基于OrcaFlex的潜标系统在布放过程中的动力学分析

Dynamics Analysis of Buoy System during Deployment Process Based on OrcaFlex

摘要: 潜标系统在海洋工程，海洋观测和海洋养殖中被广泛应用。本文构建了潜标系统的动力学模型，在多种海洋环境中针对于以潜标为模型的单点系泊系统，讨论了其投放过程中的动力学响应和系统受到的载荷。文中采用集中质量下多边形近似法讨论了系泊系统的动力学特性并考虑了节点之间水动力作用和缆绳的弹性形变。在时域内搭建系泊系统动力学模型并对系统中各节点的运动、整体姿态变化和缆绳受力状况进行分析。在布放过程中，通过分析潜标系统在不同海洋条件下的定位数据以及各个系统部分所受到的水动力影响和标体布放时的姿态变化规律，利用了水动力分析软件OrcaFlex构建了一套简化模型。其涵盖了在各种海况和工作状态下的情况，旨在精确计算系统在布放阶段的动态响应。

Abstract: The buoy system is one of the most commonly used positioning methods in the fields of marine engineering, ocean observation, and marine aquaculture. In this paper, the dynamics modeling of the buoy system is carried out. The dynamic response and load of the single point mooring system based on the model of the buoy system during deployment process are studied in different marine environments. The polygon approximation method based on concentrated mass is used to study the dynamics performance of the mooring system. Considering the hydrodynamic force of each node and the elastic deformation of the cable, the dynamics model of the mooring system was carried out in the time domain, analyzing the motion of the nodes, the attitude of the system and the force of the cable in the mooring system. Considering the positioning information of the buoy system during the deployment process, as well as the hydrodynamic effects of each part of the system and the attitude changes during the deployment process of the buoy, a simplified hydrodynamic analysis model under different sea conditions and different working conditions is established by using the hydrodynamic analysis software OrcaFlex, and the dynamic response of the system during the deployment process is calculated.

1. 引言

潜标是现代海洋离岸观测中的重点设施，具有对海洋水文和气象多维度信息进行独立实时监测的功能。这一技术实现了对传统海洋探测方法在时间和空间维度上的补充与扩展，因此在各大洋的海洋科学考察与研究中扮演着不可或缺的角色。潜标由于受到重力锚的限制而被定位在海底的特定区域，并借助释放器操控缆索实现其上浮与回收。这对于收集水下环境的剖面数据至关重要。其卓越的隐蔽性与稳定性超越了现有同类水下监控技术，普遍被视为在特定海洋区域测定环境参数的最佳方案。单点潜标系统能够根据风、浪、流的变化自由地调整其姿态，并倾向于系统受力最小的方向，因而具有风标的特性；同时，单点系泊结构简单，方向性好、该设计的成本显著低于其他系泊系统，并可适应不同的水深范围，覆盖范围从几十米到数千米，应用领域十分广泛[1]-[3]。尽管面临的是海上的恶劣工作环境，单点系泊系统的设计与分析仍需深入研究，以确保它在海上具有出色的稳定性和良好的环境兼容性，这无疑是一个关键的研究领域。

在单点系泊系统的布放过程研究方面：Berteaux等[4]对海洋浮/潜标的结构构成与设计分类进行了深入剖析，并为海洋浮/潜标的配置及回收制定了具体施工流程。Ostorm等[5]在技术报告中详细描述了浮/潜标系统在施工船上的部署和操作流程。Wang Y.Y.等[6]使用OrcaFlex软件对位于1500 m深海底的管汇在海洋流与波浪作用下的安装部署过程中，钻杆应力状况进行了深入分析。MA, Y.等[7]针对在指定海域布设声纳浮标的典型问题，总结了以往研究中存在的两个问题，提出了一种在水下集群目标概览情况下快速布设声纳浮标检测的方法。David W.等[8]展示了远程(>600 m)声学多普勒海流剖面仪(ADCP)进行的多年部署的数据，这些ADCP几乎完全安装在大型、稳定的海上平台上。Sara Falleni等[9]介绍了智能浮标的设计、开发和测试，用于实时远程访问水下设备，并提供电源和扩展的计算能力。远程有效地控制这些设备在海上的部署，对于加快硬件和协议开发的测试至关重要。Zhong Chao等[10]基于OrcaFlex平台模拟仿真了坐底式海底潜标投放和上浮的整个过程，通过设计系统与环境参数，完成坐底式海底潜标在投放与回收时的受力分析与动态响应计算工作，对坐底式海底潜标的设计研发与回收作业具有一定的指导作用。Thorstein R. Rykkje等[11]创建了一个模型，使用移动框架法(MFM)进行分析，用于评估波浪条件下海上浮标的运动。Ye, Jianqiao等[12]对悬链线锚腿系泊(CALM)浮标结构在波浪、水下流和风等条件下进行了水动力学分析，给出了CALM浮标在六自由度(6DoF)下的波动和升沉运动响应、响应幅度算子(RAOs)、辐射阻尼和附加质量的结果。

