8 000 m3耙吸式挖泥船動力定位系統(tǒng)時(shí)域模擬與模型試驗(yàn)

朱一鳴， 王 磊， 張 濤， 劉翰林

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 200240)

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·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

8 000 m3耙吸式挖泥船動力定位系統(tǒng)時(shí)域模擬與模型試驗(yàn)

朱一鳴， 王 磊， 張 濤， 劉翰林

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 200240)

針對耙吸式挖泥船動力定位系統(tǒng)，以某8 000 m3耙吸式挖泥船為研究對象，分析其動力定位系統(tǒng)在模擬海況下的定位能力與特點(diǎn),構(gòu)建出動力定位時(shí)域模型。對挖泥船在各種海況下的實(shí)時(shí)運(yùn)動進(jìn)行時(shí)域模擬分析，得到該挖泥船的偏移半徑時(shí)歷和功率消耗時(shí)歷，并進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)。時(shí)域模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果表明,該挖泥船動力定位系統(tǒng)僅可在較小艏向角范圍內(nèi)完成有效定位，由于舵轉(zhuǎn)角的限制，螺旋槳無法在較大艏向角的情況下提供足夠的轉(zhuǎn)船力矩完成定位。通過模型試驗(yàn)與時(shí)域模擬結(jié)果的分析與比較，為動力定位時(shí)域模擬程序進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

耙吸式挖泥船； 動力定位系統(tǒng)； 時(shí)域模擬； 模型試驗(yàn)

0 引 言

耙吸式挖泥船通常裝備有耙頭挖掘機(jī)具以及水力吸泥裝置，是一種裝倉式自航挖泥船，具有自挖、自載、自卸等特點(diǎn)，航行性能優(yōu)良[1]。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在機(jī)動靈活、效率高、操作簡單、經(jīng)濟(jì)性好等方面。鑒于耙吸式挖泥船的諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代疏浚與圍海造田等大型工程已廣泛采用耙吸式挖泥船，具有廣闊的應(yīng)用前景與市場需求[2]。

隨著國際疏浚市場的不斷發(fā)展，動力定位系統(tǒng)逐漸地應(yīng)用在工程船舶上，對配備有動力定位系統(tǒng)的耙吸式挖泥船的需求也越來越大。動力定位系統(tǒng)是通過推進(jìn)器產(chǎn)生的推力，使得海洋結(jié)構(gòu)物在海上保持一定的位置和艏向角的一種先進(jìn)的定位系統(tǒng)。其基本原理是通過獲取船舶的位置誤差數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)計(jì)算所需的推力，并傳遞到推力系統(tǒng)以產(chǎn)生推力，以此達(dá)到抵抗海洋外部環(huán)境載荷，從而減少、消除位置誤差的目的[3]。

目前一些主要的生產(chǎn)和使用廠家都一致認(rèn)可動力定位能力曲線是評價(jià)船舶動力定位能力的有效工具[4]。動力定位能力曲線是一種靜態(tài)的動力定位能力分析方法，該方法將推力系統(tǒng)理論上產(chǎn)生的推力與靜態(tài)環(huán)境載荷相平衡，精度不高，可在初步設(shè)計(jì)階段中使用。更加精確地分析定位能力需采用動態(tài)的時(shí)域模擬分析以及模型試驗(yàn)等方法。動態(tài)時(shí)域模擬與模型試驗(yàn)方法能夠考慮到動態(tài)載荷，獲得實(shí)時(shí)位置偏移數(shù)據(jù)，能較為可靠地反映動力定位狀態(tài)下的海洋結(jié)構(gòu)物在各種海況下的定位狀態(tài)，從而驗(yàn)證動力定位系統(tǒng)的有效性，并可為動力定位控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)和指導(dǎo)，相比于靜態(tài)的動力定位能力曲線能更加直觀地評價(jià)系統(tǒng)的定位能力，是更為理想的研究方法[5]。

