Dynamische Analyse von Schleppkabeln mit variabler Länge bei Wendemanövern

Oct 16, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3525 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Konfiguration von Schiffsschleppseilen ändert sich während des Drehvorgangs erheblich, wobei der Drehvorgang mit fester Seillänge am häufigsten vorkommt. Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen die Konfiguration und die dynamischen Eigenschaften des Schiffsschleppkabels berücksichtigt werden. In bestimmten Betriebssituationen muss der Schlepper jedoch während der Drehung das gezogene Seekabel freigeben, was zu einer ständigen Änderung der Länge des Seekabels führt. Vor diesem Hintergrund wird das gezogene Kabel in ein konzentriertes Massenmodell diskretisiert, das auf der Methode der konzentrierten Masse basiert, und das dynamische Analysemodell des Rotationsprozesses des gezogenen Kabels mit variabler Länge bei unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten und unterschiedlichen Tiefen wird erstellt. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der spezifischen Parameter eines Schleppsystems in Kombination mit den spezifischen Seebedingungen eines bestimmten Seegebiets. Die Analyse der Zeitbereichskopplung wird verwendet, um die dynamischen Änderungen in der Konfiguration und Belastung von Schiffsschleppkabeln bei verschiedenen Freigabegeschwindigkeiten und -tiefen zu bestimmen. Die Ergebnisse der Berechnungen haben eine gewisse richtungsweisende Relevanz für eine bestimmte Ingenieurspraxis.

Ozeanschleppsysteme werden in einer Vielzahl von Disziplinen immer wichtiger, darunter Meeresüberwachung, militärische Ortung, Kartierung des Meeresbodens und Marineverteidigung, da die Entwicklung der Ozeane voranschreitet1,2,3. Zu den Systemen in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen gehören das Schleppschiff, das Schleppkabel und der Schleppkörper. Das gezogene System führt während des Betriebs häufig eine Vielzahl von Bewegungen aus, darunter lineare Beschleunigung, Drehung und Zick-Zack-Bewegung4,5,6,7. Die Steady-State-Studien von Choo und Casarella8 sind in erster Linie für unser aktuelles Verständnis darüber verantwortlich, wie eine Unterwasser-Schleppleine beim Manövrieren eines Schiffes konfiguriert ist. Chapman9 identifizierte drei Arten dynamischen Kabelverhaltens: eine allmähliche Kurve mit einer niedrigen Schleppgeschwindigkeit und einem großen Verhältnis von Wenderadius zu Seillänge, eine scharfe Kurve mit einer hohen Schleppgeschwindigkeit und einem kleinen Wenderadius R zur Seillänge L (Verhältnis R/L). und der Übergangszustand zwischen zwei Windungen. Für eine gegebene Schleppgeschwindigkeit bestimmte er einen kritischen Schiffswenderadius, oberhalb dessen das Kabel-/Fahrzeugsystem eine Gleichgewichtsform beibehält, die fast der ebenen Konfiguration entspricht, die mit einer geradeaus ziehenden Schiffsflugbahn verbunden ist. Unterhalb des erforderlichen Wenderadius versagt der Schleppmechanismus effektiv. Ein vollständiges Wendemanöver-Beispiel wurde von Ablow und Schechter10, Milinazzo et al.11, Gobat und Grosenbaugh12 und vielen anderen zur Veranschaulichung und Validierung der Praktikabilität ihrer nichtlinearen dynamischen Modalitäten verwendet.

