Análisis dinámico de cable remolcado de longitud variable durante maniobras de giro

Oct 16, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3525 (2023) Citar este artículo

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La configuración del cable de remolque marino cambia significativamente durante el proceso de giro, siendo el procedimiento de giro con longitud de cable fija el más frecuente. Para superar estos desafíos, se deben abordar la configuración y las propiedades dinámicas del cable de remolque marino. Sin embargo, bajo algunas situaciones operativas particulares, el remolcador debe soltar el cable marino remolcado durante la rotación, lo que resulta en un cambio constante en la longitud del cable marino. En vista de esto, el cable remolcado se discretiza en un modelo de masa concentrada basado en el método de masa concentrada, y se establece el modelo de análisis dinámico del proceso de rotación del cable remolcado con longitud variable bajo diferentes velocidades de liberación y diferentes profundidades. Esto se hace con referencia a los parámetros específicos de un sistema remolcado, combinados con las condiciones específicas del mar de un área marina en particular. El análisis de acoplamiento en el dominio del tiempo se utiliza para determinar los cambios dinámicos en la configuración y la tensión del cable de remolque marino a varias velocidades y profundidades de liberación. Los resultados de los cálculos tienen alguna relevancia de orientación para una determinada práctica de ingeniería.

Los sistemas de remolque oceánico se están volviendo cada vez más cruciales en una variedad de disciplinas, incluido el monitoreo oceánico, la detección militar, el mapeo del lecho marino y la defensa naval, a medida que avanza el desarrollo oceánico1,2,3. Los sistemas en muchos tipos diferentes de aplicaciones incluyen el barco remolcador, el cable remolcado y el cuerpo remolcado. El sistema remolcado a menudo realiza una variedad de movimientos mientras está en funcionamiento, incluida la aceleración lineal, giros y zigzagueos4,5,6,7. Los estudios de estado estacionario de Choo y Casarella8 son los principales responsables de nuestra comprensión actual de cómo se configura una línea de remolque submarina durante las maniobras de un barco. Chapman9 identificó tres tipos de comportamiento dinámico del cable: un giro gradual con una velocidad de remolque baja y una relación de radio de giro grande a longitud del cable, un giro cerrado con una velocidad de remolque alta y un radio de giro pequeño R a la relación de longitud de cable L R/L , y el estado transitorio entre dos vueltas. Para una velocidad de remolque determinada, determinó un radio crítico de giro del barco por encima del cual el sistema cable/vehículo mantiene una forma de equilibrio que es casi equivalente a la configuración plana asociada con la trayectoria rectilínea del barco de remolque. El mecanismo de remolque falla efectivamente por debajo del radio de giro requerido. Ablow y Schechter10 Milinazzo et al.11, Gobat y Grosenbaugh12 y muchos otros utilizaron una instancia de maniobra de giro completo como ilustración y validación de la practicidad de sus modales dinámicos no lineales.

