[0001] 本发明涉及船舶运动控制技术领域，尤其涉及一种动力定位船舶的动力定位能力分析方法。

[0002] 装备有动力定位系统的自升式平台在执行插拔桩作业时，需要能够在复杂的近岸海洋环境中保持定位于目标区域内，是典型的动力定位船舶。在动力定位船舶的系统设计阶段，需要通过定位能力分析来评估船舶能力，验证所安装的推进器能否完成所需的功能。然而，在自升式平台的桩腿下放过程中，自升式平台处于漂浮状态，随着桩腿下放长度的不断增加，作用在桩腿上的流载荷也不断变化，显著增加了全船受力的复杂性，进而影响自升式平台的动力定位能力评估的准确性。现有的常规推力分配程序中，均未考虑自升式平台桩腿流载荷特性，导致对插拔桩作业的自升式平台动力定位能力分析的准确度降低。

[0014] 具体以六桩腿自升式平台为例，总流程图如图1所示，具体定义的环境载荷方向示意图如图2所示，图2中定义其坐标系为：原点在自升式平台的重心位置，X轴方向指向船艏，Y轴方向指向右舷；N为转艏方向，顺时针方向为正方向，风、浪、流环境载荷的0°方向定义为船尾来风，90°方向为船体左舷来风。

[0015] 自升式船舶平台的动力定位控制方法具体包括如下步骤：S1:通过水池实验获取动力定位船舶的自升式平台单独一个桩腿在流场中不同下放深度下相对于桩腿自身重心的流载荷力，并以自升式平台桩腿的几何特征为变量，建立自升式平台独立桩腿的流载荷特性模型。

[0016] 这里的水池实验可以是物理水池拖曳实验或数值水池仿真拖曳实验，实验流程为一般的、通用的拖曳水池实验流程，通过实验可以获取动力定位船舶的自升式平台单独一个桩腿在流场中不同下放深度下相对于桩腿自身重心的流载荷力，自升式平台桩腿的几何特征包括每一个桩腿的桩靴高度、桩腿下放深度、桩腿直径及桩靴直径。

[0017] 由于自升式平台水下船体轮廓一般较为平整、光顺，假设对于第 号桩腿，船体对该桩腿在0 360°范围内的遮蔽影响是相同的，因此对于任意流场方向下的第 号桩腿所受~到的流载荷力为下式：
；
其中： 表示第 号桩腿在流场中不同下放深度下相对于桩腿自身重心的流载荷力， 表示海水的密度，当温度为20℃时， ， 表示第 号桩腿
下放深度， 表示第 号桩腿的流载荷系数，其可以基于 对 进行数据回归得到，表示自升式平台所处流场位置的相对流速， 表示同第 号桩腿下放深度
相关的第号桩腿的流载荷系数。

[0018] 对于第 号桩腿的流载荷系数 ，假定其在0 360°范围具有一致性，即可用同一~套参数进行表达，具有下面的表达形式：
其中： 表示 表达式中的分段函数 时中的 次幂项拟
合系数； 表示 表达式分段函数 中的常数项拟合系数， 表
示 表达式分段函数 中的一次项拟合系数； 表示第号桩腿
的直径； 表示第号桩腿的桩靴高度； 表示第号桩腿的桩靴直径。

[0019] 具体实施例以六桩腿自升式平台为例，第2号桩腿的流载荷系数 可表示为：；

[0020] 综合这两个表达式即可建立自升式平台独立桩腿的流载荷特性模型为式（1）：其中： 表示第 号桩腿在流场中不同下放深度下相对于桩腿自身重心的流载荷力， 表示海水的密度， 表示第号桩腿的流载荷系数， 表示第号桩腿下放深度， 表示自升式平台所处流场位置的相对流速， 表示同第号桩腿下放深度相关的第 号桩腿的流载荷系数， 表示 表达式中的分段函数
时中的幂次项拟合系数； 表示 表达式分段函数
中的常数项拟合系数， 表示 表达式分段函数
中的一次项拟合系数； 表示第 号桩腿的直径； 表示第 号桩腿的桩靴高度；
表示第号桩腿的桩靴直径。
S2: 通过水池实验获取自升式平台每个桩腿在受到桩腿之间耦合干扰作用下相对于桩腿自身重心的流载荷力，并结合桩腿分布在自升式平台的位置建立桩腿与桩腿的耦合干扰特性模型；

[0021] 通过在相同的实验场景下的水池实验，主要是实验时的流场参数相同，自升式平台的艏向角相同，获取考虑桩腿与桩腿耦合干扰作用下第号桩腿所受到的流载荷力，然后再通过对比第 号桩腿在流场中不同下放深度下相对于桩腿自身重心的流载荷力和考虑桩腿与桩腿耦合干扰作用下第号桩腿所受到的流载荷力 之间的差异，即可获得桩腿与桩腿耦合干扰作用对第号桩腿水动力的干扰影响力 ，具体计算方法如下式：；

[0022] 而桩腿与桩腿之间的耦合干扰关系，可以通过引入桩腿间距影响因子和桩腿下放深度比影响因子来表示，具体可表述为如下形式：；
其中： 表示第号桩腿与同流向上前方最近桩腿之间的距离， 表示第 号桩腿的桩腿间距影响因子， 表示第号桩腿的桩腿间距影响因子 与 之间的函数关系，其可以基于桩腿与桩腿耦合干扰作用对第号桩腿水动力的干扰影响力 对进行数据回归获得， 表示自升式平台所处流场位置的相对流向， 表示以表格形式描述的第号桩腿 与 所对应的关系。