Viele Forscher untersuchen mittlerweile das dynamische Verhalten von Unterseekabeln bei Schiffsmanövern. Kishore und Ganapathy13 simulierten beispielsweise das Verhalten einer gezogenen Anlage während eines Vollkreis-Wendekurses. Die Fallstudien wurden für unterschiedliche Schleifenradien, Schlepplängen, Schleppgeschwindigkeiten und abgeschnittene Schleifen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass eine Reduzierung der Schleppgeschwindigkeit während einer Schleife von 9,85 m/s auf etwa 3,5 m/s zu einem starken Abfall der Schlepppunktspannung führt. Die schnelle Entspannung der Zugpunktspannung kann zu schwerwiegenden Problemen am Bordende des Kabels führen. Grosenbaugh14 untersuchte das dynamische Verhalten eines Schleppkabelsystems, das sich daraus ergibt, dass das Schleppschiff seinen Kurs von einer geraden Schleppbahn zu einer Bahn ändert, die eine stetige kreisförmige Drehung mit konstantem Radius beinhaltet. Buckham et al.15 und Lambert et al.16 entwickelten ein mathematisch-rechnerisches Modell eines gezogenen Unterwasserfahrzeugsystems und diskutierten eine Anwendung des Modells zur Verbesserung der Leistung des Systems während eines Wendemanövers. Das mathematische Modell wurde mit nichtlinearen numerischen Simulationen eines autonomen Oberflächenfahrzeugs und eines aktiv verwalteten Schleppfischs verbunden. Zur Simulation des gezogenen Kabels wurde die Lumped-Masse-Näherung verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Simulation eines gezogenen Unterwasserfahrzeugs in einem Optimierungsalgorithmus verwendet werden könnte, um die optimale Ballonkurvengeometrie für ein Kehrtwendemanöver zu finden. Wang und Sun17 simulierten parametrisch die dynamische Reaktion eines Schleppkabelsystems auf Schiffsmanöver. Es wurde der Einfluss dreier dimensionsloser Parameter auf die Manövrierfähigkeit des Schleppkabelsystems untersucht: Verhältnis von Gesamtlänge zu Wenderadius, Verhältnis von Kabelmasse zu Fahrzeugmasse und Verhältnis von Masseneinheitslänge zu hydrodynamischer Kraft. Die Ergebnisse zeigten, dass das Übergangsverhalten zwischen zwei kleinen Kreiskurven mit gleichen Radien einen zunehmenden Wendeeffekt auf die allmähliche Kurve zeigte, die die horizontale Flugbahn dominiert. Zhang et al.18 untersuchten die dynamischen Eigenschaften von Kabeln fester Länge im Drehzustand des Schleppschiffs. Es wurde festgestellt, dass die Biegeänderungen der Kabel in der Nähe von 15 m zum Kopf- und Endende hin häufiger und schwerwiegender waren. Zhao et al.19 entwickelten ein vollständig gekoppeltes dreidimensionales dynamisches Modell eines gezogenen Kabelkörpersystems. Es wurden numerische Simulationen für verschiedene Manöver durchgeführt, einschließlich des Geradeaus- und Kehrtwende-Schleppmanövers. Die numerische Simulation und die Seeversuchsdaten wurden verglichen und die Ergebnisse zeigten, dass die numerische Simulation und die Seeversuchsdaten gut übereinstimmten. Mithilfe einer numerischen Technik schätzten Yuan et al.20, wie sich ein Unterwasserschleppsystem auf die Manövrierfähigkeit des Schleppschiffs auswirken würde. Es wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit, der Wenderadius und der Rollwinkel des Schleppschiffs während des Wendemanövers verringert waren. Zhang et al.21 untersuchten die dynamische Reaktion eines Kabelschleppsystems während eines 180-Grad-Kehrtwendemanövers des Schiffes. Basierend auf einem dreidimensionalen Klumpenparameter-Ansatz wurde ein numerisches Modell von Seekabeln mit Biegesteifigkeit vorgestellt und von OrcaFlex validiert.

Das dynamische Verhalten eines Schleppseils in einer Kurve könnte der Literatur zufolge als Kompromiss zwischen der Periode der Kurve und der Abklingdauer des Übergangs angesehen werden. Ein langer Zeitraum bestimmt ein stabiles Kabelsystemprofil in einer Kurve mit einem großen Radius22,23. Stattdessen führt eine langsame Abklingphase zu einem starken Rückgang der Tiefe. Die aus früheren Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zum Kabeltransientenverhalten sind jedoch nicht ausreichend fundiert. Das transiente Verhalten des Schleppseilsystems bei verschiedenen Schiffsmanövern ist kaum bekannt. Wenn der Schlepper beispielsweise die U-Boot-Pipeline verlegt, gibt der Schlepper beim Wenden das Kabel frei24. Bei Schiffswendemanövern, wenn die Kabellänge schwankt, ist es ungewiss, wie sich Schleppkabelsysteme verhalten würden25,26. In dieser Arbeit wird das Schleppkabel in ein Lumped-Mass-Modell diskretisiert, das auf der Lumped-Mass-Methode unter Bezugnahme auf die spezifischen Parameter eines Schleppsystems in Verbindung mit den spezifischen Seebedingungen eines bestimmten Meeresgebiets basiert. Anschließend wird ein dynamisches Analysemodell des Rotationsprozesses eines Seekabels mit variabler Länge bei unterschiedlichen Auslösegeschwindigkeiten und unterschiedlichen Tiefen erstellt. Die dynamischen Änderungen der Konfiguration und Spannung von Seekabeln bei unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten und unterschiedlichen Tiefen werden durch Zeitbereichskopplungsanalyse ermittelt.