目前，挖泥船動力定位系統(tǒng)研究較少，大多處于對挖泥船動力定位系統(tǒng)的理論研究或模型試驗(yàn)的研究階段[6-7]，尚未將兩者很好的結(jié)合。本文針對耙吸式挖泥船這一特殊船舶，采用時(shí)域模擬以及模型試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行動力定位系統(tǒng)研究，最終確定該耙吸式挖泥船的最優(yōu)作業(yè)方案，為工程實(shí)踐提供借鑒。

1 理論基礎(chǔ)

動力定位時(shí)域模擬是建立時(shí)域運(yùn)動模型，分析海洋結(jié)構(gòu)物在動力定位系統(tǒng)控制下的運(yùn)動與受力，時(shí)域模擬能較好地模擬真實(shí)海況，模擬結(jié)果更加精確，并獲得定位精度、功率消耗等定位信息，為動力定位控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒。耙吸式挖泥船動力定位時(shí)域模擬基本原理及各個(gè)模塊如圖1所示，主要包括環(huán)境載荷計(jì)算模塊、低頻運(yùn)動方程模塊、控制模塊以及推力分配模塊[8]。

1.1 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷是海洋結(jié)構(gòu)物所承受的外載荷中很重要的一部分，其常見的估算方法為模塊法，也是本文采用的估算方法，即把整個(gè)海洋結(jié)構(gòu)物離散分類，得到若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，分別估算載荷，將各個(gè)模塊載荷疊加獲得總載荷。風(fēng)載荷的計(jì)算表達(dá)式為[9-10]：

圖1 挖泥船動力定位時(shí)域模擬原理

(1)

式中：Fxw,Fyw,Mxyw分別為縱向、橫向與艏搖風(fēng)力；ρw為空氣密度；Cxw(φwR),Cyw(φwR)和Cxyw(φwR)分別為縱向、橫向與艏搖風(fēng)力系數(shù)；AT，AL分別為艏向與側(cè)向受風(fēng)面積；LPP為兩柱間長；vwR為海平面上方10 m相對風(fēng)速。

1.2 流載荷計(jì)算

海洋洋流的存在，流載荷也是環(huán)境載荷的一部分，由于挖泥船的實(shí)時(shí)運(yùn)動，故需考慮船與海流相對速度的影響，與風(fēng)載荷類似，流載荷計(jì)算表達(dá)式為[11-12]：

(2)

式中：Fxc,Fyc,Mxyc即為縱向、橫向和艏向流力；ρc為海水密度；Cxc(φcR),Cyc(φcR)和Cxyc(φcR)分別為縱向、橫向和艏向流力系數(shù)；vcR為船體與海浪相對速度；d為船舶平均吃水。

1.3 波浪載荷計(jì)算

波浪載荷可以分為一階波浪載荷和二階波浪載荷。一階波浪載荷主要使海洋結(jié)構(gòu)物在平衡位置產(chǎn)生波頻運(yùn)動，不會發(fā)生漂移；而二階波浪載荷則會使海洋結(jié)構(gòu)物發(fā)生緩慢的漂移。二階波浪載荷主要由平均、差頻和合頻三部分組成，在常規(guī)的計(jì)算中一般只考慮差頻力部分和平均力部分，而忽略合頻力部分。平均波浪力和差頻波浪力合稱波浪漂移力，其大小與入射波波高的平方成正比，頻域下其比例關(guān)系用二次傳遞函數(shù)表示。由二次傳遞函數(shù)P(ω1,ω2)與Q(ω1,ω2)經(jīng)傅里葉變換，可得到時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)[13-14]：

e(iω1τ1-iω2τ2)dω1dω2

(3)

(4)

若給定波浪時(shí)歷ζ(t)，則有波浪漂移力時(shí)歷：

ζ(t-τ2)dτ1dτ2

(5)

式中，i=1,2，…，6。

1.4 低頻運(yùn)動方程

挖泥船在風(fēng)、浪、流以及推力等共同作用下產(chǎn)生的運(yùn)動可分解為波頻運(yùn)動和低頻運(yùn)動。波頻運(yùn)動由一階波浪力引起，其幅值較大，推力器產(chǎn)生的推力不可能完全抵消。同時(shí)高頻波浪載荷引起的高頻運(yùn)動僅表現(xiàn)為在平均位置處的周期性振蕩運(yùn)動，所以低頻運(yùn)動是動力定位系統(tǒng)所要抵抗的主要運(yùn)動，運(yùn)動時(shí)域模擬中也僅考慮低頻波浪力的作用。

