海流速度和拖曳力系数都是在一定取值范围内，当海流力每增大20 N，位移增大6 m，近似成线性关系。海流力对振动平衡位置影响很大，因此海流流速和拖曳力系数是仿真中很重要的2个参数。

吊放物的重力增大1倍（即1×106N）时，水平位移减小了5 m。因此，吊放物的重力对吊放系统的运动响应影响也很大，尤其是吊放物的重力较小的情况，吊点的运动对吊放系统影响较大，需要进一步研究。

4 结论

1） 通过建立钢丝绳多刚体模型，考虑海流环境载荷的影响，获得了钢丝绳吊放系统在不同条件下的动力学响应，包括吊物位移及吊点垂向作用力。

2） 与DNV标准公式计算结果及相关文献计算结果很接近，表面多刚体模型是研究钢丝绳吊放系统动力学响应的一种可行方法。

3） 不同条件下动力学响应结果表明：海流速度、拖曳力系数、吊物的重力对钢丝绳动力响应影响较大，因此在虚拟仿真中建立钢丝绳物理模型时海流速度、拖曳力系数、吊物的质量是需要确定的重要参数。

［1］ 王延辉，李晓平，王树新，等.水下弹性缆索动力学分析［J］.海洋工程，2005，23（3）：55-59.

［2］ 赵阳，范菊，袁梦，等.多刚体动力学在缆索动力分析中的应用［J］.船海工程，2011，40（1）：152-155.

［3］ 方子帆，吴建华.钢丝绳类索结构模型的动力学仿真研究［J］.起重运输机械，2009（2）：71-75.

［4］ Zhigang Li，Weidong Ruan，Yong Bai.The Mechanical Analysis of Subsea Manifold Lowered into Deep WATER［C］／／Beijing：Petroleum Industry Press，2012：223-239.

［5］ 林秀娟，肖文生，王鸿雁.深水采油树下放过程钻柱力学分析［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2011，35（5）：125-129.

［6］ 王懿，段梦兰，李丽娜，等.深水立管安装技术进展［J］.石油矿场机械，2009，38（6）：4-8.

［7］ 王海峡，赵广慧，余长柏，等.充液钻井隔水管的非线性动力特性分析［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：14-16.

［8］ 王莹莹，段梦兰，冯玮，等.深水管汇安装方法及其在南海荔湾3-1气田中应用研究［J］.海洋工程，2011，29（3）：23-30.

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

国家科技重大专项“深水水下应急维修装备与技术”子课题“深水水下应急维修方法研究与半物理仿真系统研制”（2011ZX05027-005-001）；国家重点基础发展计划（973计划）资助项目（2011CB013702）

何宁强（1980-），男，陕西凤翔人，工程师，硕士研究生，主要从事水下生产系统研究设计工作，E-mail：henq＠mail.cooec.com.cn。