Im Meer ist das Kabel ein typisches dünnes, flexibles Bauteil. Die dünnen flexiblen Komponenten im Ozean müssen zunächst ein statisches Gleichgewicht erreichen und ihre statische Gleichgewichtsform annehmen, bevor mit der dynamischen Simulation begonnen werden kann. Daher muss der Schritt des statischen Gleichgewichts an erster Stelle stehen. Zur Berechnung des statischen Gleichgewichts dünner flexibler Offshore-Komponenten wird die hier kurz beschriebene Kettenlinienmethode verwendet. Wie in Abb. 1 dargestellt, ist ds ein bestimmtes Mikroelement am Kabel, D und F sind die Fluidkräfte pro Längeneinheit entlang der vertikalen bzw. tangentialen Richtung des Kabelelements. T ist die Spannung des Kabels. φ ist der Winkel zwischen dem Kabelelement und der Wasserströmungsrichtung, der als Kabelwinkel bezeichnet wird. dT und dφ sind die kleinen Inkremente der Spannung am Seilelement ds bzw. des Seilwinkels φ. w ist das Unterwassergewicht des Kabels pro Längeneinheit.

Diagramm der Kraft des Kabelmikroelements.

In Normalrichtung des Kabelelements:

Dabei ist ρ die Flüssigkeitsdichte, g die Schwerkraft des Kabel-Mikroelements, A die Querschnittsfläche des Kabel-Mikroelements, h die Wassertiefe und z die Meeresbodentiefe.

In Tangentenrichtung des Kabelelements:

Die scheinbare Spannung T* = T − ρgA(h − z) wird eingeführt, die obigen Gleichungen können wie folgt geschrieben werden:

Der Kürze halber wird das Apostroph * am T weggelassen.

Die beiden oben genannten Kabelausgleichsgleichungen sind nichtlinear und analytische Lösungen sind schwer zu finden. Unter bestimmten Voraussetzungen ist es möglich, eine einfachere analytische Lösung zu suchen. Wenn das Kabel schwer ist oder die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, ist die auf das Kabel einwirkende Kraft größtenteils die Schwerkraft, und die Flüssigkeitskraft kann vernachlässigt werden. Die Gleichungen (3) und (4) können wie folgt vereinfacht werden:

Teilen Sie (5) und (6):

Somit:

Dabei ist T die Spannung des Kabels, wenn der Kabelwinkel \(\varphi_{0}\) 0 ist.

Ersetzen Sie Gl. (8) in Gl. (5) und messen vom Ursprungspunkt aus, integrieren von der Kabellänge s0 zur Kabellänge s (stellen Sie die Kabelwinkel an den beiden Stellen auf φ0 bzw. φ ein), die folgende Gleichung. (9) kann erhalten werden:

Sei Th = T0cosφ0, also:

Die folgende Gleichung kann durch Einsetzen von dx = dscosφ in Gleichung erhalten werden. (5):

Ebenso gilt die Gl. (12) kann durch Einsetzen von dz = dssinφ in Gleichung erhalten werden. (5):

Die Gleichungen (11) und (12) sind Ausdrücke zwischen der Kabellänge, dem horizontalen Abstand und dem vertikalen Abstand an zwei beliebigen Punkten im statischen Gleichgewichtsstadium des Kabels. Wenn die untere Grenze des Integrals am Ursprungspunkt genommen wird, dann gilt:

Wenn a = Th/w, gibt es:

Daraus kann man schließen:

Somit sind Gl. (10) und (12) können wie folgt geschrieben werden:

Die Gleichungen (17) und (18) sind Kettengleichungen.

Aus Gl. (17) und (18) können wir erhalten:

So entstand der klassische Kettenarenansatz, der auf der Idee beruht, dass Fluidkräfte die Schwerkraft überwiegen. Die Geometrie des Kabels im Stadium des statischen Gleichgewichts in dieser Arbeit basiert auf der oben genannten Theorie, da diese Technik eine eindeutige analytische Antwort liefern kann und daher als analytische Kettenmethode bezeichnet werden kann.