Muchos investigadores ahora están investigando el comportamiento dinámico de los cables submarinos durante las maniobras de los barcos. Por ejemplo, Kishore y Ganapathy13 simularon el comportamiento de una matriz remolcada durante un curso de giro de círculo completo. Los estudios de caso se llevaron a cabo para diferentes radios de bucle, longitudes remolcadas, velocidades de remolque y bucles truncados. Se encontró que la reducción de la velocidad de remolque durante un bucle de 9,85 m/s a aproximadamente 3,5 m/s hace que la tensión del punto de remolque caiga bruscamente. La rápida relajación de la tensión en el punto de remolque podría ocasionar problemas graves en el extremo de a bordo del cable. Grosenbaugh14 examinó el comportamiento dinámico de un sistema de cable remolcado que resulta del cambio de rumbo del barco remolcador de una trayectoria de remolque directo a una que involucra giros circulares constantes en un radio constante. Buckham et al.15 y Lambert et al.16 desarrollaron un modelo matemático/computacional de un sistema de vehículo submarino remolcado y analizaron una aplicación del modelo para mejorar el rendimiento del sistema durante una maniobra de giro. El modelo matemático se conectó con simulaciones numéricas no lineales de un vehículo de superficie autónomo y un pez remolcado gestionado activamente. La aproximación de masa concentrada se utilizó para simular el cable remolcado. Los resultados mostraron que la simulación del vehículo submarino remolcado podría usarse en un algoritmo de optimización para encontrar la geometría óptima de giro del globo para una maniobra de giro en U. Wang y Sun17 simularon paramétricamente la respuesta dinámica de un sistema de cable remolcado a la maniobra del barco. Se investigó la influencia de tres parámetros adimensionales en la maniobrabilidad del sistema de cable remolcado, la relación entre la longitud total y el radio de giro, la relación entre la masa del cable y la masa del vehículo y la relación entre la longitud de la unidad de masa y la fuerza hidrodinámica. Los resultados mostraron que el comportamiento transitorio entre dos pequeños giros circulares de radios iguales reveló un efecto de giro creciente en el giro gradual que domina la trayectoria horizontal. Zhang et al.18 estudiaron las características dinámicas de los cables de longitud fija bajo el estado de giro del buque remolcador. Se encontró que los cambios de flexión de los cables eran más frecuentes y severos en la vecindad de 15 m hacia los extremos de cabeza y cola. Zhao et al.19 desarrollaron un modelo dinámico tridimensional totalmente acoplado de un sistema de cuerpo de cable remolcado. Se realizaron simulaciones numéricas para diferentes maniobras, incluidos los remolques en línea recta y en U. Se compararon la simulación numérica y los datos de la prueba de mar, y los hallazgos revelaron que la simulación numérica y los datos de la prueba de mar estaban en buena concordancia. Usando una técnica numérica, Yuan et al.20 estimaron cómo un sistema remolcado bajo el agua afectaría la maniobrabilidad del buque remolcador. Se descubrió que la velocidad, el radio de giro y el ángulo de balanceo del buque remolcador se redujeron durante la maniobra de giro. Zhang et al.21 estudiaron la respuesta dinámica de un sistema remolcado por cable durante una maniobra de giro en U de 180 grados del barco. Se presentó un modelo numérico de cables marinos con rigidez a la flexión basado en un enfoque tridimensional de parámetros globales y validado por OrcaFlex.

El comportamiento dinámico de un cable de remolque en un giro, según la literatura, podría verse como una compensación entre el período del giro y la duración de la caída del transitorio. Un período de tiempo prolongado determina un perfil de sistema de cable estable en un giro con un gran radio22,23. En cambio, un período de decaimiento lento da como resultado una fuerte disminución de la profundidad. Sin embargo, el conocimiento que se puede adquirir de investigaciones anteriores sobre el comportamiento transitorio del cable no es lo suficientemente completo. El comportamiento transitorio del sistema de cable de remolque durante varias maniobras del barco es poco conocido. Por ejemplo, cuando el remolcador está tendiendo la tubería submarina, el remolcador soltará el cable mientras gira24. Durante las maniobras de giro del barco, cuando la longitud del cable fluctúa, no está claro cómo se comportarían los sistemas de cable de remolque25,26. En este documento, el cable remolcado se discretiza en un modelo de masa concentrada basado en el método de masa concentrada con referencia a los parámetros específicos de un sistema remolcado junto con las condiciones marinas específicas de un área marina particular. Luego se establece un modelo de análisis dinámico del proceso de rotación de un cable marino de longitud variable bajo diferentes velocidades de liberación y diferentes profundidades. Los cambios dinámicos de configuración y tensión del cable marino bajo diferentes velocidades de liberación y diferentes profundidades se obtienen mediante análisis de acoplamiento en el dominio del tiempo.

