FLNG 液舱晃荡模型的试验惯量调节方法 技术领域 本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的方法， 具体是一种 FLNG( 大型浮式液化 天然气船 ) 液舱晃荡模型的试验惯量调节方法。
背景技术 石油资源的短缺以及对能源需求的不断增长， 导致海上油气田的大模型开发， 同 时海洋边际气田的开发也提上了日程。为了经济有效地开发海洋边际油气田， 国际上提出 了大型浮式液化天然气船 ( 以下简称 FLNG 船 ) 的概念。拥有庞大体积的 FLNG 长期系泊于 作业海域， 将经历复杂的海洋环境条件和各种各样的舱内液体装载状况。恶劣的海洋环境 条件将引起 FLNG 的剧烈运动， 从而引起舱内液体的晃荡。舱内液体的晃荡也将导致船体的 运动加剧和液舱内壁的破坏。因此， 舱内液体晃荡对船体运动响应的影响情况成为 FLNG 船 体设计中必须考虑的重要因素之一。
通过模型试验， 可以较为全面的观测到舱内液体的晃荡现象及其对 FLNG 船体运 动的影响， 获得较为可靠的试验结果。 试验结果可用来校验理论和数值模型的计算精度。 水 池模型实验成功开展的前提条件就是 FLNG 模型惯量的准确调节。传统的测量惯量的方法 是利用三线摆来测量， 这种方法系统误差太大， 不能满足船模测量的需要。
经对现有文献检索发现， 中国专利申请号为 ： 200810114716.9， 专利名称为 ： 惯量 的动态模拟新原理， 该技术所涉及的惯量模拟系统包括惯量盘、 电动机、 变频器、 力矩传感 器和旋转编码器。 其中惯量盘用于模拟飞机跑道和飞机部分惯量。 在飞机刹车实验过程中， 电动机可以对惯量盘施加正、 反两个方向的力矩， 以调节惯量盘的动态特性， 实现机械惯量 的电模拟， 实验系统的整体惯量可以平滑调节， 因此能够测试不同质量飞机的刹车系统。 该 惯量模拟技术可以实现对惯量的动态模拟， 但无法实现对 FLNG 船模惯量的调节。其不足之 处主要表现在 ： (1) 由于 FLNG 船体及排水量十分庞大， 采用常规缩尺比进行模型实验时， 船 模尺寸和重量过大， 超出一般惯量调节架的范围 ； 采用超大缩尺比可将模型重量控制在现 有的惯量调节架的承重范围之内， 然而， 此种方式得到的水池模型实验结果会有较大误差。 (2) 现有的惯量调节方式可以保证固体压载时惯量调节的准确性， 但是很难保证液体压载 时惯量调节的准确性。而惯量调节的准确性是水池模型实验成功开展的前提条件， 惯量调 节不准确而进行的模型实验， 其结果将没有参考价值。要考察液舱晃荡对船体运动响应的 影响， 须针对 FLNG 同一种装载状况下分别采用液体压载和固体压载两种情况进行实验。如 何保证液体压载与固体压载两种压载方式下船模的惯量保持完全一致， 是一项十分关键的 技术。(3) 现有的惯量调节方式要求多人协同工作才能完成惯量的调节， 耗费人力资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足， 提供一种 FLNG 液舱晃荡模型的试 验惯量调节方法。本发明只需在惯量调节架上测量空船模的质量特性， 可以实现对在固体 压载方式下船舶模型的质量特性的调节和液体压载方式下船舶模型的质量特性的调节， 且调节精度更高， 操作简单， 成本更低。
本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括以下步骤 ：
第一步， 利用现有的惯性调节架测出船模空载时的质量特性。
所述的质量特性是船模的重量、 重心位置、 回转半径、 转动惯量、 横摇、 纵摇及垂荡 的固有周期参数。
第二步， 建立船模空载时的空载质量特性模型 A。
所述的空载质量特性模型 A 是采用有限元方法建立的， 其质量特性就是第一步测 出的质量特性。
第三步， 建立采用液体压载时的液舱质量特性模型 B1， 记录各液舱装载物的质量。
所述的液体是液化天然气， 或者用板材代替。
所述的板材以舱内液体的自由面与液舱壁围绕而成的几何图形为板材的形状， 以 液舱内壁长度为板材的厚度， 以舱内装载的液体的密度为板材的密度。
所述的液舱质量特性模型 B1 是采用有限元方法建立的， 其质量特性由船模的重 量计算书提供。
第四步， 建立剩余质量特性模型 C， 记录各质量块的位置和质量。 所述的剩余质量特性模型 C 是 ： 保持空载质量特性模型 A 和液舱质量特性模型 B1 不变， 通过调节质量块的数量、 规格和位置， 使空载质量特性模型 A、 液舱质量特性模型 B1 与剩余质量特性模型 C 之和等于船模的重量计算书中总的质量特性。
第五步， 建立采用固体压载时的液舱质量特性模型 B2， 记录各质量块的位置和质 量。
所述的液舱质量特性模型 B2， 是： 保持空载质量特性模型 A 和剩余质量特性模型 C 不变， 通过调整压铁的数量、 规格和位置， 使空载质量特性模型 A、 剩余质量特性模型 C 和液 舱质量特性模型 B2 的和等于船模的重量计算书中总的质量特性。