Die numerischen Methoden zur Kabelanalyse lassen sich in drei Kategorien einteilen: Finite-Elemente-Methode, Finite-Differenzen-Methode und Lumped-Mass-Methode. Die Finite-Elemente-Methode wird häufig in technischen Berechnungen eingesetzt. Bei der Untersuchung flexibler Steigleitungen werden jedoch mit zunehmender Länge der flexiblen Steigleitung mehr Komponenten und Knoten vorhanden sein. Die Steifigkeitsordnung der Matrix steigt mit zunehmender Anzahl von Elementen und Knoten und die Matrix wird extrem dünn besetzt. Daher ist das Erreichen der Konvergenz des Rechenprozesses eine Herausforderung und erfordert eine erhebliche Menge an Rechenzeit. Ein numerischer Ansatz zur Lösung von Differentialgleichungen von Unterwasserpipelines ist die Finite-Differenzen-Methode, wobei Differentialgleichungen, einschließlich gewöhnlicher und partieller Differentialgleichungen, abgedeckt werden. Die diskrete Approximation des Differentials, die für die Finite-Differenzen-Technik erforderlich ist, verwendet die Funktionswerte der diskreten Punkte, um das Differential des Punktes zu schätzen. Der Hauptvorteil der Finite-Differenzen-Methode besteht darin, dass sie leicht zu verstehen ist und keine Erstellung von Formfunktionen erfordert. Für technische Probleme mit komplizierten Randbedingungen ist es jedoch nicht geeignet. Die Methode der konzentrierten Masse berechnet direkt nach dem zweiten Newtonschen Gesetz, indem sie das Kabel als eine Reihe von Knoten annähert, die durch masselose lineare elastische Elemente verbunden sind, und verteilte Kräfte wie Schwerkraft und Fluiddynamik auf die verteilten Knoten des Kabels anwenden. Dies steht im Gegensatz zur Finite-Differenzen-Methode, die die maßgebliche Gleichung aus der Sicht der Mikroelemente löst.

In dieser Arbeit wird die Methode der konzentrierten Masse als Berechnungsmethode für Versorgungskabel verwendet. Die Idee dieser Methode besteht darin, das Kabel in N Segmente zu unterteilen und die Masse jedes Elements auf einen Knoten zu konzentrieren. Es gibt N + 1 Knoten, während die auf die Enden jedes Segments wirkende Spannung T und Scherung V auf einen Knoten konzentriert werden kann und jede externe hydrodynamische Last auf den Knoten konzentriert wird. Die Bewegungsgleichung des i-ten Knotens (i = 0, 1…N) lautet:

wobei R die Knotenposition des Kabels darstellt.

\(M_{Ai} = \Delta \overline{s}_{i} \left( {m_{i} + \frac{\pi }{4}D_{i}^{2} (C_{an} - 1)} \right)I - \Updelta \overline{s}_{i} \frac{\pi }{4}D_{i}^{2} (C_{an} - 1)(\tau_{i} \otimes \tau_{i - 1} )\) ist die Massenmatrix eines Knotens, I ist eine 3 × 3-Identitätsmatrix; \(T_{ei} = EA\varepsilon_{i} = EA\frac{{\Delta s_{0i} }}{{\Delta s_{\varepsilon i} }}\), was für die effektive Spannung bei einem bestimmten Wert steht Knoten; \(\Delta s_{0i} = \frac{{L_{0} }}{{\left( {N - 1} \right)}}\), was die ursprüngliche Länge jedes Segments darstellt; \(\Delta s_{\varepsilon i} = \left| {R_{i + 1} - R_{i} } \right|\), die gestreckte Länge jedes Segments; EA, axiale Steifigkeit des Kabels. \(F_{{dI_{i} }}\) stellt die externe Hydrodynamik jedes Knotens dar, die gemäß der Morison-Gleichung berechnet wird.

Um die Korrektheit der Lumped-Mass-Methode zu überprüfen, wird ein gezogenes Kabel genommen und unter der angegebenen Randbedingung27 bewegt. Die Berechnungsergebnisse werden mit den vorherigen Ergebnissen verglichen. Das gezogene Kabel umfasst Kabel, Array und Bremsdroge. Die Eigenschaften des gezogenen Kabels sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Ein Punkt in 8,2 m Höhe des Array-Profils wird ausgewählt und mit den vorherigen Studien verglichen. Die Variationen der Tiefe werden mit den Ergebnissen von Gobat und Grosenbaugh28 und Ablow10 verglichen. Die Ergebnisse des Lumped-Mass-Modells sind in Abb. 2 dargestellt und stimmen mit früheren Untersuchungen überein und zeigen, dass die minimale Tiefe eher der gemessenen Tiefe ähnelt. Alle Vergleiche zeigen, dass der Ansatz der konzentrierten Masse recht präzise ist.

Validierung für die numerische Methode.