En el océano, el cable es un componente delgado y flexible típico. Los componentes delgados y flexibles del océano primero deben lograr un equilibrio estático y adoptar su forma de equilibrio estático antes de que pueda comenzar la simulación dinámica. Como resultado, el paso del equilibrio estático debe venir primero. El método de catenaria, que se describe brevemente aquí, se utiliza para calcular el equilibrio estático de los componentes flexibles delgados en alta mar. Como se muestra en la Fig. 1, ds es cierto microelemento en el cable, D y F son las fuerzas del fluido por unidad de longitud a lo largo de las direcciones vertical y tangencial del elemento del cable, respectivamente. T es la tensión del cable. φ es el ángulo entre el elemento del cable y la dirección del flujo de agua, que se denomina ángulo del cable. dT y dφ son los pequeños incrementos de la tensión en el elemento de cable ds y el ángulo del cable φ, respectivamente. w es el peso bajo el agua del cable por unidad de longitud.

Diagrama de fuerza del microelemento del cable.

En la dirección normal del elemento de cable:

donde, ρ es la densidad del fluido, g es la gravedad del microelemento del cable, A es el área de la sección del microelemento del cable, h es la profundidad del agua, z es la profundidad del lecho marino.

En la dirección tangente del elemento de cable:

Se introduce la tensión aparente T* = T − ρgA(h − z), las ecuaciones anteriores se pueden escribir de la siguiente manera:

En aras de la brevedad, se omite el apóstrofe * en la T.

Las dos ecuaciones de equilibrio de cables anteriores no son lineales y las soluciones analíticas son difíciles de descubrir. Bajo ciertas condiciones, es posible buscar una solución analítica más simple. Si el cable es pesado o la velocidad de la corriente es pequeña, la fuerza que actúa sobre él es principalmente la gravedad y la fuerza del fluido puede despreciarse. Las ecuaciones (3) y (4) se pueden simplificar de la siguiente manera:

Divide (5) y (6):

Por eso:

donde, T es la tensión del cable cuando el ángulo del cable \(\varphi_{0}\) es 0.

Sustituya la ecuación. (8) en la ecuación. (5), y mida desde el punto de origen, integre desde la longitud del cable s0 hasta la longitud del cable s (establezca los ángulos del cable en los dos lugares para que sean φ0 y φ respectivamente), la siguiente ecuación. (9) se puede obtener:

Sea Th = T0cosφ0, por lo tanto:

La siguiente ecuación se puede obtener sustituyendo dx = dscosφ en la ecuación. (5):

De manera similar, la Ec. (12) se puede obtener sustituyendo dz = dssinφ en la ecuación. (5):

Las ecuaciones (11) y (12) son expresiones entre la longitud del cable, la distancia horizontal y la distancia vertical en dos puntos cualesquiera en la etapa de equilibrio estático del cable. Si el límite inferior de la integral se toma en el punto de origen, entonces:

Si a = Th/w, hay:

Se puede concluir que:

Así, las Ecs. (10) y (12) se pueden escribir de la siguiente manera:

Las ecuaciones (17) y (18) son ecuaciones catenarias.

De las Ecs. (17) y (18), podemos obtener:

Así es como se desarrolló el enfoque clásico de catenaria, que se basa en la idea de que las fuerzas del fluido superan a la gravedad. La geometría del cable en la etapa de equilibrio estático en este trabajo se basa en la teoría antes mencionada, ya que esta técnica puede dar una respuesta analítica clara, lo que permite denominarlo como un método de catenaria analítica.