单点系泊系统布放过程是非常关键的环节。就潜标系泊系统而言，布放策略一般有两种：当水域空间充裕且对定位准确性要求不高时，选用“锚标法”，即浮标先行投放法；而在布放水域受限且水文条件相对良好的海域，常采用“标锚法”，又称为先行投锚法[13]。无论采取何种投放策略，系统内缆绳负载的动态变化、设备与缆绳之间的动力学表现、缆绳的安全性能指标以及重力锚在海床的定位精确度等关键因素均需深入探讨，旨在打造更加科学且高效的系泊系统。

一般对于潜标系统通常采用“标锚法”布放[14]。用船上的吊车先慢慢地将浮标投放到海水中，然后依次布放系统中的各个测量仪器，在布放的过程中船向相反的方向移动，目的是使缆索存在一定的张紧力并使其基本处于直线状态，最后将锚布放到水中，完成整个布放过程，如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of buoy deployment process

图1. 浮标布放的过程示意图

OrcaFlex软件是专门针对海洋工程的结构进行动态分析的大型水动力分析软件。其应用场景较为广泛，包括立管、锚泊系统、拖车系统和浮式结构设计，以及施工过程中的分析工作等。OrcaFlex因其用户友好的图形界面和出色的批量处理能力，受到了全球海洋工程设计师的喜爱[15] [16]。

本研究利用水动力分析软件OrcaFlex作为研究平台，构建了一个针对水下2200 m低速流影响下潜标布置的动力学分析模型，并在不同的海况和工况下进行了模拟仿真对比。基于集中质量法，考虑了缆绳的刚度变化，建立了海洋潜标系统投放过程动力学模型，在对其张力及运动响应进行分析的同时，依据水动力特性的计算结果，为真实的空间布放工作提供了指导性建议。

2. 潜标系统的动力学建模

系泊系统在使用时，可能会受到如强风、巨浪或大海急流等海上恶劣气候的威胁，这样可能导致系泊缆索系统持续运动，从而导致系缆的张力不断交替，进而可能引起系统整体的风险和安全隐患。若我们能准确了解系泊系统的动态行为，那么它将对系泊系统的设计产生指导意义，确保其稳定且安全地运行，同时也对提升其使用寿命起到了关键的推动作用。为了能够建立一个符合系泊系统物理结构和外界环境的数学模型，需要将模型进行一定的简化和假设，忽略对建模过程中影响较小的因素，考虑影响系泊缆索的重要因素。本文中不讨论系缆连接仪器的旋转和系缆扭转，对系泊系统的简化方法如下：

(1) 假设起激励作用的海流为平面流，水流在Z轴方向上没有分量，水流对系统的影响简化成二维问题。水流在三维空间内沿多个方向对系泊系统激励，海浪在三维空间内对系统激励，并且海浪在Z轴方向上具有分量。

(2) 认为系泊系统在海洋环境中受到的外力都集中在集中质量点上，忽略缆绳因扭转而产生的扭矩。

(3) 数值模拟系统的运动过程时，不考虑部件的转动，忽略系统中仪器的转动惯量。

2.1. 坐标系的建立

建立运动模型需要在特定的坐标系基础上，设定三个不同的坐标系：惯性坐标系OXYZ，潜标主体坐标系oxyz，缆索局部坐标系$o^{\prime }tnb$ 。具体方向如图2所示。其中n轴与X轴夹角为ϑ，b轴与Y轴的夹角为φ [17]。