挖泥船自由度低頻運(yùn)動方程為[15-16]：

(6)

式中:u,v,w為線位移速度；p，q，r為角位移速度；m為挖泥船質(zhì)量，包含附加質(zhì)量；Ixx，Iyy，Izz，Izx為挖泥船慣性矩，包括附加質(zhì)量矩；X，Y，Z分別為x，y和z方向的外力；K，M，N分別為x，y和z方向的外力矩。

2 挖泥船動力定位時(shí)域模擬

2.1 挖泥船模型

本船艙容約8 100 m3，雙機(jī)雙槳復(fù)合驅(qū)動，用于沿海疏浚和吹填作業(yè)。主要船型參數(shù)如下：總長LOA=134 m,型寬B=22 m,型深D=9.2 m,設(shè)計(jì)吃水d1=6.8 m,作業(yè)吃水d2=8.2 m,排水量(設(shè)計(jì)吃水)T=15 700 t,排水量(作業(yè)吃水)T=19 379.4 t。

該船采用2個(gè)主推力器與1個(gè)電驅(qū)動艏側(cè)推來控制挖泥船的定位，主推力器直徑3.4 m，最大功率4 500 kW，艏側(cè)推直徑2 m，最大功率600 kW。同時(shí)該船還配備有2個(gè)半平衡半懸掛舵，最大舵角35°。推力器具體安裝位置如圖2所示。

圖2 推力器安裝位置示意

2.2 動力定位時(shí)域模擬

本動力定位時(shí)域模擬主要利用上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的軟件DPSIM進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該船用途以及作業(yè)環(huán)境要求，模擬風(fēng)速15 m/s，最大流速1.029 m/s，波浪模擬采用JONSWAP波浪譜，其有義波高3 m，譜峰周期6 s，取風(fēng)浪流同向聯(lián)合作用。由于動力定位更關(guān)注挖泥船在水平面的運(yùn)動偏移，故時(shí)域模擬僅對挖泥船水平面的3個(gè)自由度運(yùn)動進(jìn)行控制，即：橫蕩、縱蕩和艏搖。根據(jù)船體推力系統(tǒng)配置的特點(diǎn)，無法在船體艏向與外界環(huán)境力方向夾角過大的情況下進(jìn)行有效定位。故在時(shí)域模擬中艏向角自0°～20°每隔5°進(jìn)行計(jì)算，包含不同流速下工況的對比，其中流速分別為1和2 kn。通過不同工況的時(shí)域模擬，最終得到挖泥船動力定位狀態(tài)下的水平偏移和總功率消耗的時(shí)歷曲線及其統(tǒng)計(jì)值。

2.2.1 偏移半徑計(jì)算結(jié)果

定位精度的評估方式是通過測量船體上控制點(diǎn)與目標(biāo)位置水平方向偏差實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)要兼顧艏向角的偏差。水平方向的偏移半徑公式如下：

(7)

偏移半徑統(tǒng)計(jì)值時(shí)域模擬結(jié)果如表1所示。挖泥船在不同艏向角、不同流速下的水平偏移時(shí)歷曲線如圖3所示。

根據(jù)以上時(shí)域模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同偏移角度情況下，隨著流速的增加，定位精度下降。當(dāng)流速增加到2 kn以上時(shí)，無法進(jìn)行有效定位。在相同流速情況下，隨著艏向角的增加，定位精度下降。由于舵轉(zhuǎn)角的限制，無法提供更大的Y向力及偏轉(zhuǎn)扭矩，當(dāng)艏向角增加到20°以上時(shí)，無法進(jìn)行有效定位(見圖4)。

對于動力定位系統(tǒng)，普遍允許的偏移量為水深的2%～4%，對于本船工作狀態(tài)下的水深40 m而言，允許平均偏移量為0.8～1.6 m，從結(jié)果上看，僅當(dāng)艏向角為0°流速為1 kn的工況是符合要求的。