Los métodos numéricos para el análisis de cables se pueden dividir en tres categorías: método de elementos finitos, método de diferencias finitas y método de masa concentrada. El método de elementos finitos se utiliza con frecuencia en los cálculos de ingeniería. Sin embargo, cuando se aplica al estudio de elevadores flexibles, habrá más componentes y nodos a medida que aumenta la longitud del elevador flexible. El orden de rigidez de la matriz aumentará a medida que aumente el número de elementos y nodos, y la matriz se volverá extremadamente escasa. Como resultado, lograr la convergencia del proceso de cómputo es un desafío y requiere una cantidad significativa de tiempo de cómputo. Un enfoque numérico para resolver ecuaciones diferenciales de tuberías submarinas es el método de diferencias finitas con ecuaciones diferenciales, incluidas las ecuaciones diferenciales ordinarias y parciales. La aproximación discreta del diferencial, que es necesaria para la técnica de diferencias finitas, emplea los valores de función de los puntos discretos para estimar el diferencial del punto. La principal ventaja del método de diferencias finitas es que es fácil de entender y no requiere la creación de funciones de forma. Pero no es apropiado para problemas de ingeniería con condiciones de contorno intrincadas. El método de masa concentrada calcula directamente a partir de la segunda ley de Newton, aproximando el cable como una serie de nodos conectados por elementos elásticos lineales sin masa y aplicando fuerzas distribuidas como la gravedad y la dinámica de fluidos en los nodos distribuidos del cable. Esto contrasta con el método de diferencias finitas, que resuelve la ecuación gobernante desde el punto de vista de los microelementos.

En este trabajo se utiliza el método de masa concentrada como método de cálculo del cable umbilical. La idea de este método es dividir el cable en N segmentos, y la masa de cada elemento se concentra en un nodo. Hay N + 1 nodos, mientras que la tensión T y el cortante V que actúan en los extremos de cada segmento pueden concentrarse en un nodo, y cualquier carga hidrodinámica externa se concentra en el nodo. La ecuación de movimiento del i-ésimo nodo (i = 0, 1…N) es:

donde, R representa la posición del nodo del cable.

\(M_{Ai} = \Delta \overline{s}_{i} \left( {m_{i} + \frac{\pi }{4}D_{i}^{2} (C_{an} - 1)} \right)I - \Delta \overline{s}_{i} \frac{\pi }{4}D_{i}^{2} (C_{an} - 1)(\tau_{i} \otimes \tau_{i - 1} )\) es la matriz de masa de un nodo, I es una matriz identidad de 3 × 3; \(T_{ei} = EA\varepsilon_{i} = EA\frac{{\Delta s_{0i} }}{{\Delta s_{\varepsilon i} }}\), que representa la tensión efectiva en un cierto nodo; \(\Delta s_{0i} = \frac{{L_{0} }}{{\left( {N - 1} \right)}}\), que representa la longitud original de cada segmento; \(\Delta s_{\varepsilon i} = \left| {R_{i + 1} - R_{i} } \right|\), la longitud estirada de cada segmento; EA, rigidez axial del cable. \(F_{{dI_{i} }}\) representa la hidrodinámica externa de cada nodo, que se calcula según la ecuación de Morison.

Para verificar la corrección del método de masa concentrada, se toma un cable remolcado y se mueve bajo la condición límite especificada27. Los resultados del cálculo se comparan con los resultados anteriores. El cable remolcado incluye cable, matriz y embudo. Las propiedades del cable remolcado se muestran en la Tabla 1.

Se selecciona un punto ubicado a 8,2 m del perfil del arreglo y se compara con los estudios anteriores. Las variaciones de profundidad se comparan con los resultados de Gobat y Grosenbaugh28 y Ablow10. Los hallazgos del modelo de masa concentrada se muestran en la Fig. 2 para ser consistentes con investigaciones anteriores y para mostrar que la profundidad mínima es más similar a la profundidad medida. Todas las comparaciones demuestran que el enfoque de masa concentrada es bastante preciso.

Validación por el método numérico.