Figure 2. Motion model coordinate system of the buoy system

图2. 潜标运动模型坐标系

2.2. 缆索运动方程

文中用基于集中质量法的弹簧–质量模型对系泊系统进行动力学建模，采用集中质量法对系缆进行处理时，将系统上的每一个仪器、浮球、重力锚等单独作为一个集中质量点进行几何简化，并且保证处理时连接在系泊缆上的仪器所承受的张力不出现失真；在分段处理系泊缆索的过程中，认为缆绳是由无质量的弹簧绞结着集中质量的节点组成的多体系统，在张紧力的作用下缆绳会出现弹性伸长，并假设每一段缆绳的质量和几何信息都集中在一个集中质量点上，并认为集中质量点位于每一段缆绳的几何中心。

Figure 3. The buoy system model based on lumped mass method

图3. 集中质量法的潜标模型

如图3所示为采用集中质量法的弹簧质量模型来离散化浮标模型的示意图。图中对浮标系统中的各组件进行了集中质量简化，任意第j分段是指节点j和节点j + 1之间的直线弹性单元，认为各段中张力的大小是恒定的，其方向沿各段切向。以方便对系统进行数值模拟。

(1) 缆索张力

第j段缆索微元在切线方向的形变产生的张力$F_T^j$ 其表达式为

$F_T^j=\{\begin{array}{l}{E}^j{A}^j\left(L^j-L_u^j\right)/L_u^j,L^j>L_u^j\\ 0,L^j\le L_u^j\end{array}$ (1)

其中：$E^j$ 为第j段缆索微元弹性模量；$A^j$ 为第j段缆索微元横截面积；$L^j$ 为第j段缆索微元变形后的长度；$L_u^j$ 为第j段缆索微元的原长。

(2) 缆索微元重力(含浮力)凝聚

设$F_G^j$ 为第j段缆索在水中单位长度重量，且缆索没有附体，则

$F_W^j=\left(F_G^j\cdot L_u^j/2+F_G^{j-1}\cdot L_u^{j-1}/2\right)k$ (2)

其中：k为z方向单位矢量，j = 1时无第二项；j = N时无第一项。

(3) 缆索微元阻力凝集

缆索局部坐标系中，假设外部海流对j段缆索微元产生的阻尼力均凝集在质量点上，由切向阻尼力和法向阻尼力两部分组成，公式可表示为[18]

$\{\begin{array}{l}{F}_t^j=-\frac{\rho }{2}{C}_t^j\left(d_u^{j-1}\cdot L^{j-1}/2+d_u^j\cdot L^j/2\right)\cdot \left|u_t^j\right|u_t^j\\ F_n^j=-\frac{\rho }{2}{C}_n^j\left(d_u^{j-1}\cdot L^{j-1}/2+d_u^j\cdot L^j/2\right)\cdot \left|u_n^j\right|u_n^j\end{array}$ (3)

其中：$\rho$ 为海水密度；$C_t^j$ 为j段缆索微元处缆的切向阻力系数；$C_n^j$ 为j段缆索微元处缆的法向阻力系数；$d_u^j$ 为j段缆索微元处圆截面直径；$u_t^j$ 、$u_n^j$ 为j段缆索微元处的相对切向、法向速度。j = 1时无括号内第一项，j = N时无括号内第二项，则节点上凝聚阻尼力为

$F^j=F_t^j+F_n^j$ (4)

(4) 运动方程

依据缆索任意一个节点的动力平衡理论，能够推导出在固定坐标系下，j段缆索微元运动的控制公式[19] [20]：

$\{\begin{array}{l}{m}^j\text{d}{v}^j/\text{d}t=F^j+F_W^j+F_T^j-F_T^{j-1}\\ \text{d}{R}^j/\text{d}t=v^j\\ j=1,\cdot \cdot \cdot ,N\end{array}$ (5)

其中：$v^j$ 、$R^j$ 分别为第j段缆索微元的速度矢量和位置矢量；$m^j$ 为j段缆索微元质量凝集，表达式为

$m^j={\lambda }^j{L}_u^j/2+{\lambda }^{j-1}{L}_u^{j-1}/2$ (6)