表1 挖泥船偏移半徑統(tǒng)計(jì)值 m

2.2.2 功率消耗計(jì)算結(jié)果

時(shí)域模擬計(jì)算結(jié)果的消耗功率統(tǒng)計(jì)值如表2所示。挖泥船在不同艏向角不同流速下的功率消耗時(shí)歷曲線如圖5所示。

表2 挖泥船功率消耗統(tǒng)計(jì)值 kW

根據(jù)以上數(shù)值模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同艏向角情況下，隨著流速增加，動力定位消耗功率增加，包括平均功率、最大功率及最小功率。在相同流速情況下，隨著船體偏轉(zhuǎn)角度增加，消耗總功率總體呈增加的趨勢。當(dāng)艏向角為20°，流速為2 kn時(shí)，兩個(gè)主推進(jìn)器及艏側(cè)推并沒有接近于滿負(fù)荷工作，而再增加偏轉(zhuǎn)角度或者流速時(shí)卻無法進(jìn)行有效定位。說明無法定位的原因不是推進(jìn)器無法提供足夠的推力，因?yàn)樵诒ＷC偏移半徑盡可能小的前提下，同時(shí)要兼顧艏向角盡可能小的擾動，由于舵轉(zhuǎn)角的限制，無法提供足夠的偏轉(zhuǎn)扭矩使艏向角保持在目標(biāo)角度，使得船體無法在目標(biāo)位置平衡，從而偏離目標(biāo)位置，無法進(jìn)行有效定位。

3 動力定位模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)是研究動力定位系統(tǒng)的重要方法之一，通過在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋工程水池開展挖泥船動力定位模型試驗(yàn)，獲得該船相關(guān)定位信息，包括運(yùn)動、受力以及消耗功率等。根據(jù)試驗(yàn)的條件與要求，模型縮尺比λ=50。模擬的環(huán)境載荷如表3所示。

有義波高/m譜峰周期/s風(fēng)速/(m·s-1)流速/(m·s-1)風(fēng)浪流方向?qū)嶋H值模型值實(shí)際值模型值實(shí)際值模型值實(shí)際值模型值同向30.0660.849152.1211.0290.145

動力定位更關(guān)注挖泥船在水平面內(nèi)的3自由度運(yùn)動，故本試驗(yàn)主要測量分析挖泥船縱蕩、橫蕩及艏搖的運(yùn)動時(shí)歷。模型分別在0°、10°艏向角下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共有2個(gè)實(shí)驗(yàn)工況。最終，艏向角為0°時(shí)，挖泥船具有一定定位能力。各個(gè)螺旋槳功率消耗在一定范圍之內(nèi)，10°艏向角時(shí)，挖泥船定位并沒有成功，推力器功率并未達(dá)到峰值，說明挖泥船所布置的3個(gè)推進(jìn)器和2個(gè)舵不足以合理分配抵抗外環(huán)境力。

將模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成實(shí)船數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。圖6、7給出了已換算為實(shí)船的挖泥船模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)歷曲線。

表4 0°艏向角下的位置統(tǒng)計(jì)分析

表5 0°艏向角下的功率消耗統(tǒng)計(jì)分析

對于動力定位系統(tǒng)，普遍允許的偏移距離為水深的2%～4%，對于本船工作狀態(tài)下的水深40 m而言，允許平均偏移量為0.8～1.6 m，從結(jié)果上看，偏移半徑的統(tǒng)計(jì)平均值是符合要求的。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)海況對挖泥船比較惡劣，因此當(dāng)遭遇大風(fēng)大浪時(shí)，出現(xiàn)最大漂移半徑較大并且平均漂移半徑靠近允許范圍的極限值的情況。

