潛水作業(yè)支持船錨泊定位數(shù)值分析與模型試驗研究

鄭宏亮 范井峰

（1.海軍駐廣州廣船公司軍事代表室；2.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室）

潛水作業(yè)支持船錨泊定位數(shù)值分析與模型試驗研究

鄭宏亮1范井峰2

（1.海軍駐廣州廣船公司軍事代表室；2.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室）

采用準動態(tài)方法對潛水作業(yè)支持船開展錨泊定位分析，并和模型試驗結(jié)果比較。通過對數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果是可靠性，潛水作業(yè)支持船錨泊定位系統(tǒng)滿足工程應用需求。

潛水作業(yè)支持船 錨泊定位分析 準動態(tài)方法

0 引言

潛水作業(yè)支持船（Diving Support Vessel，簡稱DSV）是專門為潛水人員服務設(shè)計，支持潛水人員完成水下安裝、檢查、維修等作業(yè)的工程船。隨著海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，海上應急打撈作業(yè)及其他突發(fā)事件不斷增加，潛水作業(yè)支持船的作用日益突出[1]。

DSV在海上特定海域作業(yè)時船體運動需限制在一定范圍內(nèi)，其常用的定位方式有兩種：動力定位和錨泊定位。采用動力定位方式的DSV具有機動性強和定位精度高等優(yōu)點，但動力定位成本較高。當DSV作業(yè)水深相對較淺時，采用錨泊定位方式即能夠達到定位精度，又能夠節(jié)省成本。因此，淺水中DSV的定位方式多采用錨泊定位。

DSV錨泊定位系統(tǒng)需依據(jù)作業(yè)海況下船體運動和錨索受力等設(shè)計。錨泊定位數(shù)值分析和模型試驗對錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。本文采用準動態(tài)方法對作業(yè)水深為100米的DSV開展錨泊定位數(shù)值分析，并根據(jù)模型試驗的結(jié)果驗證數(shù)值結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上開展了水深為80米和60米時錨泊定位數(shù)值分析，研究了水深對DSV錨泊定位系統(tǒng)的影響。

1 數(shù)值方法

準動態(tài)方法首先根據(jù)三維頻域勢流理論計算船體水動力系數(shù)、一階波浪力、二階波浪力和運動幅值響應傳遞函數(shù)（RAOs），然后求解船體時域運動。在求解船體時域運動時每一個時間步內(nèi)低頻運動（縱蕩、橫蕩和首搖）和波頻運動（垂蕩、橫搖和縱搖）分別計算。低頻運動響應通過求解時域運動方程得到，船體低頻

運動求解方程如下：

[]2

在低頻運動位置和船體首搖角基礎(chǔ)上，根據(jù)頻域計算得到的運動幅值響應結(jié)果，結(jié)合波浪時歷，從而得到波頻運動響應時歷。

準動態(tài)方法考慮了船體附加質(zhì)量和二階波浪漂移力，忽略了船體阻尼、一階波浪力和錨索自身拖曳力和慣性力的影響。

2 模型試驗

DSV錨泊定位模型試驗在上海交通大學海洋工程深水試驗池開展。根據(jù)DSV船體主尺度參數(shù)、錨索長度、作業(yè)海況和試驗設(shè)施，選定模型和實體之間縮尺比為1:40。DSV等浮式海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中運動的相似率問題，忽略粘性的影響，保持模型與實體間的Froude數(shù)和Strouhal數(shù)相等，滿足兩者的重力相似和慣性相似[3]，即

式中V，L和T分別為速度、特征線尺度和主要周期，下表m和s分別表示模型和實體。DSV錨泊定位模型試驗包括靜水衰減試驗、水平剛度試驗和風浪流試驗。靜水衰減試驗測量了船體自由漂浮和帶錨索狀態(tài)下的運動固有周期和阻尼系數(shù)；水平剛度試驗測量了錨泊系統(tǒng)縱向和橫向水平剛度；風浪流試驗測量了作業(yè)海況下DSV船體六自由度運動和錨索受力時歷。

2.1 船體和錨泊系統(tǒng)模型

本文所研究的DSV主尺度參數(shù)見表1。根據(jù)DSV主尺度參數(shù)和型線圖，采用玻璃鋼等材料制作船體模型。模型的制作除滿足相應的精度要求外，其排水量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑通過通過添加和改變模型內(nèi)壓鐵的重量和位置進行調(diào)整。

表1 DSV船體主尺度參數(shù)