其中：${\lambda }^j$ 为单位长度缆的重量；j = 1时，无第二项；j = N时，无第一项。

(5) 边界条件

采用运动学边界条件求解。

缆索下端点固定：

$v_N=0$ (7)

缆索的上端速度与潜标的连接点速度存在耦合关系：

$v_1=v_a$ (8)

其中：$v_a$ 代表了在固定坐标下潜标及缆索连接位置的速度。

3. 潜标系统的动力学仿真

本节分析的是Berteaux (1976) [4]的一种拉紧式单点水面浮标系统，该系统由水面浮标、锚链、钢丝绳、海流计、浮球、降噪器和重力锚等组成，如图4所示。整个系统简化为11个离散节点。其中，节点1、3、6、8、11分别为锚节点、13个浮球浮子组集总质量节点、RCM2、RCM3和水面浮标节点。主要物理参数和流体动力学参数分别如表1和表2所示。附加质量系数$C_m$ 和流体力学阻力系数$C_D$ 参照Berteaux (1976)。

Table 1. Physical parameters of the buoy system

表1. 潜标系统的物理参数

Node i	Parameter
	Mass of node mi (kg)	Buoyancy Bi (N)	Initial coordinate values (x, y) (m)	Immersed area Ax (m^2)	Immersed area Ay (m^2)
1	1817	2018	(2113, 0)	0.2	1
2	72	160	(2095, 0)	0.2	0.2
3	223.6	5291	(2052, 0)	1	0.5
4	26.5	85	(2010, 0)	0.1	0.1
5	78	668.5	(1760, 0)	0	7.95
6	26.5	85	(1510, 0)	0.1	0.1
7	227	80	(1010, 0)	4	4
8	26.5	85	(510, 0)	0.1	0.1
9	113.5	40	(260, 0)	2	2
10	26.5	85	(10, 0)	0.1	0.1
11	300	19,600	(0, 0)	1.5	3

Table 2. Hydrodynamics parameters of the buoy system

表2. 潜标系统的水动力参数

Parameter	Coefficient of added mass Cm	Drag coefficient of Hydrodynamics CD	Axial stiffness of cable (kN)	Bending stiffness of cable (kN∙m^2)	Compressive stiffness of seafloor (N/m)
Value	0.5	1.2	6000	5	20,000

Figure 4. Schematic diagram of a simplified buoy system model based on the lumped mass method

图4. 基于集中质量法对潜标模型简化的示意图

3.1. 静水条件下的布放

本文采用隐式时域分析。波浪类型选择不规则波谱JONSWAP，波高为2 m，周期6.36 s。在这个工作的海域中，水温维持在10℃，密度恒定值为1024 kg/m³，而海床的临界阻尼系数(λc)为0。基于实际的工程需求，我们选择了水深为2200 m的海域进行了模拟研究。该系统模型如图5中所描述的那样，由潜标体，系留索，锚定系统和释放机构组成。在拖船的布放过程中，我们使用了“标锚法”，在海面上以2 m/s的速率持续直行。潜标系统的缆索长2113 m，半径为0.03 m，密度为1.5 kg/m，延伸到拖船后面。

Figure 5. Schematic diagram of the buoy system deployment model

图5. 潜标布放模型示意图

首先对系统在静水环境下布放的动力学响应进行仿真。为了深入了解系统的动态特性，并充分考虑关键组件，如锚点附近、浮球组和浮标附近的受力状况，因此以节点l、3、6、8、11为研究对象。如图6为节点布放下落过程的运动轨迹，图7为节点在下落过程中的速度响应曲线，图8为静水环境投放过程中的张力响应曲线。

(a) 下落1000 s时的运动轨迹 (b) 下落2000 s时的运动轨迹

(c) 下落3000 s时的运动轨迹 (d) 下落4000 s时的运动轨迹

Figure 6. Motion trajectory of node deployment process in still water environment

