开发海洋资源的各种海洋结构物需要在海洋中定位作业,传统的定位方法主要采用的是锚泊定位,依靠系泊缆提供的反力来平衡平台所受的环境力,使平台固定在一定范围内。但是随着海洋开发逐渐走向深海,深水锚链长度和强度的增加导致重量剧增,海上布锚作业复杂昂贵,因此锚泊系统的应用局限越来越大。为此,不受水深影响的动力定位技术得到了快速发展。而近些年,同时具备锚泊系统和动力定位系统优点的锚泊辅助动力定位系统得到了迅速发展。目前广泛应用的两种定位方式——锚泊系统和动力定位系统各有其优缺点。锚泊定位在浅水时定位性能优秀,可以实现良好的定位精度;在深水条件下或海洋环境条件较为恶劣时,锚泊系统的定位精度明显下降;相对而言,动力定位的精度较高,不受水深影响,系统反应迅速,缺点是能源消耗巨大,设备复杂、稳定性不够高。因此目前工程领域开始选择锚泊系统与动力定位系统联合使用的定位方式,即锚泊辅助动力定位系统,这样既能保证深海半潜式平台在深水条件下正常进行定位作业,保持足够小的水平位移,同时又能降低功耗,节能减排,大大提高经济性能。在半潜式平台的锚泊辅助动力定位系统的设计中,一般采用多点系泊的悬链线式锚泊系统和动力定位系统,锚泊系统抵抗大部分外界环境载荷,保证海洋结构物能够始终维持在预定的位置,保持一定的艏向;而动力定位系统产生推力和力矩,抵抗小部分的外界环境载荷,并控制平台的艏向。动力定位系统有效防止系泊缆超过断裂强度极限,保证锚泊系统的安全。正常作业时,动力定位系统也能有效减小锚链的疲劳与磨损,提高锚泊系统的使用寿命。第一章简介了锚泊辅助动力定位系统的历史由来,并分别从锚泊系统、动力定位系统和锚泊辅助动力定位系统等三方面概述了国内外研究现状。在第二章中,推导建立了锚泊辅助动力定位的基本理论公式,提出了基于锚泊与动力定位联合作用下的耦合计算的数值时域模拟方法。研究分析了锚泊辅助动力定位系统时域模拟的相关理论,包括运动方程的建立、锚泊系统的模型、环境载荷的计算、控制系统及推力分配算法等。求解运动方程的具体步骤是将浮式结构物的运动分为低频运动和波频运动两部分,先计算出浮体的各种水动力系数,包括附加质量,阻尼系数、RAO（Response Amplitude Operator,即幅值响应算子）和QTF（Quadratic Transfer Function,即二阶传递函数）等,同时考虑锚泊系统的系泊力,耦合迭代计算,从而最终求解运动方程。其中,需要过滤掉平台运动波频部分,引入低频运动到系统的控制回路中,经控制器计算得到所需推力,再由推力分配算法将其分配到每个推进器上,最终完成这个闭环控制中的定位。自主编写了时域模拟计算程序,同时考虑了动态锚链系泊力、半潜式平台运动与动力定位系统之间的耦合影响,完成了耦合计算。其中采用集中质量法建立了简化的系泊系统模型,构建出锚链上各个节点的运动控制方程,并采用有限差分方法进行求解,进而完成锚泊辅助动力定位的时域模拟。在第三章中,应用第二章基础理论公式,完成了深水半潜式钻井平台的锚泊辅助动力定位过程的数值模拟研究。考虑了在1500米水深情况下,锚泊系统完整情况下,动力定位推进器完好的模式下工况,分有180°、135°和90°三种风浪流入射方向。锚泊辅助动力定位的时域模拟与分析是基于集中质量法的系泊系统分析程序和动力定位时域模拟程序的耦合计算。第四章主要是研究分析了模型试验基本理论、自主设计了试验设备、完成了模型制作、锚泊定位校准和动力定位校准模型实验、锚泊辅助动力定位模型试验,并对数值时域模拟耦合计算方法进行了数据验证。模型试验基于相似理论,包含几何相似、运动相似和动力相似等三方面。模型试验在海洋工程水池中进行。首先考虑水池中风浪流的模拟、锚泊系统的模拟及动力定位系统模拟等因素,选择确定了模型缩尺比是50。因为水池模拟的水深有限,所以锚链模型的制作采用了截断等效方法,与原锚泊系统相比,截断后锚泊系统的动态响应会有一些差异,但水平刚度保持基本一致。模型下水前,根据实船的数据对模型的重量、重心位置以及惯量等技术参数进行了调节模拟,以确保模型与实船的质量和质量分布相似,这些参数会直接影响到平台在海上风、浪、流作用下的运动及受力。模型试验包括了环境载荷测量试验,静水衰减试验,锚泊定位、动力定位试验等多个工作模式。每一种工作模式都进行了多种工况试验,分别调整不同的环境参数和控制模式与定位位置等,其中锚泊定位和动力定位试验是为了锚泊辅助动力定位试验做的前期校准预备试验。针对一艘半潜式平台,进行了多种海况和工况下的锚泊辅助动力定位模型试验。试验模拟了半潜平台,锚泊系统,推进系统以及各部分的连接机构,在1500米水深下,推进器全好工作模式下的锚泊辅助动力定位。重点研究分析了1500米水深下的锚泊辅助动力定位结果,研究比较了自主软件计算的数值结果和模型试验结果,共进行了定位平均位置、漂移半径和推进器功率消耗三个方面的对比,验证了程序的可靠性。在第五章中,研究分析了对锚泊辅助动力定位系统有重要影响作用的定位点设置问题。在锚泊辅助动力定位系统中,定位点主要是由操作人员来设定。若定位点未正确设置,将会引发例如精度和功率消耗等诸多问题。将在没有环境力时锚泊船舶的平衡位置点定义为原点,若环境载荷不为零,未采用动力定位的锚泊船舶将会移动到外载荷平衡时的位置点。在通常的环境载荷中,若定位点至原点的距离比平衡位置点近,那么推进器将会抵抗一部分环境力,锚链抵抗另一部分的环境力,这就意味着锚泊系统未抵抗所有的环境力而导致其利用率并未得到最大化,并因动力定位系统启动定位作业而消耗了本来可以避免的能量。第六章对论文整体进行了总结和对未来研究工作的展望。综上所述,本文针对深水半潜式钻井平台锚泊辅助动力定位系统进行了深入的分析研究,提出了锚泊辅助动力定位的全耦合时域模拟方法,并且通过模型试验进行了验证,最后研究了该系统定位点的优化问题。