穿梭油船波浪載荷直接計算分析

楊 朕， 張利軍， 曹 凱， 姜海寧

(中遠海運重工設計研究院， 遼寧 大連 116600)

隨著深遠海采油活動的增加，越來越多的采油裝備遠離大陸，通過鋪設輸油管線來運輸石油的難度和成本已變得相當巨大。穿梭油船應運而生。作為一種特殊的油船，穿梭油船來往于岸邊碼頭與海上油田之間運送原油，代替輸油管線的功能。因為穿梭油船需要頻繁地穿梭于各個采油終端，裝載和卸載原油，故穿梭油船應具備良好的操縱功能和裝載功能，需要配備動力定位系統(tǒng)、直升機平臺和首裝載系統(tǒng)。[1-2]此外，在裝載及定點運輸原油時，深遠海惡劣海況會導致穿梭油船結(jié)構(gòu)的安全性問題更加突出。因此與常規(guī)油船相比，穿梭油船對波浪載荷計算精度的要求更高。[3-4]

為了保證穿梭油船船體結(jié)構(gòu)的可靠性，準確計算船體的運動和波浪載荷是非常關鍵的。關于船舶在波浪中運動及載荷的預報理論和方法已經(jīng)比較成熟[5]，從二維切片法到三維面元法，從線性頻率理論到非線性時域理論，以及考慮船體梁振動的水彈性理論都有長足的發(fā)展與應用。[6]在這些方法中，實際工程上應用比較廣泛的是基于勢流理論的三維線性計算方法。[7]

1 計算模型概述

為準確地分析穿梭油船的波浪載荷特性，應用WASIM軟件對一艘穿梭油船進行波浪載荷直接計算。目標船主要參數(shù)見表1。

表1 穿梭油船主要參數(shù)

1.1 水動力計算模型

WASIM采用基于RANKINE源的三維時域理論，不僅需要在船體濕表面上分布源匯，而且還要在自由表面上分布奇點，以此來求解整個流場的速度勢。計算得到相應分析量(比如：船體運動，剖面載荷，面元壓力等)的時域解后，通過傅里葉變換得到頻率解。穿梭油船面元模型見圖1，模型網(wǎng)格為正交性較高的四邊形面元，半船體網(wǎng)格總數(shù)為1 929個。

圖1 穿梭油船面元模型

計算波浪載荷時，還需要船體的質(zhì)量分布信息。根據(jù)裝載手冊中相應計算工況的質(zhì)量分布曲線得到沿船長分布的質(zhì)量文件，同時保證質(zhì)量模型的質(zhì)量與面元模型的排水量一致，質(zhì)量模型的重心縱向位置與面元模型的浮心縱向位置在同一垂直線上，質(zhì)量模型的慣性半徑與裝載手冊一致。

從艉到艏共20個剖面，間隔均為10.5 m，波浪載荷計算剖面見表2。

表2 波浪載荷計算剖面

1.2 計算浪向與周期

為分析研究不同浪向下船體的運動和遭受的波浪載荷，根據(jù)DNV GL規(guī)范要求，選取0～360°，間隔30°計算浪向與周期，共12個浪向角。波浪的傳播方向定義為：從艉到艏的傳播方向為0°，從右舷到左舷的方向為90°。水動力分析周期范圍的選取應能準確地代表分析海域波浪能的分布范圍和浮體的響應特性。因此，計算分析采用的波浪周期為4～35 s，間隔為1 s。波浪方向與周期見表3。

表3 波浪方向與周期

1.3 黏性橫搖阻尼

黏性橫搖阻尼與船體的舭部形式、舭龍骨的尺寸和橫搖運動幅值相關。不同超越概率的橫搖運動幅值對應著不同的黏性橫搖阻尼。本文應用隨機線性方法對穿梭油船的黏性橫搖阻尼進行線性化，得到不同超越概率下的線性化黏性橫搖阻尼。