图6. 静水环境下节点布放过程的运动轨迹

我们可以看到，重力锚在下落约1335.78 s后最先触底，在展开过程中，浮标基本上沿着水平正方向运动，锚始终向着浮标的方向即水平负方向运动，中间节点如RCM2有时会有复杂的运动，在起初下落的一段时间内朝水平正方向运动，然后又朝水平负方向运动。浮标系统展开后的最终位置偏离了锚的展开位置。落锚点与最终锚点之间水平方向的偏差距离约为483.9 m。它与浮标系统的结构和物理参数有关。

在展开过程当中，锚端在空间维度上移动，当锚接触海床时，释放器在垂直方向上的速度一般为零。原因是此时系泊索被水面浮筒拉紧。如图7所示，浮标端部主要在水平方向上运动，浮标的垂直速度大部分时间下几乎为零，只有在锚触底前后垂直速度会有比较大的波动。中间节点如RCM3在500~1250 s的时间内，其垂向速度变化显著。

(a) 锚的运动速度曲线 (b) 海流计2的运动速度曲线

(c) 海流计3的运动速度曲线 (d) 浮标的运动速度曲线

Figure 7. The velocity curve of node motion in still water environment

图7. 静水环境下的节点运动速度曲线

如图8所示，从图中可以看出，在系统投放入水初期，靠近锚的一端缆索受到的缆索张力急剧增大，比靠近浮标端的缆索张力大得多；当锚即将触底，整个缆索张紧程度增强，张力进一步增大，浮标端缆索所受张力增加最多，并且这一增加量甚至超过了锚索端部的张力，达到最大值；当锚触底后，缆索的张力逐渐减弱，每个缆条的张紧程度也持续减少，直至系统达到一个稳定的平衡态，此时缆索的张力便不再存在任何差异。这种变化趋势和Hamilton等[21]的试验结果一致。由此可见，在锚触底的瞬间连接浮标的缆索段存在最大峰值载荷，在系统的设计阶段，对缆索材料的选取需要引起注意。图9为静水状态下潜标姿态时域变化曲线。

Figure 8. Tension response and excursion-tension curve during deployment in still water environment

图8. 静水环境投放过程中的张力响应曲线和偏移-张力曲线

Figure 9. Time-domain curve of attitude changes of the buoy

图9. 潜标姿态时域变化曲线

3.2. 海流条件下的布放

考虑环境因素的影响，对上述单点张紧式浮标系统进行同样的布放过程动力学分析。海流环境是一个单向的平面流，流速[22]为：$U_x=-0.8{\text{e}}^{-0.011h}$ ，水流剖面如图10所示。

如图11为节点布放下落过程的运动轨迹，图12为节点在下落过程中的速度响应曲线，图13为静水环境投放过程中的张力响应曲线。会发现在海流环境下布放，锚的落点距离投放点更近，在水平方向上偏离约415.06 m。

Figure 10. Schematic diagram of ocean current velocity profile

图10. 海流速度剖面示意图

(a) 下落1000 s时的运动轨迹 (b) 下落2000 s时的运动轨迹

(c) 下落3000 s时的运动轨迹 (d) 下落4000 s时的运动轨迹

Figure 11. Motion trajectory of node deployment process in the ocean current environment

图11. 海流环境下节点布放过程的运动轨迹

(a) 锚的运动速度曲线 (b) 海流计2的运动速度曲线

(c) 海流计3的运动速度曲线 (d) 浮标的运动速度曲线

Figure 12. The velocity curve of node motion in ocean current environment

图12. 海流环境下的节点运动速度曲线

图12中的速度响应可以用与图7相同的方法进行分析。对比图8和图13，会发现在锚触底之前，在当前条件下各节点展开时的动拉力峰值与静水中的动拉力峰值基本相等，但在锚触底后，海流环境下的各段缆索承受的稳态张力较前者大。我们还发现两种情况下布放的总时间是不同的。因此，在部署前及时获取水文气象资料至关重要。

