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    工程船定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

    2014-05-30 11:47:57胡斌
    廣東造船 2014年4期
    關(guān)鍵詞:工程船

    胡斌

    摘 要:本文通過搜集國(guó)內(nèi)外關(guān)于工程船定位移船的相關(guān)資料,對(duì)現(xiàn)有工程船的定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討,并以起重船為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析,以期為其它工程船的定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

    關(guān)鍵詞:工程船;風(fēng)阻力;流阻力;工作錨;移船絞車

    中圖分類號(hào):U674.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    1 引言

    工程船主要用于水上施工作業(yè),其作業(yè)時(shí)需在一定水域內(nèi)拋錨定位,通過操縱錨泊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)船舶的精確定位,而且定位一般需拖船或拋錨艇協(xié)助。施工時(shí),同一作業(yè)水域可能有幾艘船舶同時(shí)施工,另外還有已安裝或未安裝的工程構(gòu)件,周圍環(huán)境復(fù)雜,如果出現(xiàn)船舶走錨或錨鏈破斷,不僅影響工程工期、質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)還將造成船舶損壞、碰撞等事故。因此,定位移船系統(tǒng)在工程船設(shè)計(jì)和施工中尤其重要,而系泊船舶在風(fēng)浪流綜合作用下的系泊力計(jì)算是定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

    2 設(shè)計(jì)方法分析

    目前,船舶設(shè)計(jì)者一般都是按照舾裝數(shù)來確定錨及系泊設(shè)備。然而,許多工程船并不是簡(jiǎn)單地在錨地拋錨,而必須在規(guī)定的工地、規(guī)定的海況下進(jìn)行拋錨定位作業(yè)。因此,對(duì)于該類型的工程船,采用抓持力法來確定錨泊系統(tǒng)為好。所謂抓持力法,就是根據(jù)錨及錨索鏈在海底所提供的抓持力與作用在船舶上的環(huán)境載荷平衡條件,來確定錨及錨索鏈尺寸。這樣,準(zhǔn)確的計(jì)算作用在船舶的環(huán)境載荷就顯得十分重要。另外,確定環(huán)境載荷之后也可以更經(jīng)濟(jì)的配備移船絞車、工作錨以及系泊鋼絲繩。

    計(jì)算作用在船舶上的環(huán)境載荷的方法,主要有靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式估算和動(dòng)態(tài)時(shí)域模擬仿真兩種。其中,靜態(tài)計(jì)算的方法簡(jiǎn)單,可用的經(jīng)驗(yàn)公式也很多,但不同的公式適用范圍不同,精度有限;動(dòng)態(tài)分析的方法使用水動(dòng)力計(jì)算軟件如AQWA、ARAINE等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,精度較高但成本也高。實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于普通工程船的作業(yè)環(huán)境(港口或遮蔽水域作業(yè),一般波高不超過0.5 m)都比較溫和,波浪動(dòng)態(tài)影響較小,故用靜態(tài)計(jì)算的方法能滿足工程要求。本文通過檢索國(guó)內(nèi)外已有的系泊力靜態(tài)計(jì)算公式,對(duì)其進(jìn)行比較分析,以期得出工程船定位移船系泊力的合理計(jì)算方法,為工程船定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

    3 系泊力計(jì)算

    3.1 《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》(CB/T 3911-1999)

    《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》主要用于海洋船舶系泊屬具的選型,附錄中給出了作用在大型船舶上外力的計(jì)算方法,計(jì)算公式如下:

    (1)風(fēng)壓阻力

    Ra = KaVa2Aa kN (1)

    式中:Ka = 0. 000 720 8 (橫方向), 0.0004207 (縱方向 ) ;

    Va ——相對(duì)風(fēng)速,m/s;

    Aa——水線以上受風(fēng)部位的投影面積,不計(jì)梁拱、舷弧和縱傾,m2。

    (2)水流阻力

    Rw=1.188 6×0.001×Aw((Vw+Vs)2+0.33(Vw+Vs)) kN (2)

    式中: A w——設(shè)計(jì)船舶的浸水面積,m2;

    Vw——水流速度,m/s;

    Vs——移船速度m/s。

    (3)形狀阻力

    Rv=0.717 8As(Vw+Vs)2 kN (3)

    式中:As——水線以下側(cè)向投影面積,m2。

    (4)推進(jìn)器阻力

    Rp=0.25 89D2(Vw+Vs)2 kN (4)

    式中: D——螺旋槳直徑,m。

    (5)總阻力

    R=[(Ra+Rv)2+(Rw+Rp)2]0.5 kN (5)