圖6 偏移半徑時(shí)歷曲線

圖7 推進(jìn)器消耗功率時(shí)歷曲線

圖8 艏搖角時(shí)歷曲線

當(dāng)艏向角為0°時(shí)，大部分風(fēng)浪流力可以由主推進(jìn)器直接抵抗，當(dāng)艏向角有一定偏移時(shí)，可通過艏側(cè)推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)整來保持一定的定位位置。本試驗(yàn)中，當(dāng)艏向角偏移一定角度時(shí)，無法進(jìn)行有效定位，螺旋槳并未達(dá)到最大功率，說明推力不足不是無法定位的原因，由于舵轉(zhuǎn)角的限制，無法提供足夠的偏轉(zhuǎn)扭矩使艏向角保持在目標(biāo)角度，使得船體無法在目標(biāo)位置平衡，從而偏離目標(biāo)位置。由試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的海況下，挖泥船總體定位較好，若出現(xiàn)惡劣海況，仍會出現(xiàn)定位失敗的情況，因此，挖泥船在實(shí)施作業(yè)過程中最好避免上述模擬以及試驗(yàn)海況。

4 結(jié)果分析

本文通過數(shù)值時(shí)域模擬和模型實(shí)驗(yàn)的方法從定位精度和功率消耗兩個(gè)角度對比分析挖泥船的動力定位系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

(1) 在相同艏向角度情況下，隨著流速的增加，動力定位的定位精度下降，且消耗功率增加。當(dāng)流速增加到2 kn以上時(shí)，無法進(jìn)行有效定位。

(2) 在相同流速情況下，隨著艏向角的增加，動力定位的定位精度下降，且消耗功率有增加趨勢。由于舵轉(zhuǎn)角的限制，無法提供更大的偏轉(zhuǎn)扭矩使艏向角保持在目標(biāo)角度，使得船體無法在目標(biāo)位置平衡，從而偏離目標(biāo)位置。

(3) 模型試驗(yàn)的結(jié)果與時(shí)域模擬計(jì)算得到的結(jié)果共同表明，該挖泥船僅能在艏向角為0°，流速較小(小于2 kn)的情況下，具有一定的定位能力。

(4) 模型試驗(yàn)的結(jié)果與時(shí)域模擬計(jì)算得到的結(jié)果存在一定的偏差，與試驗(yàn)過程中測量裝置的誤差有一定的聯(lián)系，但是總體趨勢吻合較好。

5 結(jié) 語

本文針對研究較少的耙吸式挖泥船動力定位系統(tǒng)，以某8 000 m3耙吸式挖泥船為研究對象，從定位精度和功率消耗兩個(gè)角度出發(fā)，采用模型試驗(yàn)與時(shí)域模擬兩種方法對動力定位系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過構(gòu)建動力定位時(shí)域模型，對挖泥船在各種海況下的實(shí)時(shí)運(yùn)動進(jìn)行時(shí)域模擬分析，得到該挖泥船的偏移半徑時(shí)歷和功率消耗時(shí)歷，并進(jìn)行模型試驗(yàn)，將模型試驗(yàn)與時(shí)域模擬結(jié)果的分析與比較，得到該挖泥船定位能力與相關(guān)信息，為實(shí)船動力定位系統(tǒng)提供參考與優(yōu)化空間，并為將來工程實(shí)踐應(yīng)用提供必要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

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Numerical Research and Model Test on the Dynamic Positioning System of a 8 000 m3Drag Suction Dredger

ZHUYi-ming,WANGLei,ZHANTao,LIUHan-lin

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The research focuses on the dynamic positioning system on a 8 000 m3drag suction dredger and builds the model of low frequency motion equation and model of thruster system which leads to a time domain simulation for analyzing the dynamic position system. The environmental loads include wind, wave and current. By these, the horizontal offset and power consumed as well as their statistic values can be analyzed. At the same time, model test is also conducted to verify the results The computed results agree well with test data. The results of simulation and model test show that the dredger can keep its state in certain environment. The distribution of thrusters may not provide enough moment to help the vessel keep its state. The result can be easily introduced into engineering practice and provide designers with useful information when one is designing a dynamic positioning system on a drag suction dredger.

drag suction dredger; dynamic position system; time domain simulation; model test

2016-01-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179103)； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB036103)

朱一鳴(1991-)，男，江蘇淮安人，碩士生，從事動力定位系統(tǒng)研究。Tel.:18221372875； E-mail:zym262513@sjtu.edu.cn

王 磊(1971-)，男，安徽蚌埠人，副教授，從事動力定位系統(tǒng)研究。Tel.:021-62932025； E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn

P 751

A

1006-7167(2016)09-0004-06