El extremo superior del cable marino se conecta a la cola del remolcador en OrcaFlex, y el extremo inferior se ancla en el fondo marino. La forma inicial del cable marino es catenaria. Los parámetros del medio marino son los siguientes: la densidad del agua de mar es de 1025 kg/m3, sin viento ni oleaje, y la velocidad de la corriente de 0 m/s. Los parámetros del cable marino son: el diámetro exterior del cable marino de 0,9652 m, el diámetro interior de 0,9015 m, el módulo de Young es 22.000 Mpa, la relación de Poisson es 0, la densidad es 7,85 t/m3, el coeficiente de masa añadida normal es 1, y el coeficiente de fuerza remolcada normal es 0,8. Dado que el revestimiento de la superficie del cable marino es liso (el revestimiento de la superficie del cable marino es de 0,05715 m y su densidad es de 2,4 t/m3), el coeficiente de masa axial añadida y el coeficiente de fuerza de arrastre axial son ambos 0. El coeficiente de fricción normal entre el cable marino y el lecho marino es 1, y el coeficiente de fricción axial entre el cable marino y el lecho marino es 0 porque el cable marino no atraviesa el lecho marino.

El remolcador realiza un movimiento directo con una velocidad de 1 m/s durante los 20 s iniciales, y luego el remolcador comienza a realizar un movimiento de giro con una duración de 900 s. La velocidad angular de giro del remolcador de giro es 0.2°/s, y la velocidad lineal del remolcador de giro es 1 m/s. Después de completar el giro de 900 s, el remolcador salió del modo de giro y realizó un rumbo directo durante 500 s, todavía a 1 m/s en el rumbo directo. La punta del cable marino está conectada a la cola del remolcador y la longitud inicial del cable marino es de 1950 m durante la liberación.

Al analizar la influencia de la velocidad de liberación en las características dinámicas del proceso de liberación del cable marino, la profundidad del agua se mantiene en 100 m y el cable marino se libera a la velocidad de 0,8, 0,9, 1,0, 1,1 y 1,2 m. /s, respectivamente durante la rotación del remolcador. El factor de control de crecimiento suavizado se utilizó para gestionar la suavidad del crecimiento del cable de remolque a lo largo del proceso de liberación, y el factor de crecimiento del segmento variable más bajo se fijó en 0,001. Al analizar la influencia de la profundidad del agua en las características dinámicas de la segmentación del cable marino, mantenga la velocidad de liberación del cable marino en 1 m/s y establezca la profundidad del agua en 50, 75, 100, 125 y 150 m, respectivamente. El proceso de liberación del cable marino en el proceso de giro del remolcador se muestra en la Fig. 3.

Modelo de cable marino con longitud variable durante el proceso de torneado.

La Figura 4 muestra la tensión del cable marino en dos extremos con diferentes tasas de liberación durante el proceso de giro. El extremo superior del cable marino está conectado a la cola del remolcador y el extremo inferior está en contacto con el fondo marino. La tensión máxima del extremo inferior es mayor que la del extremo superior. La razón de este fenómeno es que durante el proceso de liberación, el cable y el fondo marino se frotan constantemente. La rotación del remolcador también producirá una fuerza de arrastre en la parte inferior del cable. Por lo tanto, las fuerzas en el extremo inferior incluyen su propia gravedad, la fuerza de fricción en el lecho marino y la fuerza de arrastre.

(a) Tensión del cable marino en el extremo superior a diferentes tasas de liberación; (b) Tensión del cable marino en el extremo inferior a diferentes tasas de liberación.

