深海工作船系泊系统运动响应分析_王朋超.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：深海工作船系泊系统运动响应分析王朋超，谭睿，何燕（青岛科技大学 机电工程学院，山东青岛 ）摘要：针对深海复杂恶劣的环境条件，根据三维势流理论和凝集质量法，建立了深海养殖辅助工作船及其系泊系统的数值模型，研究了风浪流的共同作用下深海工作船系泊运动响应。首先通过频域分析，得到工作船在单位规则波下的幅值响应算子 等水动力参数；再将船体频域结果导入到时域分析中，模拟得到在风浪流的联合作用下深海工作船系泊系统的运动响应。结果表明：工作船在工作海况中可保持良好的状态，极限海况下横摇和纵摇运动超出规定范围，易发生险情；与风浪流方向均为 相比，当流向为 时，工作船横荡运动幅值增大，纵荡运动幅值减小，艏摇角度增大，同时流向的改变也会引起系泊缆有效张力的变化；各系泊缆安全系数满足安全性要求。关键词：系泊系统；运动响应；缆索张力；单点系泊中图分类号：文献标志码：引用格式：王朋超，谭睿，何燕深海工作船系泊系统运动响应分析青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：基金项目：青岛市重点学科建设项目（青教办字 号）作者简介：王朋超（），男，硕士研究生 通信联系人 ，（，）：，（），青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷 ，：；深海海域因其广阔的可利用空间而受到人们关注，开发深远海养殖已成为渔业发展的趋势。深海养殖辅助工作船锚泊在特定深海海域范围内进行养殖作业，恶劣的深海环境严重威胁养殖船的安全，因此分析深海中养殖辅助工作船的运动特性及系泊系统性能具有重要意义。匡晓峰等对养鱼船耦合双浮子单点系泊系统进行数值计算和模型试验，研究了不同环境下养鱼船运动特性及系泊力变化。杨福芹等对清污工作船的结构进行分析和优化，改善了船体结构，提高了安全系数。张大朋等通过改变风浪流的参数，对单点系泊船体缆索张力的变化情况进行分析。韩冰等基于三维势流理论，对养殖工船自航和系泊两种工况的耐波性进行研究，从多个角度对养殖工船的耐波性能进行评价。等分析了极限海况下船体单点系泊响应情况，并对每条系泊缆进行张力校核，确定其安全性。刘孟琦采用模型试验方法，以油船悬链式单点系泊系统为研究对象，分析了系泊系统在风、浪、流的联合作用下的动力响应，得到该系统的缆索张力及油船运动规律。张晓莹等研究了管架式海上养殖平台水动力性能和平台系泊系统耦合时域动力响应，分析了平台的运动规律及锚链拉力等。目前已有较多船舶码头系泊的模型实验和数值模拟，但是对于深海工作船系泊系统的研究尚不完善。相较于浅海内湾，开放的深海海域缺少天然屏障，恶劣的自然环境对船舶系泊系统提出了新挑战。另外在深海中，缆索受波浪和水流的冲击，其形状及张力变化相比于码头系泊更为复杂，因而具有更高的技术要求。养殖辅助工作船的安全性、稳定性对于养殖作业的开展具有至关重要的意义。本工作建立无动力深海养殖工作船模型，针对南海种典型海况，通过数值模拟分析深海工作船系泊系统运动规律，为实际应用提供参考依据。理论基础频域分析船体水动力计算基于势流理论，通过频域分析得到幅值响应算子 及其他水动力参数，波浪力作用下船体运动方程式：（）（）（）（），（）其中为浮体质量；为附加质量；为阻尼；为静水刚度；为波浪力。时域分析采用刚体运动学原理建立养殖船微分运动方程：（）（）（）?（）（）（）（）（），（）其中：、分别为浮体广义质量矩阵、附加质量矩阵；（）为系统的延迟函数矩阵；为浮体的静水恢复力系数矩阵；（）为一阶波浪力；为风阻力；为水流力；（）为二阶波浪力；（）为锚泊力。风、流载荷的计算依据石油公司国际海事论坛（）给出的公式以及相应系数。风阻力 计算公式如下：，（）其中：为风阻力；为空气密度；为迎风面积；为浮体与风的相对速度；为风阻力系数。水流力计算公式如下：，（）其中：为水流力；为海水密度；为迎流面积；为浮体与水流的相对速度；为水阻力系数。