通过观察图9和图14可以发现，在标体的自由漂浮阶段，其俯仰的变化周期并不明显。分析表明：组件受海流及微小浪影响及拖体本身周期性震动幅度是导致该现象发生的重要原因。标体工作时由于轴向回复力矩比较小且主要靠标体海水阻尼力矩作用，使得恢复周期变长，而轴向偏转速度更平稳。当锚缆展开并导致锚块下沉时，潜标会受到较大的拉力，从浮动状态转变为底部受拉，从而导致俯仰方向发生显著变化。标体在下沉过程中所形成的惯性使缆索松动，标体方位角改变较大，下沉上浮存在一个震荡周期，并且会逐步向平衡方位递进。当锚块接触到底部时，浮标会在惯性的影响下逐渐下沉，底部的拉力会消失，转变为自由漂浮的状态，导致俯仰角度发生较大的变化。并且，在海流的作用下，浮标在锚块触底前的一段时间俯仰变化更加明显。

Figure 13. Tension response and excursion-tension curve during deployment in ocean current environment

图13. 海流环境投放过程中的张力响应曲线和偏移-张力曲线

Figure 14. Time-domain curve of attitude changes of the buoy

图14. 潜标姿态时域变化曲线

4. 参数敏感性分析

4.1. 布放方向与流向夹角的影响

在实际操作的海域环境中，系统的初始速度方向与其流向的夹角的变动会导致系统受到的影响发生显著的改变。考虑到波浪的影响，其他因素保持不变，我们选择了0˚、45˚、90˚、135˚和180˚这五个角度进行了详细分析。表中，t代表锚的触地时刻，X表示锚的横坐标，Y表示锚的纵坐标。F_1max、F_2max分别为缆索锚固端和潜标端的有效张力的最大值，单位为kN。

结合表3和图15、图16，观测得知锚定点的位置受夹角变化影响显着，具体为0˚、45˚、90˚、135˚和180˚夹角，X向超前运动渐减，反之系统相对来流的相对速度速度最大。当系统从拖曳线中自动释放时，滑轮效应变得尤为突出；系统在Y方向上的偏移量呈现出先上升后下降的趋势，这主要是因为流体在实际作用下的阻尼在90˚时达到了峰值。在流速相对较慢的条件下，当流动方向逐步垂直于速度时，潜标的下方边界始终受到缆线的轴向张力限制。这种轴向张力与下方界面的法向阻尼和升力形成动态抵消，使得俯仰的姿态基本保持稳定。随后，浮力和张力逐渐达到平衡状态，使得俯仰姿态变得更为稳定。流速、流向对系留索两端张力几乎没有影响。

Table 3. Results of different current directions

表3. 不同海流方向的结果

Angle (˚)	t (s)	X (m)	Y (m)	F1max (kN)	F2max (kN)
0˚	1247.56	−384.39	0	38.32	18.09
45˚	1270.44	−399.65	106.64	42.02	18.35
90˚	1326.55	−451.66	169.49	52.59	18.41
135˚	1366.09	−519.68	130.04	63.96	18.67
180˚	1375.26	−551.64	0	68.58	18.41

Figure 15. Time-domain variation curves of anchor coordinates in different flow directions

图15. 不同流向布放时锚坐标时域变化曲线

Figure 16. Time-domain variation curves of tension at both ends of the cable in different flow directions

图16. 不同流向时缆索两端张力时域变化曲线

4.2. 线缆材料的影响

线缆所使用的材料会对系统的工况造成影响。为了深入了解弯曲刚度如何影响布放过程，本研究选择了系留索的三种不同弯曲刚度：5 kN∙m²、50 kN∙m²和500 kN∙m²。图17、图18以及表4展示了在三种不同场景下的计算数据。

Table 4. Results of different bending stiffnesses

表4. 不同弯曲刚度时的结果

EI (kN∙m^2)	t (s)	X (m)	Y (m)	F1max (kN)	F2max (kN)
5	1326.56	−451.65	169.49	52.59	18.41
50	1326.64	−451.32	169.47	52.59	18.42
500	1326.98	−450.30	169.36	52.59	18.44

从图17可以看出，在横流作用之下，考虑缆索的弯曲刚度时系统的触地时间和锚落地点的超前距离没有明显变化。但是，当刚度增加到一个特定的数值(500 kN∙m²)时，触地偏移距离会减小。其原因是该具体配置方法使系统全程处于一体状态，超前距离不因刚性管线弯曲变形幅度变化而造成系统布放定位偏离较大。图18为系留索刚度不同时两端张力时域变化曲线，系统布放下落阶段刚性缆绳构件对锚体和弹性海床撞击作用得到有效降低。从而减轻锚触地时刻缆索引起的交替张紧-松弛效应。随刚性增大，系留索两端最大张力相应降低，且该最大张力发生在随船拖曳阶段和非标锚分离缆绳拉紧时刻。在稳定的状态下，张力值也有轻微的下降。

