Analisi dinamica del cavo trainato con lunghezza variabile durante le manovre di svolta

Oct 16, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3525 (2023) Citare questo articolo

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La configurazione del cavo da traino marino cambia in modo significativo durante il processo di rotazione, essendo la procedura di rotazione con lunghezza del cavo fissa la più frequente. Per superare queste sfide, è necessario affrontare la configurazione e le proprietà dinamiche del cavo da traino marino. Tuttavia, in alcune particolari situazioni operative, il rimorchiatore deve rilasciare il cavo marino trainato durante la rotazione, con conseguente variazione costante della lunghezza del cavo marino. In considerazione di ciò, il cavo trainato viene discretizzato in un modello di massa concentrata basato sul metodo della massa concentrata e viene stabilito il modello di analisi dinamica del processo di rotazione del cavo trainato con lunghezza variabile a diverse velocità di rilascio e diverse profondità. Ciò avviene con riferimento ai parametri specifici di un sistema rimorchiato, combinati con le condizioni marine specifiche di una particolare zona di mare. L'analisi dell'accoppiamento nel dominio del tempo viene utilizzata per determinare i cambiamenti dinamici nella configurazione e nello stress del cavo di traino marino a varie velocità e profondità di rilascio. I risultati dei calcoli hanno una certa rilevanza guida per una determinata pratica ingegneristica.

Man mano che lo sviluppo degli oceani progredisce, i sistemi di rimorchio oceanico stanno diventando sempre più cruciali in una varietà di discipline, tra cui il monitoraggio degli oceani, il rilevamento militare, la mappatura dei fondali marini e la difesa navale. I sistemi in molti diversi tipi di applicazioni includono la nave rimorchiante, il cavo trainato e il corpo rimorchiato. Il sistema trainato spesso esegue una varietà di movimenti durante il funzionamento, tra cui accelerazione lineare, svolta e zigzag4,5,6,7. Gli studi sullo stato stazionario di Choo e Casarella8 sono i principali responsabili della nostra attuale comprensione di come viene configurata una linea di traino sottomarina durante la manovra della nave. Chapman9 ha identificato tre tipi di comportamento dinamico del cavo: una svolta graduale con una bassa velocità di traino e un ampio rapporto tra raggio di sterzata e lunghezza del cavo, una svolta brusca con un'elevata velocità di traino e un piccolo rapporto tra raggio di sterzata R e lunghezza del cavo L R/L e lo stato transitorio tra due spire. Per una data velocità di traino, ha determinato un raggio di virata critico della nave al di sopra del quale il sistema cavo/veicolo mantiene una forma di equilibrio che è quasi equivalente alla configurazione planare associata a una traiettoria rettilinea della nave da traino. Il meccanismo di traino effettivamente si guasta al di sotto del raggio di sterzata richiesto. Un esempio di manovra di virata completa è stato utilizzato come illustrazione e convalida della praticità delle loro modalità dinamiche non lineari da Ablow e Schechter10 Milinazzo et al.11, Gobat e Grosenbaugh12 e molti altri.

Molti ricercatori stanno ora studiando il comportamento dinamico dei cavi sottomarini durante le manovre delle navi. Ad esempio, Kishore e Ganapathy13 hanno simulato il comportamento di un gruppo trainato durante un percorso di virata completa. I casi di studio sono stati condotti per diversi raggi di anello, lunghezze trainate, velocità di traino e anelli troncati. Si è riscontrato che riducendo la velocità di traino durante un giro da 9,85 m/s a circa 3,5 m/s si provoca una brusca caduta della tensione nel punto di traino. Il rapido allentamento della tensione del punto di aggancio potrebbe portare a gravi problemi all'estremità a bordo del cavo. Grosenbaugh14 ha esaminato il comportamento dinamico di un sistema di cavi trainati che risulta dal cambiamento di rotta della nave rimorchiatore da una traiettoria diritta a una che comporta una virata circolare costante a raggio costante. Buckham et al.15 e Lambert et al.16 hanno sviluppato un modello matematico/computazionale di un sistema di veicolo subacqueo trainato e hanno discusso un'applicazione del modello per migliorare le prestazioni del sistema durante una manovra di virata. Il modello matematico è stato collegato a simulazioni numeriche non lineari di un veicolo di superficie autonomo e di un pesce trainato gestito attivamente. Per simulare il cavo trainato è stata utilizzata l'approssimazione della massa concentrata. I risultati hanno mostrato che la simulazione del veicolo sottomarino rimorchiato potrebbe essere utilizzata in un algoritmo di ottimizzazione per trovare la geometria di virata ottimale del pallone per una manovra di inversione a U. Wang e Sun17 hanno simulato parametricamente la risposta dinamica di un sistema di cavi trainati alla manovra della nave. È stata studiata l'influenza di parametri adimensionali sulla manovrabilità del sistema di cavi trainati, il rapporto tra la lunghezza totale e il raggio di sterzata, il rapporto tra la massa del cavo e la massa del veicolo e il rapporto tra la lunghezza dell'unità di massa e la forza idrodinamica. I risultati hanno mostrato che il comportamento transitorio tra due piccole svolte circolari di uguale raggio ha rivelato un crescente effetto di svolta sulla svolta graduale che domina la traiettoria orizzontale. Zhang et al.18 hanno studiato le caratteristiche dinamiche dei cavi a lunghezza fissa nello stato di virata della nave rimorchiante. Le variazioni di flessione dei cavi sono risultate più frequenti e severe in prossimità dei 15 m verso le estremità di testa e di coda. Zhao et al.19 hanno sviluppato un modello dinamico tridimensionale completamente accoppiato di un sistema di cavi trainati. Sono state condotte simulazioni numeriche per diverse manovre, compresi i traini rettilinei e quelli con inversione a U. La simulazione numerica e i dati delle prove in mare sono stati confrontati e i risultati hanno rivelato che la simulazione numerica e i dati delle prove in mare erano in buon accordo. Utilizzando una tecnica numerica, Yuan et al.20 hanno stimato come un sistema trainato subacqueo influenzerebbe la manovrabilità della nave rimorchiante. Si è scoperto che la velocità, il raggio di sterzata e l'angolo di rollio della nave trainante erano ridotti durante la manovra di virata. Zhang et al.21 hanno studiato la risposta dinamica di un sistema trainato da un cavo durante la manovra di inversione a U di 180 gradi della nave. È stato presentato un modello numerico di cavi marini con rigidità alla flessione basato sull'approccio tridimensionale dei parametri lump e convalidato da OrcaFlex.