对于小尺度柔性结构的系泊缆，采用 公式计算其波浪力。（），（）其中：为波浪载荷；为排水量，；为水质点绝对加速度；为水质点相对于结构物的加速度；为水质点相对于结构物的速度；为拖曳力系数；为质量力系数；为拖曳投影面积。参照挪威船级社推荐设置系泊缆拖曳力系数和质量力系数。系泊缆离散为凝集质量模型，将其看作多个无质量分段和节点，每个分段均为连续的缆索元，只考虑轴向和扭转特性，而节点集中了个相邻分段各第期王朋超等：深海工作船系泊系统运动响应分析一半的质量，力和力矩都作用于节点上。有效张力的表达式为：，（）其中：为有效张力；为外部压力；为管线横截面积；为内部压力；为内管横截面积。相邻个节点间的壁面张力与有效张力的相对关系见图。图相邻节点间的壁面张力与有效张力的相对关系 壁面张力表达式为：（）（），（）其中：为缆索轴向刚度；为总的轴向平均应变，（）；为分段的伸长系数；为分段的原长；为泊松比；为阻尼系数；为长度增加的速率。是由于轴向刚度产生的；（）是由于内部压力和外部压力产生的；是由于轴向阻尼产生的。由于结构阻尼对缆索的影响较小，一般忽略不计，本工作取。模型参数工作船参数零航速工作船依靠系泊系统限定其位移。船体作为深海养殖工作平台，采用文献 中的船型并进行主尺度缩放，其建造和主尺度参数设计满足中国船级社规范要求。具体参数见表。利用有限元分析方法对工作船进行网格的划分和水动力数值模拟计算，面元模型如图所示。表工作船主尺度参数及属性 参数数值总长 型宽 型深 吃水 排水量 水线面面积 横向惯性半径 纵向惯性半径 艏摇惯性半径 重心坐标（，）图工作船面元模型 环境参数深海中的风浪流更为激烈，选取水深为 的中国南海 种典 型海 况 进行 分 析。波 浪选择 谱，风、流载荷设置均为定常力。在种海况中，海况和海况为作业海况，环境较为缓和，海况和海况为极限海况。种海况的风向、浪向均为 ，流向选取 和 两种情况，具体环境参数 见表。系泊系统参数系泊系统由条锚定在海底互成 的系泊缆及顶部与船连接的系泊缆组成。考虑耐磨性，与海底接触部分及顶部系泊缆材质设计为有档环链，其青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷余部分为聚酯纤维。系泊缆详细参数见表。底部条系泊缆末端连接在一起，通过号系泊缆连接到工作船。系泊缆布置方式如图所示。表环境参数 环境属性海况海况海况海况波浪谱 谱峰因子 波浪有义波高（）谱峰周期（）浪向（）风风速（）风向（）流流速（）流向（）表系泊系统参数 系泊缆材质长度直径最小破断力 轴向刚度 干重（）湿重（）号有档环链 聚酯纤维 号有档环链 图系泊系统示意图 结果与讨论对工作船进行从 至 浪向角下的频域分析，得到单位规则波作用下的船体相关水动力参数；再将频域分析结果导入时域分析中，得到在风浪流的联合作用下船体的运动响应和系泊系统响应。频域计算结果幅值响应算子（）是船体在单位规则波下的运动响应传递函数，包括个自由度。随浪向角及波浪频率变化情况如图所示。第期王朋超等：深海工作船系泊系统运动响应分析图 随浪向角和波浪频率的变化情况 由图（）可知，在频率为 ，浪向角为 和 时，纵荡 取得最大值 ，频率由 增长到 其值迅速减小，随后缓慢减小，当频率高于 时各个方向都趋于，浪向角的改变对低频区的纵荡 有很大影响，和 浪向角时取得最大值，浪向角时取得最小值；由图（）可知，在频率为 处，横荡 在浪向角为 和 时为，在浪向角为 时最大，此后随着频率增加而下降，在 之后趋于；图（）为垂荡 随波浪角度和频率的变化，在频率低于 时，垂荡 趋向于，频率为 时，垂荡 在 取得最大值 ，当频 率 大 于 时，各 浪 向 角 下 垂 荡 趋于；由图（）可知，在 和 浪向角时，各频率下的横摇 都为，浪向角为 时，横摇 在 和 分别出现 和 两个波峰；观察图（）可知，随频率的增加，纵摇 先增大后减小，在 处达到最大值，随后下降，频率大于 时趋于；图（）为艏摇 变化情况，在 和 浪向角下，艏摇 在频率为 时取得最大值 ，而后随着频率增加而下降，在 之后为。