    3.2 《港口工程荷載規(guī)范》JTJ 215—1999

    《港口工程荷載規(guī)范》主要用于港口工程設(shè)計(jì),規(guī)范中給出了船舶所受環(huán)境力的計(jì)算方法,計(jì)算公式如下:

    系泊船舶所受環(huán)境力:F=FW+Fc (6)

    FW=49.0×10-5AV2wξ (7)

    FC=Cρ/2VC2S (8)

    式中:Fw、Fc——風(fēng)力、水流力引起的船舶系泊力(kN);

    A ——水面以上船體縱向受風(fēng)面積(m2),與船型和裝載情況有關(guān);

    Vw、Vc ——風(fēng)速、水流速度(m/s);

    ξ ——風(fēng)壓不均勻折減系數(shù),與船舶水面以上最大輪廓尺寸有關(guān),取ξ=0.6~1.0;

    C ——水流力系數(shù),與雷諾數(shù)、船舶方形系數(shù)、吃水等因素有關(guān);

    S ——船舶水面以下的表面積(m2)。

    3.3 《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》(2005)

    該指南主要用于滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定的絞吸挖泥船、斗輪式挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、起重船和打樁船工作錨質(zhì)量計(jì)算,其計(jì)算公式如下:

    (1)對(duì)起重船和打樁船系泊系統(tǒng)的總環(huán)境力:

    F=R1+R2 (9)

    R1=705V2Am (10)

    R2=1.2qA (11)

    (2)首邊錨質(zhì)量

    應(yīng)不小于M=0.103(R1+R2)/K (12)

    式中:R1——水流力(kN);

    R2——風(fēng)阻力(kN);

    K——選用錨的錨抓力系數(shù);

    V——水流速度(包括絞纜速度)m/s,取2.15 m/s或按設(shè)計(jì)要求確定;

    Am=B·d,其中B為船寬(m),d為吃水(m)。

    q——風(fēng)壓,一般取170 N/m2,

    A——水線以上船舶側(cè)投影面積,取實(shí)際的0.6倍,m/s。

    3.4 日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》

    日本的《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》中對(duì)工程船的移船絞車和工作錨有明確規(guī)定,起重船移船絞車的拉力按船舶中心線30°方向受到風(fēng)和潮流的作用,其計(jì)算公式如下:

    (1)移船絞車的總拉力

    T=Qa+Qw (13)

    Qa=C·q·Aa·Ka (14)

    Qw= ρ·V2·1.2Aw·Cw (15)

    (2)工作錨質(zhì)量

    應(yīng)不小于M=T/(0.87K) (16)

    式中:Qa——風(fēng)力(kN);

    Qw——風(fēng)阻力(kN);

    C——風(fēng)力系數(shù),平面取1.2;

    q——風(fēng)壓, ;

    v ——為風(fēng)速(m/s);

    h——受風(fēng)面距水線的高度,小于15 m者取15 m;

    Aa——水線以上船體正投影面積,m2;

    Ka——風(fēng)向影響系數(shù),取1.2;

    ρ——海水密度,g/cm3 ;

    V——絞纜速度+潮流速度,潮流速度一般取1. 56 m/s ;

    Aw——水線以下正投影面積,m2;

    Cw——阻尼系數(shù),取1.4。

    3.5 石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》

    石油公司國(guó)際海事論壇組織通過一系列大型油船的模型試驗(yàn),提出了大型船舶的環(huán)境載荷計(jì)算公式,在船舶系泊設(shè)備設(shè)計(jì)、碼頭設(shè)施配置等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 其計(jì)算公式如下:

    (1)風(fēng)載荷:Fxw=1/2Cxwρwνw2AT kN (17)

    式中:Cxw——風(fēng)力系數(shù),按推薦圖譜選??;

    ρw ——空氣密度(g/cm3);

    νw——風(fēng)速(m/s);

    AT——受風(fēng)面積(m2)。

    (2)流載荷:Fxc=1/2Cxcρc νc2LBPT kN (18)

    式中:Cyc——流力系數(shù),按推薦圖譜選??;

    ρc——水密度(g/cm3);

    νc——流速(m/s);

    LBP——船體兩柱間長(zhǎng)(m);

    T——吃水(m)。

    3.6 計(jì)算結(jié)果

    用以上5種方法,對(duì)一艘總長(zhǎng)89.6 m、寬36 m、型深7 m、設(shè)計(jì)吃水3.82 m的1 500 t沿海起重船進(jìn)行系泊力計(jì)算:作業(yè)環(huán)境條件取極限風(fēng)速20 m/s(相應(yīng)風(fēng)壓約250 Pa),作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s,移船速度0.2 m/s;同時(shí)對(duì)一艘總長(zhǎng)55.5 m、寬23.0 m、型深4.5 m、吃水2.9 m的500 t起重船進(jìn)行計(jì)算:作業(yè)環(huán)境條件取極限風(fēng)速16 m/s(相應(yīng)風(fēng)壓約170 Pa),作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s,移船速度0.2 m/s。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