Puede verse en la Fig. 4 que, cuando la velocidad de liberación del cable es baja (0,8–0,9 m/s), con el aumento de la velocidad de liberación, la tensión máxima en la parte superior e inferior del cable disminuirá. En el dominio de tiempo completo, la tensión en ambos extremos del cable aumentará primero y luego disminuirá en el rango de 0 a 500 s, mientras que la tensión en ambos extremos del cable disminuirá y se estabilizará en un valor más bajo después de 500 s . Con el aumento de la velocidad de liberación (1–1,2 m/s), la fluctuación de la tensión en la parte superior e inferior del cable en el dominio del tiempo se reduce significativamente y la tensión máxima en ambos extremos del cable se reduce significativamente. en comparación con la liberación a baja velocidad, y el momento en que la tensión es estable está muy avanzado. La razón de este fenómeno es que cuando la velocidad de liberación es baja, el efecto de tracción causado por el giro del remolcador y el peso propio del cable se concentra en ambos extremos del cable. Sin embargo, con la aceleración de la velocidad de liberación, el efecto de arrastre causado por el giro del remolcador y el peso propio del cable se libera hasta cierto punto. Por lo tanto, cuando la velocidad de liberación es alta, con el aumento de la velocidad de liberación, la tensión máxima en ambos extremos del cable muestra una tendencia significativa a la baja. La razón es que, cuando el cable se suelta a una velocidad muy rápida, la tensión axial del cable provocada por la tracción del giro del remolcador y el peso propio del cable será igual (o incluso menor) al aumento de la liberación del cable. en este momento. Por lo tanto, se puede entender que el cable en este momento básicamente no está sujeto a tensión, por lo que la tensión en ambos extremos es extremadamente baja. Observaciones adicionales muestran que la tensión en ambos extremos del cable disminuye significativamente cuando la velocidad de giro del remolcador es igual a la velocidad de liberación del cable. En este caso, el alargamiento de tracción del cable causado por el giro del remolcador en cada paso de tiempo es aproximadamente igual al incremento de longitud del cable. Por lo tanto, cuando la velocidad de liberación del cable es la misma que la velocidad lineal del remolcador, el cable no se estirará significativamente durante todo el proceso de giro. Cuando la velocidad de suelta del cable es inferior a la velocidad de giro del remolcador, la tensión máxima en la parte inferior del cable es mayor que la tensión máxima en la parte superior del cable, lo que significa que la tensión en la parte inferior del cable es mayor que la punta del cable, cuando la velocidad de suelta del cable es menor que la velocidad de giro del remolcador.

La Figura 5 muestra las configuraciones del cable marino en una vista superior con diferentes velocidades de liberación durante el proceso de giro. En la Fig. 5, la longitud de una pequeña cuadrícula es de 50 m. La línea blanca es la proyección superior del cable en cada paso de tiempo durante el proceso de torneado. Bajo la condición de profundidad de agua constante, si la velocidad de liberación del cable es demasiado pequeña, es muy fácil estirar demasiado el cable durante la fase de navegación recta y giro de ángulo pequeño del remolcador. A medida que la velocidad de liberación se acerca a la velocidad del remolcador, la tendencia de este estiramiento excesivo del cable se debilitará gradualmente. Cuando la velocidad liberada es la misma que la velocidad de giro, debido a que el alargamiento del cable en cada paso de tiempo es aproximadamente el mismo que el avance total del remolcador en cada paso de tiempo, el cable no se estirará demasiado en esta etapa. A medida que la velocidad de liberación continúa aumentando y el proceso de giro continúa, la parte de suspensión subacuática del cable no se estirará demasiado en cada paso de tiempo. La mayoría de las veces, el cable tiene forma de catenaria suelta y se coloca en el lecho marino. Cuando la velocidad de liberación excede la velocidad de giro, la longitud del cable liberado en cada paso de tiempo es mayor que el desplazamiento hacia adelante del remolcador. Con el aumento del paso de tiempo, el cable puede tener flexión, torsión y enredos locales. Para el modelado de simulación, esto reducirá la convergencia de todo el sistema. En proyectos prácticos, el enredo local del cable provocará un desgaste local y un esfuerzo de flexión excesivo del cable. En resumen, la velocidad de liberación del cable marino no debe ser demasiado pequeña ni demasiado grande, y no debe exceder la velocidad de giro del remolcador. Ignorando otros factores, la velocidad de liberación del cable marino que es la misma que la velocidad de giro del remolcador es la velocidad de liberación apropiada del cable marino.

Configuraciones de cable marino en vista superior a diferentes velocidades de liberación durante el proceso de giro: (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.