的峰值大多出现在低频区域，并且在这一区域变化较为剧烈，随着频率增加，在高频区 趋于平缓接近于。时域计算结果将工作船频域结果导入时域分析中，进行的动态系泊分析，得到种海况下工作船运动时历曲线及最大响应值，如图、图所示。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷图工作船运动时历曲线 图不同海况下工作船运动响应最大值 图为工作船运动时历曲线。由图（）知，海况和海况纵荡运动距离相差不大，而在海况中，船体纵荡运动平均值为 ，海况纵荡平均值为 ，说明在极限海况下，纵荡运动受流向的影响更显著。由图（）知，海况横荡运动平均值为 ，海况 横荡运动平均值为第期王朋超等：深海工作船系泊系统运动响应分析 ，海况横荡运动在整个模拟过程中几乎为零，海况横荡运动在初始 内可忽略，后开始往复运动，最大达到 ，最小为 。这是因为初始一定时间内，船长方向与风浪流的方向一致，随着时间推移，当船长方向与载荷作用方向不共线时，系统产生艏摇方向的扭矩，产生运动，即船体发生鱼尾运动。由图（）知，垂荡运动受流向影响不大，在极限海况下更为剧烈。由图（）知，工作海况下船体横摇幅值较小，尤其在海况下横摇幅值接近于。海况受鱼尾运动影响，在 后出现明显变化，最大达到 。由图（）知，纵摇曲线在极限海况下波动更大，而受流向影响不大。由图（）知，海况艏摇角度平均值为 ，海况具有更大的偏转，其艏摇角度平均值为 ，海况艏摇方向基本不发生偏 转，海 况艏 摇 最 大 达 到 ，最 小 为 。图为工作船运动响应最大值。由图知，船体纵荡运动在海况中达到最大值 ，横荡运动的最大值在海况中取得，为 。风浪流均为 时，叠加在沿船长方向的力最大，垂直作用于船长方向的力最小，海况工作船纵荡运动比海况大 ，横荡运动幅值接近于。海况流向为 ，船体发生偏转以减小迎流面积，艏摇角度大于海况。艏摇角度在海况中达到最大值 。为保障船载设备能够不受损坏，根据 钢质海船入级规范 海上浮式装置入级规范 等相关规范要求，船体横摇幅值不超过 ，纵摇幅值不超过 。在极限海况状态下（即海况和海况）船体横摇和纵摇响应过大，运动幅值超过规范要求。应考虑加装减摇装置或脱离系泊避险。对于系泊系统来说，除了工作船的运动响应，另一个关注点是系泊缆张力。图号系泊缆张力时历曲线 在四条系泊缆中，顶部号系泊缆受到的张力最大，其张力时历曲线如图所示。海况和海况张力分布相差不大，说明流向变化对其张力影响不大。极限海况下受张力更大，同时变化也更剧烈。图不同海况下各系泊缆张力最大值 对各系泊缆张力最大值汇总得到图。由图可知，极限海况下的系泊缆张力大于作业海况下的张力：流向为 时，极限海况下的号系泊缆张力比工作海况增加 ；流向为 时，极限海况下号系泊缆张力比工作海况增加 。流向对底部条系泊缆受力有一定影响：在海况和海况中，流向为 ，尤其是在海况下，处于迎流方向的号和号系泊缆所受张力大于号系泊缆；而在海况和海况中，流向为 ，此时号系泊缆位于迎流方向，因此受力要大于、号系泊缆，而号、号系泊缆的对称布置使得两系泊缆受力也一致。为验证系泊缆张力满足安全要求，对各系泊缆张力进行校核。安全系数为系泊缆最小额定破断载荷与最大张力的比值，计算各系泊缆在各工况下的安全系数如表所示。表系泊缆安全系数 海况海况海况海况号系泊缆 号系泊缆 号系泊缆 号系泊缆 由表知，所有的系泊缆所受最大张力均小于其破断载荷，安全系数大于 ，满足 规范 要求。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷结语针对深海种典型海况，建立深海工作船及其系泊系统模型，通过频域得到船体相关水动力参数，将相关参数导入时域分析，得到船体系泊系统运动响应特性。结果总结如下：）在低频区内较大，变化也较为剧烈，在 之后，随着频率升高逐渐降低，最终趋于；各个自由度 随浪向角变化而变化。）流向对纵荡和横荡运动影响显著，当流向为 时，船体纵荡运动距离更大，当流向为 时，船体横荡运动距离更大。垂荡运动受流向的影响不大。）横摇和艏摇受流向影响较大，在 流向时其运动角度更大，而纵摇受流向作用较小。极限海况