[0023] 具体实施例以六桩腿自升式平台为例，第2号桩腿的桩腿间距影响因子 与之间的函数关系具有如下的形式：；

[0024] 自升式平台的第2个桩腿的桩腿影响间距与相对流向所对应的关系使用表格形式进行描述时具有如下的形式：

[0025] 而桩腿下放深度比影响因子，可描述为如下形式：；
其中： 表示第 号桩腿下放深度比影响因子， 表示第 号桩腿的下放深度与第 号桩腿下放深度 的比值， 表示 与 之间的函数关系，该函
数关系可基于桩腿与桩腿耦合干扰作用对第号桩腿水动力的干扰影响力 对 进行数据回归获得。

[0026] 具体实施例以六桩腿自升式平台为例，第2号桩腿的桩腿下放深度比影响因子与第2号桩腿的下放深度比之间的函数关系具有如下的形式：

[0027] 综合上述几个关系式，就可以得到桩腿与桩腿的耦合干扰特性模型为式（2）：（2）；
其中： 表示桩腿与桩腿耦合干扰作用对第 号桩腿水动力的干扰影响力，表示考虑桩腿与桩腿耦合干扰作用下第号桩腿所受到的流载荷力， 表示第号桩腿与同流向上前方最近桩腿之间的距离， 表示第号桩腿的桩腿间距影响因子， 表示第号桩腿的桩腿间距影响因子 与 之间的函数， 表示自升式平台所处流场位置的相对流向， 表示以表格形式描述的第 号桩腿 与 所对应的函数， 表示第号桩腿下放深度比影响因子， 表示第号桩腿的下放深度 与第 号桩腿下放深度 的比值， 表示 与 之间的函数。
S3: 根据步骤S1建立的自升式平台独立桩腿的流载荷特性模型及步骤S2建立的桩腿体与桩腿的耦合干扰特性模型建立考虑相邻桩腿影响的桩腿流载荷耦合模型；

[0028] 具体的考虑相邻桩腿影响的桩腿流载荷耦合模型为式（3）：根据式（3）就可以求解出自升式平台在纵荡方向上因全部桩腿所受到的流载荷力、自升式平台在横荡方向上因全部桩腿所受到的流载荷力以及自升式平台在艏摇方向上因全部桩腿所受到的流载荷力矩。（3）；

[0029] 其中： 表示自升式平台在纵荡方向上因全部桩腿所受到的流载荷力， 表示自升式平台在横荡方向上因全部桩腿所受到的流载荷力， 表示自升式平台在艏摇方向上因全部桩腿所受到的流载荷力矩，表示自升式平台的桩腿总个数， 表示第号桩腿在横荡方向上相距自升式平台重心位置的长度， 表示第号桩腿在纵荡方向上相距自升式平台重心位置的长度。

[0030] S4:将考虑相邻桩腿影响的桩腿流载荷耦合模型引入到自升式平台常规动力定位能力分析程序中，建立环境载荷模型，并通过建立环境载荷模型进行自升式平台动力定位能力分析计算，得到考虑桩腿作业状态的动力定位船舶定位能力分析结果。

[0031] 具体环境载荷模型为式（4）：（4）；
其中， 表示自升式平台在纵荡方向上受到的全部环境载荷力， 表示自升式平台在横荡方向上受到的全部环境载荷力， 表示自升式平台在转艏方向上受到的全部环境载荷力矩， 表示自升式平台在纵荡方向上受到的风载荷力， 表示自升式平台在横荡方向上受到的风载荷力， 表示自升式平台在转艏方向上受到的风载荷力矩，表示自升式平台在纵荡方向上受到的波浪载荷力， 表示自升式平台在横荡方向上受到的波浪载荷力， 表示自升式平台在转艏方向上受到的波浪载荷力矩，表示自升式平台在纵荡方向上受到的流载荷力， 表示自升式平台在横荡方向上受到的流载荷力， 表示自升式平台在转艏方向上受到的流载荷力矩。

[0032] 通过环境载荷模型，开展考虑桩腿水动力特性的自升式平台动力定位能力分析计算，即可得到考虑桩腿作业状态影响的自升式平台动力定位能力分析结果。在能力分析结果中，在相同的风、浪、流环境载荷作用下，不同的桩腿下放深度组合会导致不同的自升式平台动力定位能力分析结果，从而使得到的计算结果更加符合实际作业工况，提高了动力定位船舶动力定位能力的分析精度。

[0033] 综上所述，本发明提出的一种动力定位船舶的动力定位能力分析方法，首先基于实验数据建立独立桩腿的流载荷特性模型，再结合动力定位船舶自升式平台的桩腿在流场中的耦合特性，建立桩腿与桩腿的耦合干扰特性模型，再根据建立独立桩腿的流载荷特性模型及桩腿与桩腿的耦合干扰特性模型建立考虑相邻桩腿影响的桩腿流载荷耦合模型，并将其应用到常规的动力定位能力分析中，建立环境载荷模型，并通过环境载荷模型对动力定位船舶自升式平台桩腿插拔桩作业过程的动力定位能力分析，得到的计算结果符合实际作业工况，提高了动力定位船舶动力定位能力的分析精度。

[0034] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。