El cable no se extenderá notablemente durante toda la operación de giro, como se muestra en "Características dinámicas a diferentes velocidades de suelta", si la velocidad de suelta del cable es la misma que la velocidad de giro del remolcador. Por tanto, la velocidad de suelta del cable en esta parte es igual a la velocidad de giro del remolcador, ambas de 1 m/s, para examinar el impacto del tirante sobre las características dinámicas del cable. La figura 6 muestra la tensión del cable marino en dos extremos durante la operación de giro a varias profundidades del agua. Las imágenes en el dominio del tiempo de la tensión en ambos extremos del cable a la misma profundidad del agua exhiben un grado significativo de semejanza cuando la velocidad de giro del remolcador y la velocidad de liberación del cable son constantes. La tensión máxima en el cable en ambos extremos aumentará a medida que lo haga la profundidad del agua. Sin embargo, la tensión máxima del cable es ligeramente superior en la parte superior que en la inferior cuando el mar es poco profundo (50–125 m).

(a) Tensión del cable marino en el extremo superior a diferentes profundidades del agua; (b) Tensión del cable marino en el extremo inferior a diferentes profundidades del agua.

Además, cuando la profundidad del agua está entre 0 y 50 m, la tensión en el fondo del cable es prácticamente constante en todo el dominio del tiempo. En el rango de profundidad del agua de 0 a 50 m, la longitud liberada del cable en cada paso de tiempo puede conservar la forma del fondo del cable, lo que da como resultado un efecto de tracción débil. En este punto, la tensión en la parte inferior del cable es casi constante. Cuando la profundidad del agua está entre 100 y 125 m, la tensión en ambos extremos del cable primero aumenta en el dominio del tiempo y luego disminuye abruptamente. La tensión básicamente no cambia entre 0 y 200 s, vuelve a disminuir entre 200 y 500 s y permanece sin cambios después de 500 s. Cuando la profundidad del agua es de 75 m por debajo de la profundidad del agua intermedia, la variación de la tensión en el dominio del tiempo en ambos extremos del cable es completamente diferente. La tensión del cable de la punta permanece constante en el dominio del tiempo al principio, luego disminuye gradualmente hasta un valor estable. A esta profundidad, la tensión del fondo no fluctúa con el tiempo. Esto indica que el proceso de torneado tiene una modesta profundidad de agua, lo que reduce la variación de tensión en ambos extremos del cable. Esto es relevante para el despliegue de cables y tiene un significado de guía para la práctica de ingeniería real. Investigaciones posteriores revelan que a medida que aumenta la profundidad del agua, disminuye el período para que la tensión en ambos extremos de la línea se mantenga constante antes de caer. Cuando la profundidad del agua supera los 150 m, la tensión en ambos extremos de la línea disminuye rápidamente después de alcanzar su máximo. Investigaciones posteriores indicaron que el tiempo para que la tensión en ambos extremos del cable se mantuviera constante antes de caer se redujo consecutivamente a medida que aumentaba la profundidad del agua. Cuando la profundidad del agua alcanza los 150 m, la tensión en ambos extremos de la línea cae rápidamente después de alcanzar su máximo.

La figura 7 muestra las configuraciones del cable marino en una vista superior a diferentes profundidades del agua durante el proceso de giro. La línea blanca es la proyección superior del cable en cada paso de tiempo durante el proceso de torneado. En la Fig. 7, la longitud de una pequeña línea de cuadrícula es de 50 m. Cuando la profundidad del agua es poco profunda, el cable no estará sujeto a una tensión aguda debido al giro del remolcador y la continua liberación del cable. En este momento, la sección de suspensión del cable puede mantener una cierta forma de catenaria con el avance del remolcador, y el avance del remolcador traerá un aumento limitado en la tensión del cable, lo que conduce a reducir la deformación por flexión del cable debido a la auto- peso de la suspensión. Cuando la profundidad del agua supera los 100 m y el remolcador gira hacia adelante, la sección del tramo de suspensión del cable se estira mucho en un punto dado de giro, y la sección del tramo de suspensión de calado ya no puede mantener la forma de catenaria todo el tiempo. Cuando la profundidad del agua es poco profunda, la deformación por flexión de la sección de suspensión del cable en el momento inicial disminuye, la catenaria se vuelve cada vez más empinada y la tensión de tracción en el proceso de rotación aumenta progresivamente. Cuando la profundidad del agua sube a un nivel particular, el cable se estirará mucho durante la operación de giro. Esto indica que existe un umbral de profundidad del agua para una determinada velocidad de liberación del cable mientras se mantienen constantes la velocidad lineal y el radio de giro del remolcador. El cable sufrirá un fuerte tirón en algún momento durante el procedimiento de liberación de giro después de alcanzar la profundidad del agua.