Das obere Ende des Seekabels ist in OrcaFlex mit dem Heck des Schleppers verbunden und das untere Ende ist am Meeresboden verankert. Die ursprüngliche Form des Seekabels ist eine Oberleitung. Die Meeresumweltparameter sind wie folgt: Die Dichte des Meerwassers beträgt 1025 kg/m3, kein Wind oder Wellen und die Strömungsgeschwindigkeit beträgt 0 m/s. Die Seekabelparameter sind: Der Außendurchmesser des Seekabels beträgt 0,9652 m, der Innendurchmesser beträgt 0,9015 m, der Elastizitätsmodul beträgt 22.000 MPa, das Poisson-Verhältnis beträgt 0, die Dichte beträgt 7,85 t/m3, der normale zusätzliche Massenkoeffizient ist 1 und der normale Schleppkraftkoeffizient beträgt 0,8. Da die Oberflächenbeschichtung des Seekabels glatt ist (die Oberflächenbeschichtung des Seekabels beträgt 0,05715 m und seine Dichte beträgt 2,4 t/m3), betragen der axiale zusätzliche Massenkoeffizient und der axiale Widerstandskraftkoeffizient beide 0. Der normale Reibungskoeffizient zwischen dem Seekabel und dem Meeresboden beträgt 1 und der axiale Reibungskoeffizient zwischen dem Seekabel und dem Meeresboden beträgt 0, da das Seekabel nicht durch den Meeresboden verläuft.

Der Schlepper führt in den ersten 20 Sekunden eine direkte Bewegung mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s aus und beginnt dann eine Wendebewegung mit einer Dauer von 900 Sekunden. Die Kreiselgeschwindigkeit des Kreiselschleppers beträgt 0,2°/s und die Lineargeschwindigkeit des Kreiselschleppers beträgt 1 m/s. Nach Abschluss der 900-s-Kreisel beendete der Schlepper den Kreiselmodus und führte 500 s lang einen direkten Kurs aus, immer noch mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s im direkten Kurs. Die Spitze des Seekabels ist mit dem Heck des Schleppers verbunden und die anfängliche Länge des Seekabels beträgt beim Aussetzen 1950 m.

Bei der Analyse des Einflusses der Freigabegeschwindigkeit auf die dynamischen Eigenschaften des Freigabevorgangs des Seekabels wird die Wassertiefe auf 100 m gehalten und das Seekabel wird mit einer Geschwindigkeit von 0,8, 0,9, 1,0, 1,1 und 1,2 m freigegeben /s bzw. während der Drehung des Schleppers. Der glättende Wachstumskontrollfaktor wurde verwendet, um das gleichmäßige Wachstum des Schleppkabels während des Freigabeprozesses zu steuern, und der Wachstumsfaktor des niedrigsten variablen Segments wurde auf 0,001 eingestellt. Wenn Sie den Einfluss der Wassertiefe auf die dynamischen Eigenschaften der Segmentierung des Seekabels analysieren, halten Sie die Freigabegeschwindigkeit des Seekabels bei 1 m/s und stellen Sie die Wassertiefe auf 50, 75, 100, 125 und 150 m ein. jeweils. Der Prozess der Schiffskabelfreigabe beim Wendevorgang eines Schleppers ist in Abb. 3 dargestellt.

Modell eines Seekabels mit variabler Länge während des Drehvorgangs.

Abbildung 4 zeigt die Spannung eines Schiffskabels an zwei Enden mit unterschiedlichen Entspannungsgeschwindigkeiten während des Drehvorgangs. Das obere Ende des Seekabels ist mit dem Heck des Schleppers verbunden und das untere Ende hat Kontakt zum Meeresboden. Die maximale Spannung des unteren Endes ist größer als die des oberen Endes. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass das Kabel und der Meeresboden während des Auslösevorgangs ständig reiben. Die Drehung des Schleppers erzeugt auch eine Widerstandskraft am unteren Ende des Kabels. Daher umfassen die Kräfte am unteren Ende die eigene Schwerkraft, die Reibungskraft am Meeresboden und die Widerstandskraft.

(a) Spannung des Seekabels am oberen Ende bei unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten; (b) Spannung des Seekabels am unteren Ende bei unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten.

Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass bei niedriger Auslösegeschwindigkeit des Kabels (0,8–0,9 m/s) mit zunehmender Auslösegeschwindigkeit die maximale Spannung an der Ober- und Unterseite des Kabels abnimmt. Im Ganzzeitbereich nimmt die Spannung an beiden Enden des Kabels im Bereich von 0–500 s zunächst zu und dann ab, während die Spannung an beiden Enden des Kabels nach 500 s abnimmt und sich auf einem niedrigeren Wert stabilisiert . Mit der Erhöhung der Auslösegeschwindigkeit (1–1,2 m/s) werden die Schwankungen der Spannung an der Ober- und Unterseite des Kabels im Zeitbereich deutlich reduziert und die maximale Spannung an beiden Enden des Kabels deutlich reduziert Im Vergleich zu der Freigabe bei niedriger Geschwindigkeit ist die Zeit, in der die Spannung stabil ist, deutlich vorverlegt. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass sich bei geringer Auslösegeschwindigkeit die durch die Drehung des Schleppers und das Eigengewicht des Seils verursachte Zugwirkung auf beide Enden des Seils konzentriert. Mit der Beschleunigung der Auslösegeschwindigkeit wird jedoch der durch die Drehung des Schleppers und das Eigengewicht des Kabels verursachte Widerstandseffekt teilweise aufgehoben. Wenn daher die Auslösegeschwindigkeit hoch ist, zeigt die maximale Spannung an beiden Enden des Kabels mit zunehmender Auslösegeschwindigkeit einen deutlichen Abwärtstrend. Der Grund dafür ist, dass, wenn das Kabel mit sehr hoher Geschwindigkeit freigegeben wird, die axiale Spannung des Kabels, die durch das drehende Ziehen des Schleppers und das Eigengewicht des Kabels verursacht wird, gleich (oder sogar kleiner) der erhöhten Freigabe des Kabels ist zu diesem Zeitpunkt. Daher ist es verständlich, dass das Kabel zu diesem Zeitpunkt grundsätzlich keiner Spannung ausgesetzt ist, sodass die Spannung an beiden Enden äußerst gering ist. Weitere Beobachtungen zeigen, dass die Spannung an beiden Enden des Kabels erheblich abnimmt, wenn die Drehgeschwindigkeit des Schleppers gleich der Freigabegeschwindigkeit des Kabels ist. In diesem Fall entspricht die Zugdehnung des Kabels, die durch die Drehung des Schleppers bei jedem Zeitschritt verursacht wird, ungefähr der Längenzunahme des Kabels. Wenn daher die Freigabegeschwindigkeit des Kabels mit der linearen Geschwindigkeit des Schleppers übereinstimmt, wird sich das Kabel während des gesamten Wendevorgangs nicht wesentlich dehnen. Wenn die Freigabegeschwindigkeit des Kabels niedriger ist als die Drehgeschwindigkeit des Schleppers, ist die maximale Spannung an der Unterseite des Kabels größer als die maximale Spannung an der Oberseite des Kabels, was bedeutet, dass die Spannung an der Unterseite des Kabels größer ist ist größer als die Oberseite des Kabels, wenn die Freigabegeschwindigkeit des Kabels geringer ist als die Drehgeschwindigkeit des Schleppers.

Abbildung 5 zeigt die Konfigurationen von Seekabeln in der Draufsicht mit unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten während des Drehvorgangs. In Abb. 5 beträgt die Länge einer kleinen Gitterlinie 50 m. Die weiße Linie ist die Overhead-Projektion des Kabels bei jedem Zeitschritt während des Wendevorgangs. Wenn bei konstanter Wassertiefe die Freigabegeschwindigkeit des Kabels zu gering ist, kann es während der Geradeausfahrt und der Drehphase des Schleppers mit kleinem Winkel sehr leicht zu einer Überdehnung des Kabels kommen. Wenn sich die Auslösegeschwindigkeit der Schleppergeschwindigkeit nähert, wird der Trend dieser Überdehnung des Kabels allmählich schwächer. Wenn die freigegebene Geschwindigkeit mit der Drehgeschwindigkeit übereinstimmt, wird das Kabel in diesem Stadium nicht zu stark gedehnt, da die Dehnung des Kabels bei jedem Zeitschritt ungefähr der gesamten Vorwärtsbewegung des Schleppers bei jedem Zeitschritt entspricht. Da die Auslösegeschwindigkeit weiter zunimmt und der Drehvorgang weitergeht, wird der Unterwasseraufhängungsteil des Kabels nicht bei jedem Zeitschritt stark gedehnt. Meistens liegt das Kabel in loser Kettenform auf dem Meeresboden. Wenn die Freigabegeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit übersteigt, ist die freigegebene Länge des Kabels bei jedem Zeitschritt größer als die Vorwärtsverschiebung des Schleppers. Mit zunehmender Zeitspanne kann es zu lokalen Biegungen, Verdrehungen und Verwicklungen im Kabel kommen. Bei der Simulationsmodellierung verringert dies die Konvergenz des Gesamtsystems. In praktischen Projekten kommt es durch lokale Verwicklungen des Kabels zu lokalem Verschleiß und übermäßiger Biegebeanspruchung des Kabels. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Freigabegeschwindigkeit des Seekabels nicht zu klein oder zu groß sein und die Drehgeschwindigkeit des Schleppers nicht überschreiten sollte. Abgesehen von anderen Faktoren ist die Auslösegeschwindigkeit des Seekabels, die mit der Drehgeschwindigkeit des Schleppers übereinstimmt, die geeignete Auslösegeschwindigkeit des Seekabels.

Konfigurationen des Seekabels in der Draufsicht bei unterschiedlichen Freigabegeschwindigkeiten während des Drehvorgangs: (a) 0,8 m/s; (b) 0,9 m/s; (c) 1,0 m/s; (d) 1,1 m/s; (e) 1,2 m/s.