Figure 17. Time-domain variation curves of anchor coordinates for different cable stiffnesses

图17. 不同缆索弯曲刚度锚坐标时域变化曲线

Figure 18. Time-domain variation curves of tension at both ends of the cable with different stiffness

图18. 系留索刚度不同时两端张力时域变化曲线

4.3. 航速的影响

拖船的工作过程会在X轴正方向上进行移动，为系统提供了X方向的初步运动速度向量；同时，横向流动(Y轴正向)会提供系统所需的偏移速度。图19、图20和表5分别展示了在仅设置拖船航速为2 m/s、4 m/s和6 m/s的情况下的模拟数据。

Figure 19. Time-domain variation curves of anchor coordinate during deployment process at different speeds

图19. 不同航速布放时锚的坐标时域变化曲线

Figure 20. Time-domain variation curves of tension at both ends of the cable under different deployment speeds

图20. 不同布放速度时缆索两端张力时域变化曲线

Table 5. Results of different initial deployment speeds

表5. 不同初始布放速度的结果

V (m/s)	t (s)	X (m)	Y (m)	F1max (kN)	F2max (kN)
2	1326.54	−451.66	169.49	52.59	18.41
4	1326.81	−441.99	171.34	128.28	18.52
6	1327.21	−433.91	173.23	220.24	20.00

研究结果揭示，锚位与投放点之间的水平距离会受到初始布放速度变化的影响，当初速度更高时，X方向的超前距离也会相应增大，几乎是正比关系。每当速度上升2 m/s，Y方向的偏移量都会略有上升。当系统与海流的速度达到某一特定值，缆绳的流动阻力会上升，同时标体与锚体会相互锁定，导致缆绳呈现出张紧和弯曲的状态。从图表和表格中可以观察到，起始阶段布放速度的变化对缆索两端张力的影响并不显著。

5. 总结

本文通过大型水动力分析软件OrcaFlex，利用集中质量法，潜标被拆分为多个集中质量节点，并与无质量的弹簧建立连接，将系泊索、浮标和仪表组成的浮标系统建模为与缆索连接的离散集总质量。分析潜标在布置过程中所承受的力量状况，介绍了浮标系统展开过程中的动力响应。采用全笛卡尔坐标和多体方法，可以得到锚索的瞬态剖面拉力。在不同的水流条件下，锚展开后的位置和锚索上的静载荷是不同的。这些模拟和结论对锚泊系统的设计和部署的实施有一定的指导意义，并得出以下结论：

海流的速度对潜标的漂移量有明显的作用，海流速度越快，潜标的漂移量也就越大。当海洋中存在强风或风暴天气时，会造成海底流速增大。因此，在布放潜标的过程中，必须考虑到当地海流速度的影响。

在布放过程中，水动力的性能在很大的程度上决定了潜标系统的初步设计与布放效果。在拖船进行作业时，在拖曳阶段，系统的横向位移主要是由流速、航行速度以及航向与流向之间的夹角共同决定的，而其他因素的变动对横向的定位效果并不显著；在纵向的定位中，其关键是水流所施加的横向载荷以及系统下落的时间。

在布放过程当中，缆索张力在锚点接触地面之后达到峰值。锚在触底的过程中，缆索可能会经历松弛或张紧的交替状态。海底底质的硬度越高，缆索动态振动的幅度与频率都会相应增加。在其余时间段内，由于绳索本身的刚度较低，其他各种因素对线缆张力的影响相对有限。在同等的环境中，提高弯曲刚度能够略微缩短物体下降的时间，进而降低其纵向的偏移。因此，潜标系统的准确定位主要受到拖船运动的影响。

基金项目

海南省三亚崖州湾科技城联合项目(2021CXLH0003)；辽宁省振兴人才项目(XLYC2203026)；辽宁省应用基础研究项目(2023JH2/101300240)。

NOTES

^*通讯作者。