第六步， 在进行水池模型实验时， 将空船模型放入水中， 按照剩余质量特性模型 C 中各质量块的位置和质量， 在空船模型中排放相应的压铁， 当进行液体压载调节时， 在液舱 内注入与液舱质量特性模型 B1 中装载物质量相同的液体 ； 当进行固体压载调节时， 按照液 舱质量特性模型 B2 中各质量块的位置和质量， 在液舱中排放相应的压铁。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： (1) 本发明克服了现有的惯量调节工具 测量的模型质量和尺寸太小的缺陷， 使得在常规缩尺比下开展超大型海洋结构物的水池模 型实验更易实现。(2) 本发明克服了现有的惯量调节工具无法准确测量液体压载时船舶模 型惯量的缺陷， 使得 FLNG 液舱晃荡水池模型实验得以顺利开展， 尤其实现了采用液体压载 进行模型实验。 (3) 本发明提高了惯量调节的准确性， 降低了系统误差， 操作简单， 且成本很 低。
具体实施方式
以下对本发明的方法进一步描述 ： 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例在试验前， 先根据人工水池的尺度、 FLNG 的实际尺度、 试验工况的具体情况和试验的经济性选择模型缩尺比， 得到 FLNG 船模的具体尺寸， 从而采用玻璃钢材料制作 船模， 对船模的惯量调节具体包括以下步骤 ：
第一步， 利用现有的惯性调节架测出船模空载时的质量特性。
本实施例中采用中国专利申请号为 ： 200310108551.1 中所述的数字船模惯量调 节架对空载的船模进行质量特性的测量。 所述的质量特性是船模的重量、 重心位置、 回转半 径、 转动惯量、 横摇、 纵摇及垂荡的固有周期参数。
第二步， 根据第一步测出的质量特性， 采用有限元方法建立船模空载时的空载质 量特性模型 A。
第三步， 根据重量计算书的要求， 采用有限元方法建立液体压载时的液舱质量特 性模型 B1， 记下各液舱的装载情况。
本实施例在建立液舱模型过程中只考虑液舱内装载的液体的质量特性， 而液舱本 身的质量特性则划入到剩余质量特性模型中进行考虑。对于舱内装载的液体的建模， 不能 单纯的用相同密度和相同装载的液体来考虑， 因为这样无法得到液体的质量特性。在此过 程中， 舱内装载的液体用板材来代替。 具体做法是 ： 以舱内液体的自由面与液舱壁围绕而成 的几何图形为板材的形状， 以液舱内壁长度为板材的厚度， 以舱内装载的液体的密度为板 材的密度。用此方法建成的舱内液体的模型可以方便得到舱内液体固定时的质量特性。
第四步， 保持空载质量特性模型 A 和液舱质量特性模型 B1 不变， 通过调整质量块 的数量、 规格和位置， 使空载质量特性模型 A、 液舱质量特性模型 B1 与剩余质量特性模型 C 之和等于船模的重量计算书中总的质量特性， 从而建立剩余质量特性模型 C。
本实施例中空载质量特性模型 A 与液舱质量特性模型 B1 之和小于整船模型的质 量特性， 在此需附加一剩余质量特性方能与模型的目标值保持一致。 在建模过程中， 用质量 块代替模型实验中的压铁对剩余质量特性进行调节， 使得空船模型质量特性、 舱内液体质 量特性与剩余质量特性之和与整船模型质量特性保持一致。调整完毕后， 记录下各质量块 的具体位置， 在水池模型实验中， 用压铁来代替质量块。
第五步， 保持空载质量特性模型 A 和剩余质量特性模型 C 不变， 通过调整质量块的 数量、 规格和位置， 使空载质量特性模型 A、 剩余质量特性模型 C 和液舱质量特性模型 B2 的 和等于船模的重量计算书中总的质量特性， 从而建立采用固体压载时的液舱质量特性模型 B2。
本实施例需对舱内液体的质量特性用固体压载的方式进行模拟。在此过程中， 保 持空载质量特性模型 A 及剩余质量特性模型 C 不变。用若干质量块代替舱内液体， 调节各 质量块的位置， 得到舱内液体的液舱质量特性模型 B2。当空载质量特性模型 A、 液舱质量特 性模型 B2 及剩余质量特性模型 C 之和等于整船模型的质量特性时， 记录下舱内液体的液舱 质量特性模型 B2 中的各质量块的位置， 则完成了 FLNG 船模的固体压载的调节 ； 否则， 继续 调节舱内液体的液舱质量特性模型 B2 中各质量块的位置， 直至空载质量特性模型 A、 液舱 质量特性模型 B2 及剩余质量特性模型 C 之和等于整船模型的质量特性。
液舱质量特性模型 B1 和液舱质量特性模型 B2 在数值上完全相同， 两者之间的唯 一区别在于前者用液体压载， 后者用固体进行压载。
第六步， 在进行水池模型实验时， 将空船模型放入水中， 按照剩余质量特性模型 C 中各质量块的位置和质量， 在空船模型中排放相应的压铁， 当进行液体压载调节时， 在液舱内注入与液舱质量特性模型 B1 中装载物质量相同的液体 ； 当进行固体压载调节时， 按照液 舱质量特性模型 B2 中各质量块的位置和质量， 在液舱中排放相应的压铁。
本实施例只需在惯量调节架上测量空船模的质量特性， 空载船模的重量一般较 轻， 现有的惯量调节架的量程均可满足条件， 克服了现有的惯量调节工具测量的模型质量 和尺寸太小的缺陷， 使得在常规缩尺比下开展超大型海洋结构物的水池模型实验更易实 现； 可以准确调节利用液体压载时的 FLNG 船模的质量特性 ； 可以实现对在固体压载方式下 船舶模型的质量特性的调节和液体压载方式下船舶模型的质量特性的调节， 并可以保证在 同一种装载状态下两种压载方式的船舶模型的质量特性完全相同， 且 FLNG 船模型在液体 和固体压载两种情况下的唯一区别在于自由度液面的晃荡 ； 提高了惯量调节的准确性， 降 低了系统误差， 操作简单， 且成本很低。6