Configuraciones de cable marino en vista superior a diferentes profundidades de agua durante el proceso de giro: (a) 50 m; (b) 75 metros; c) 100 m; d) 125 m; (e) 150 m.

En este trabajo se exploran las propiedades dinámicas de un cable marino con longitud variable durante las maniobras de giro. El cable marino se discretiza en un modelo de masa concentrada utilizando el método de masa concentrada, y se establece un modelo de análisis dinámico del proceso de giro del cable marino para diferentes velocidades de liberación y profundidades del agua. Este estudio demostró lo siguiente:

En el proceso de torneado, cuando la velocidad de liberación del cable es baja, la tensión máxima en la parte superior e inferior del cable disminuirá. El efecto de tracción causado por el giro del remolcador y el peso propio del cable se concentra en ambos extremos del cable. El efecto de tracción se reduce a medida que aumenta la velocidad de liberación del cable. Cuando la velocidad de liberación es alta, hay una tendencia decreciente notable en la tensión máxima en ambos extremos del cable a medida que aumenta la velocidad de liberación.

La tensión en ambos extremos del cable disminuye significativamente cuando la velocidad de giro del remolcador es igual a la velocidad de liberación del cable. El alargamiento de tracción del cable causado por el giro del remolcador en cada paso de tiempo es aproximadamente igual al incremento de longitud del cable. Cuando la velocidad de liberación del cable es la misma que la velocidad lineal del remolcador, el cable no se estirará significativamente durante todo el proceso de giro.

El proceso de torneado tiene una profundidad de agua razonable, lo que reduce la fluctuación de tensión en ambos extremos del cable. El tiempo que tarda la tensión en ambos extremos de la línea en estabilizarse antes de descender se reduce a medida que aumenta la profundidad del agua.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este estudio fue apoyado financieramente por el Programa de Fondos Iniciales de Investigación Científica de la Universidad Oceánica de Guangdong (060302072101), Estudio Comparativo y Optimización del Levantamiento Horizontal de Tuberías Submarinas (2021E05011), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (62272109).

Facultad Marítima y de Navegación, Universidad Oceánica de Guangdong, Zhanjiang, 524088, Guangdong, China

Dapeng Zhang

Ocean College, Universidad de Zhejiang, Zhoushan, 316000, Zhejiang, China

Bowen Zhao

Facultad de Transporte y Marítimo, Universidad de Ningbo, Ningbo, 315211, Zhejiang, China

Keqiang Zhu

Escuela de Ingeniería Electrónica e Informática, Universidad Oceánica de Guangdong, Zhanjiang, 524088, Guangdong, China

Haoyu-jiang

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Conceptualización, DZ y BZ; metodología, DZ; software, KZ; validación, DZ y KZ; análisis formal, DZ y BZ; investigación, KZ y BZ; recursos, DZ; curación de datos, KZ; redacción—preparación del borrador original, DZ; redacción—revisión y edición, DZ; visualización, KZ; supervisión, DZ; adquisición de fondos, DZ y HJ Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Bowen Zhao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhang, D., Zhao, B., Zhu, K. et al. Análisis dinámico de cable remolcado de longitud variable durante maniobras de giro. Informe científico 13, 3525 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30731-8

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Recibido: 20 noviembre 2022

Aceptado: 28 de febrero de 2023

Publicado: 02 marzo 2023

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

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