    4 分析及結(jié)論

    通過對(duì)以上公式的計(jì)算結(jié)果及分析,可以看出:每一種計(jì)算公式的側(cè)重點(diǎn)不同,考慮的因素也不同,系泊力計(jì)算結(jié)果差異較大,最大差異甚至接近1.8倍。因此,需要從公式組成和表達(dá)形式上進(jìn)行分析和甄選,尋求適合工程船定位系統(tǒng)使用的系泊力計(jì)算公式。

    對(duì)于風(fēng)引起的系泊力計(jì)算,各計(jì)算公式是依據(jù)流體力學(xué)流體壓力計(jì)算原理,取風(fēng)壓和受風(fēng)面積的乘積,并考慮一定的因素影響系數(shù),這種表達(dá)形式得到廣泛認(rèn)可。但是各公式考慮的風(fēng)向角和風(fēng)力系數(shù)各不相同,日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》取30°風(fēng)向角和較大的風(fēng)力系數(shù),其他各公式均取橫向90°風(fēng)。從計(jì)算結(jié)果來看,各公式計(jì)算結(jié)果存在差異,規(guī)律也不是很明顯,但《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》計(jì)算的風(fēng)載荷基本為各公式計(jì)算風(fēng)載荷的中間值,而且該方法的風(fēng)力系數(shù)是通過多條船的風(fēng)洞試驗(yàn)得到,可信度較高。

    對(duì)于水流引起的系泊力,各公式采用的計(jì)算原理和表達(dá)形式有較大的差異:《港口工程荷載規(guī)范》采用對(duì)船舶浸水表面摩擦阻力的表達(dá)形式,故計(jì)算結(jié)果最??;《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》、日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》、《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》采用同風(fēng)作用相似的流體壓力理論計(jì)算其形體阻力(動(dòng)水壓力),但《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》、日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》都是取正向的受流面積乘以一定的系數(shù)計(jì)算流力,只有《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》可以取縱向受流面積計(jì)算得到橫向流力,故三者的計(jì)算結(jié)果也存在一些差異,但日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》計(jì)算時(shí)在流速中疊加移船速度比較合理;《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》認(rèn)為水流力引起的系泊力包括形體阻力和水流摩擦力,而且形體阻力也是取側(cè)向受流面積計(jì)算的,故方法計(jì)算的系泊力最大。

    實(shí)際作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、形體阻力和興波阻力,不同情況下這3 種阻力成分不同,一般而言船首或船尾方向來流以摩擦阻力為主,而水流來自船舶側(cè)向時(shí),以形體阻力為主。海況溫和時(shí)移船興波阻力相對(duì)較小,通常不計(jì)。

    對(duì)于工程船的系泊力計(jì)算來說,靜態(tài)計(jì)算只要得到某一時(shí)刻最大系泊力即可根據(jù)該系泊力來安全的配置定位移船設(shè)備,而計(jì)算結(jié)果顯示形體阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦阻力,故水流力計(jì)算時(shí)考慮最惡劣情況時(shí)的形體阻力即可。

    綜合以上各種計(jì)算方法,個(gè)人認(rèn)為石油公司國(guó)際海事論壇《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》考慮因素比較全面,橫向90°風(fēng)、流方向的計(jì)算結(jié)果比較合理,可以用來初步確定工程船定位移船時(shí)的系泊力大小。但對(duì)于計(jì)算中使用的作業(yè)環(huán)境條件如風(fēng)速、流速(取實(shí)際流速疊加上移船速度)應(yīng)根據(jù)工程船實(shí)際作業(yè)工況予以明確。

    參考文獻(xiàn)

    [1]王丹. 工程船舶錨泊系統(tǒng)分析與應(yīng)用. 武漢理工大學(xué)碩士論文,2007

    [2]周奇才. 大型工程船舶錨泊移位系統(tǒng)研究. 中國(guó)航海,2009年第2期

    [3]中華人民共和國(guó)交通部. 港口工程荷載規(guī)范.JTJ 215-98

    [4]中國(guó)船級(jí)社. 內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南.2005

    [5]日本工程船舶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編訂委員會(huì).工程船舶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).1971

    [6]石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF). Mooring Equipment Guidelines 3rd .2008

    [7]石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF). Prediction of Wind and Current Loads on

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