初始計算時，橫搖角是未知的，其值由選取的波浪散布圖決定。黏性橫搖阻尼通過迭代求解。迭代步驟[8]簡述如下：

在中國歷史檔案館中有資料記載，在雍正四年，宮中就先后23次賞出琺瑯彩瓷二百余件。這種被稱為“官窯中的官窯”的彩繪瓷器，被作為天恩賞賜于臣子。它們裝飾著封建思想意識滲透的紋樣，皇權思想就更為明顯。于臣子而言，這是恩賜，也是威嚴，隱含著說不清道不明的皇權屬性，它們簡直成了皇帝的替身，我們可以想見這些瓷器所被賦予的空間張力有多么驚人。

1) 給定橫搖角初值，計算黏性橫搖阻尼系數(shù)。

2) 結(jié)合上一步確定的黏性橫搖阻尼系數(shù)，進行船體六自由度運動分析。

3) 根據(jù)北大西洋波浪散布圖，計算橫搖角的長期統(tǒng)計特性，得到超越概率為10-4和10-8橫搖角幅值。

4) 比較1)步與2)步中的橫搖角：如果兩者相差小于1%，停止迭代；否則，取兩者的平均值，作為下次迭代的初值，直至迭代收斂。

1.4 長期預報

波浪載荷長期預報，選取北大西洋波浪散布圖作為目標海況長期統(tǒng)計資料，采用PM(Pierson-Moscovit)譜模擬海況，應用威布爾分布擬合長期分布，擴散函數(shù)選為二次余弦函數(shù)。統(tǒng)計后處理的波浪環(huán)境條件見表4。

2 結(jié)果與分析

2.1 船體運動

根據(jù)DNV GL規(guī)范要求，波浪載荷計算分析的裝載工況包括：LC2無限航區(qū)，壓載離港工況；LC9無限航區(qū)，滿載到港工況。LC2裝載工況，2/3設計航速，橫搖角超越概率為10-4時，穿梭油船在垂蕩、縱搖和橫搖模態(tài)下的運動RAO(Response Amplitude Operator)見圖2～圖4。由圖2～圖4可知：目標船在不同浪向下的運動RAO曲線存在明顯的差異，浪向?qū)Υw的運動有較大的影響。對于垂蕩運動，橫浪下的垂蕩運動最劇烈，迎浪時的垂蕩運動大于隨浪時的垂蕩運動。對于縱搖運動，迎浪狀態(tài)的縱搖運動響應達到最大值。對于橫搖運動，橫浪下的橫搖幅值最大，120°浪下的橫搖運動最大響應值大于60°浪下的結(jié)果。

表4 長期波浪載荷預報的波浪環(huán)境條件

圖2 垂蕩運動 LC2

圖3 縱搖運動 LC2

圖4 橫搖運動 LC2

2.2 波浪載荷RAO

在LC2工況下，穿梭油船舯部處11號剖面上，不同浪向角下的波浪彎矩響應幅值見圖5。該剖面上，波浪彎矩最大值出現(xiàn)在180°迎浪狀態(tài)下；相應的波浪周期為12 s，對應于1.1倍的船長。距艏部1/5船長處17號剖面上，不同浪向的波浪剪力響應幅值見圖6。在17號剖面上，波浪剪力的最大值也出現(xiàn)在迎浪狀態(tài)下，而且相應的波浪周期也為12 s。

圖5 11號剖面處波浪彎矩 LC2

圖6 17號剖面處波浪剪力 LC2

穿梭油船在LC2工況下，波浪周期為12 s時，不同浪向下，波浪彎矩沿船長的分布見圖7。不同浪向下，波浪彎矩的最大值都出現(xiàn)在船舯處，180°頂浪狀態(tài)下的波浪彎矩值明顯高于其他浪向下的值。還可看出在90°橫浪作用下，船體的波浪彎矩值最小。目標船在迎浪方向，T為10～14 s的波浪作用下，波浪彎矩沿船長的分布見圖8。由圖8可知：12 s波浪周期的彎矩值大于其他波浪周期下的結(jié)果。綜上所述，迎浪方向周期為12 s的波浪可導致目標船遭受最大的波浪彎矩。