Das Seil wird sich während des gesamten Wendevorgangs nicht merklich ausdehnen, wie in „Dynamische Eigenschaften bei unterschiedlichen Auslösegeschwindigkeiten“ gezeigt, wenn die Auslösegeschwindigkeit des Seils mit der Wendegeschwindigkeit des Schleppers übereinstimmt. Daher ist die Freigabegeschwindigkeit des Kabels in diesem Teil gleich der Drehgeschwindigkeit des Schleppers, die beide 1 m/s betragen, um den Einfluss der Wassertiefe auf die dynamischen Eigenschaften des Kabels zu untersuchen. Abbildung 6 zeigt die Spannung des Seekabels an zwei Enden während des Wendevorgangs in verschiedenen Wassertiefen. Die Zeitbereichsbilder der Belastung an beiden Enden des Kabels bei gleicher Wassertiefe weisen ein erhebliches Maß an Ähnlichkeit auf, wenn sowohl die Drehgeschwindigkeit des Schleppers als auch die Freigabegeschwindigkeit des Kabels konstant sind. Die maximale Spannung am Kabel an beiden Enden erhöht sich mit der Wassertiefe. Allerdings ist die maximale Spannung des Kabels an der Spitze etwas höher als an der niedrigsten Stelle, wenn das Meer flach ist (50–125 m).

(a) Spannung des Seekabels am oberen Ende bei verschiedenen Wassertiefen; (b) Spannung des Seekabels am unteren Ende bei verschiedenen Wassertiefen.

Darüber hinaus ist bei einer Wassertiefe zwischen 0 und 50 m die Spannung am Kabelboden über den gesamten Zeitbereich praktisch konstant. Im Wassertiefenbereich von 0–50 m kann die bei jedem Schritt freigegebene Länge des Kabels die Form des Kabelbodens beibehalten, was zu einer schwachen Traktionswirkung führt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung an der Unterseite des Kabels nahezu konstant. Bei einer Wassertiefe zwischen 100 und 125 m steigt die Spannung an beiden Enden des Seils im Zeitbereich zunächst an und nimmt dann schlagartig ab. Die Spannung bleibt innerhalb von 0–200 s grundsätzlich unverändert, nimmt in 200–500 s wieder ab und bleibt nach 500 s unverändert. Wenn die Wassertiefe 75 m unter der mittleren Wassertiefe liegt, ist die Zeitbereichsschwankung der Spannung an beiden Enden des Kabels völlig unterschiedlich. Die Spannung des Spitzenkabels bleibt im Zeitbereich zunächst konstant und sinkt dann allmählich auf einen stabilen Wert ab. In dieser Tiefe schwankt die Bodenspannung im Laufe der Zeit nicht. Dies weist darauf hin, dass der Wendevorgang eine geringe Wassertiefe aufweist, wodurch die Spannungsschwankungen an beiden Enden des Kabels verringert werden. Dies ist für den Kabeleinsatz relevant und hat eine leitende Bedeutung für die tatsächliche Ingenieurpraxis. Weitere Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmender Wassertiefe die Zeitspanne, in der die Spannung an beiden Enden der Leine konstant bleibt, bevor sie abfällt, abnimmt. Bei einer Wassertiefe von mehr als 150 m lässt die Spannung an beiden Enden der Leine nach Erreichen ihres Maximums schnell nach. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Zeit, die die Spannung an beiden Enden des Kabels benötigt, um stabil zu bleiben, bevor sie abfällt, mit zunehmender Wassertiefe kontinuierlich abnimmt. Bei einer Wassertiefe von 150 m sinkt die Spannung an beiden Enden der Leine nach Erreichen ihres Maximums schnell ab.