DSV采用4根與船長方向呈45°夾角的錨索組成。受水池寬度影響采用了截斷系泊系統(tǒng)。錨索布置如圖1所示。錨索采用直徑為56 mm鋼絲繩，具體參數(shù)如表2。

圖1 DSV錨泊系統(tǒng)布置

2.2 環(huán)境條件

DSV作業(yè)水深100 m，作業(yè)海域環(huán)境條件為三級海況，具體參數(shù)見表3。在進行模型試驗時，風采用API風譜，流采用定常流，波浪譜采用JONSWAP譜，試驗模擬的能量譜與目標譜之間的對比如圖2所示。

表3 環(huán)境條件

圖2 波浪譜測量值與目標值比較

3 結(jié)果與分析

3.1 水平剛度試驗結(jié)果

將DSV錨索預張力調(diào)整到目標值。在模型重心位置系上細鋼絲繩，并使其保持水平狀態(tài)。鋼絲繩拉動船體至某一位置，測下此時錨泊系統(tǒng)回復力。通過測量一系列位置對應的回復力，獲得特定角度下錨泊系統(tǒng)的水平剛度。目標DSV錨泊系統(tǒng)縱向和橫向水平剛度如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，試驗測量得到的錨泊系統(tǒng)水平剛度與目標值吻合較好，試驗精度可靠。

表2 錨索參數(shù)

3.2 數(shù)值分析與模型試驗結(jié)果比較

采用BV船級社基于準動態(tài)方法開發(fā)的ARIANE軟件計算了DSV作業(yè)海況，迎浪、首斜浪和橫浪時，船體運動偏移和錨索受力。數(shù)值分析結(jié)果和模型試驗結(jié)果進行比較見圖5和圖6。

圖5描述了迎浪、首斜浪和橫浪下船體運動偏移數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果比較，圖6描述了導纜孔處錨索最大受力數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果比較。三種浪向下均為第2根錨索受力最大。從圖5可以看出，迎浪和首斜浪下船體所受到的風、浪、流等環(huán)境力較小，船體運動偏移較小，數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果相差較小。橫浪時船體運動幅度較大，數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果偏差較大，但仍在誤差允許范圍內(nèi)。從圖6可以看出，迎浪時最大錨索受力較小；首斜浪時主要是第2根錨索受力，受力較大；橫浪時所受環(huán)境力較大，錨索受力較大。三種浪向下，數(shù)值計算的結(jié)果均比模型試驗結(jié)果偏低。這主要是由于準動態(tài)方法忽略了船體阻尼系數(shù)和錨索動力的影響，并且準動態(tài)方法在計算是每一時間步長內(nèi)錨泊力作用到了船體上，船體運動未引起錨索受力變化?？紤]到準動態(tài)方法的特點，B V船級社規(guī)范NR493[4]規(guī)定，準動態(tài)方法錨索張力安全系數(shù)不小于1.75，確保準動態(tài)方法計算的結(jié)果在工程應用中是可靠的。從錨泊定位模型試驗結(jié)果可以看出，DSV運動偏移最大為5.62，滿足作業(yè)需求；錨索受力最大為641.22kN，錨索破斷強度為1830kN，錨索安全系數(shù)為2.85，滿足工程要求。

圖3 DSV錨泊系統(tǒng)縱向水平剛度

圖4 DSV錨泊系統(tǒng)橫向水平剛度

圖5 船體運動偏移數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果比較

圖6 最大錨索受力數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果比較

4 結(jié)束語

本文采用準動態(tài)方法對作業(yè)于100 m水深的DSV開展錨泊定位分析，計算了作業(yè)海況，迎浪、首斜浪和橫浪下船體運動偏移和錨索受力，并和模型試驗方法進行對比，得到如下結(jié)論：

⑴ 準動態(tài)方法計算的結(jié)果和模型試驗結(jié)果吻合較好，說明準動態(tài)方法在進行DSV錨泊定位分析時滿足精度要求，能夠用于DSV錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計；

⑵ DSV船體運動偏移和錨索安全系數(shù)均滿足工程應用需求，該錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計是合理的。

[1] 蔡長松，嚴國華，張印桐. 飽和潛水系統(tǒng)在作業(yè)船甲板的布置[J]. 中國造船，2010（S1）：95-101

[2] Bureau Veritas. Ariane 7 Theoretical Manual [CP]. 2007.

[3] 楊建民，肖龍飛，盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海交通大學出版社，2008

[4] Bureau Veritas. ClassificatioNof Mooring Systems for Performanent Offshore Units, 2012.

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.007

2016-11-15)

鄭宏亮（1979--），男，工程師，船舶船體。

范井峰（1978--），男，工程師，船舶船體。