Abbildung 7 zeigt die Konfigurationen von Seekabeln in der Draufsicht bei verschiedenen Wassertiefen während des Wendevorgangs. Die weiße Linie ist die Overhead-Projektion des Kabels bei jedem Zeitschritt während des Wendevorgangs. In Abb. 7 beträgt die Länge einer kleinen Gitterlinie 50 m. Bei geringer Wassertiefe wird das Kabel durch die Drehung des Schleppers und das ständige Lösen des Kabels keiner akuten Belastung ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Aufhängungsabschnitt des Kabels mit der Vorwärtsbewegung des Schleppers eine bestimmte Kettenlinienform beibehalten, und die Vorwärtsbewegung des Schleppers führt zu einer begrenzten Erhöhung der Spannung auf das Kabel, was dazu beiträgt, die Biegeverformung des Kabels aufgrund der Eigenbewegung zu verringern. Gewicht der Aufhängung. Wenn die Wassertiefe 100 m übersteigt und der Schlepper vorwärts dreht, wird der Aufhängungsabschnitt des Kabels an einem bestimmten Wendepunkt stark gedehnt, und der Zugaufhängungsabschnitt kann die Kettenform nicht mehr die ganze Zeit beibehalten. Bei geringer Wassertiefe nimmt die Biegeverformung des Aufhängungsabschnitts des Kabels im Anfangsmoment ab, die Kettenlinie wird immer steiler und die Zugspannung beim Rotationsprozess nimmt zunehmend zu. Steigt die Wassertiefe auf ein bestimmtes Niveau, wird das Kabel beim Wendevorgang stark gedehnt. Dies weist darauf hin, dass es für eine bestimmte Kabelfreigabegeschwindigkeit eine Schwellenwassertiefe gibt, während die lineare Geschwindigkeit und der Rotationsradius des Schleppers konstant bleiben. Sobald die Wassertiefe erreicht ist, wird das Kabel während des Drehfreigabevorgangs irgendwann stark gezogen.

Konfigurationen von Seekabeln in der Draufsicht bei verschiedenen Wassertiefen während des Wendevorgangs: (a) 50 m; (b) 75 m; (c) 100 m; (d) 125 m; (e) 150 m.

In dieser Arbeit werden die dynamischen Eigenschaften eines Seekabels mit sich ändernder Länge bei Wendemanövern untersucht. Das Seekabel wird mithilfe der Lumped-Masse-Methode in ein Lumped-Masse-Modell diskretisiert und ein dynamisches Analysemodell des Drehvorgangs des Seekabels für verschiedene Auslösegeschwindigkeiten und Wassertiefen erstellt. Diese Studie zeigte Folgendes:

Wenn beim Drehvorgang die Freigabegeschwindigkeit des Kabels niedrig ist, nimmt die maximale Spannung an der Ober- und Unterseite des Kabels ab. Die durch die Drehung des Schleppers und das Eigengewicht des Seils verursachte Zugwirkung konzentriert sich auf beide Enden des Seils. Der Zugeffekt wird verringert, wenn die Auslösegeschwindigkeit des Kabels erhöht wird. Wenn die Auslösegeschwindigkeit hoch ist, nimmt die maximale Spannung an beiden Enden des Kabels mit zunehmender Auslösegeschwindigkeit deutlich ab.

Die Spannung an beiden Enden des Seils nimmt deutlich ab, wenn die Drehgeschwindigkeit des Schleppers gleich der Freigabegeschwindigkeit des Seils ist. Die Zugdehnung des Kabels, die durch die Drehung des Schleppers bei jedem Zeitschritt verursacht wird, entspricht ungefähr der Längenzunahme des Kabels. Wenn die Freigabegeschwindigkeit des Kabels mit der linearen Geschwindigkeit des Schleppers übereinstimmt, wird sich das Kabel während des gesamten Wendevorgangs nicht wesentlich dehnen.

Der Wendevorgang hat eine angemessene Wassertiefe, wodurch Spannungsschwankungen an beiden Enden des Kabels reduziert werden. Die Zeit, die benötigt wird, bis sich die Spannung an beiden Enden der Leine stabilisiert, bevor sie absinkt, nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch das Program for Scientific Research Start-up Funds der Guangdong Ocean University (060302072101), Comparative Study and Optimization of Horizontal Lifting of Subsea Pipeline (2021E05011) und die National Natural Science Foundation of China (62272109).

Ship and Maritime College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, 524088, Guangdong, China

Dapeng Zhang

Ocean College, Zhejiang-Universität, Zhoushan, 316000, Zhejiang, China

Bowen Zhao

Fakultät für Seefahrt und Transport, Universität Ningbo, Ningbo, 315211, Zhejiang, China

Keqiang Zhu

Fakultät für Elektronik und Informationstechnik, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, 524088, Guangdong, China

Haoyu Jiang

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Konzeptualisierung, DZ und BZ; Methodik, DZ; Software, KZ; Validierung, DZ und KZ; formale Analyse, DZ und BZ; Ermittlungen, KZ und BZ; Ressourcen, DZ; Datenkuration, KZ; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, DZ; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, DZ; Visualisierung, KZ; Aufsicht, DZ; Finanzierungseinwerbung, DZ und HJ Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Korrespondenz mit Bowen Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, D., Zhao, B., Zhu, K. et al. Dynamische Analyse von Schleppkabeln mit variabler Länge bei Wendemanövern. Sci Rep 13, 3525 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30731-8

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Eingegangen: 20. November 2022

Angenommen: 28. Februar 2023

Veröffentlicht: 02. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30731-8

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