圖7 波浪彎矩分布圖LC2 T=12 s

2.3 波浪載荷長期統(tǒng)計及與規(guī)范值的比較

LC2壓載離港工況和LC9滿載到港工況下分別見圖9和圖10，超越概率為10-4時，波浪彎矩長期統(tǒng)計值沿船長的分布。兩種裝載工況下，波浪彎矩的最大值都出現(xiàn)在180°頂浪狀態(tài)時，目標船的舯部附近。LC2壓載離港裝載工況下，超越概率為10-4的最大波浪彎矩值為1.37×106kNm，LC9滿載到港工況的最大波浪彎矩值為1.78×106kNm。因此，穿梭油船超越概率為10-4的波浪彎矩最大值出現(xiàn)在滿載到港工況。

圖8 波浪彎矩分布圖LC2 dir=180°

圖9 LC2波浪彎矩長期統(tǒng)計值 超越概率10-4

圖10 LC9 波浪彎矩長期統(tǒng)計值 超越概率10-4

LC2壓載離港工況和LC9滿載到港工況下，超越概率為10-8時，波浪彎矩長期統(tǒng)計值沿船長的分布見圖11和圖12。LC2壓載離港裝載工況下，超越概率為10-8的最大波浪彎矩值為2.73×106kNm，LC9滿載到港工況的最大波浪彎矩值為3.52×106kNm。目標船超越概率為10-8的波浪彎矩最大值也出現(xiàn)在滿載到港工況。

圖11 LC2 波浪彎矩長期統(tǒng)計值 超越概率10-8

FatigueAssessmentofShipStructures(2014)[9]和DNVRulesforClassificationofShips(2016)[10]分別給出舯部處超越概率為10-4和10-8波浪彎矩的規(guī)范計算公式。

中垂波浪彎矩為

Mwo,s=-0.11frCwL2B(CB+0.7)

(1)

中拱波浪彎矩為

Mwo,s=0.19frCwL2BCB

(2)

式(1)和式(2)中：fr為超越概率因子：超越概率為10-8時，其值為1，超載概率為10-4時，其值為0.486；Cw為波浪系數(shù)，對于目標船取值為9.824；L為規(guī)范船長；B是型寬；CB為相應吃水下的方形系數(shù)。

波浪彎矩規(guī)范計算公式僅與L、B和CB相關，沒有考慮船體型線、實際裝載工況及航行方向等參數(shù)對船體載荷有影響，其實質(zhì)相當于大量船舶統(tǒng)計結(jié)果的回歸平均值。[11]

不同超越概率下，目標船波浪彎矩的規(guī)范計算值與直接計算值的對比見表5。由于應用線性計算方法，WASIM計算的中拱與中垂波浪彎矩都是一樣的?？砂l(fā)現(xiàn)在兩種不同的超越概率下，規(guī)范計算值遠小于直接計算值。概率水平為10-4時，中垂波浪彎矩的規(guī)范值是直接計算結(jié)果的66%；概率水平為10-8時，中垂波浪彎矩的規(guī)范計算結(jié)果是計算值的69%。由此可見，波浪彎矩的規(guī)范計算結(jié)果不能直接作為穿梭油船的波浪載荷設計值。

表5 波浪彎矩的規(guī)范值與直接計算值

4 結(jié)束語

1) 穿梭油船在迎浪狀態(tài)下的垂蕩和縱搖運動都大于隨浪狀態(tài)下的值。這一現(xiàn)象導致了穿梭油船在迎浪狀態(tài)下的波浪彎矩大于隨浪的結(jié)果。

2) 穿梭油船動態(tài)波浪載荷最大值出現(xiàn)在與船長同尺度的波浪環(huán)境下。在頂浪方向1.1倍船長的波浪作用下，目標船的波浪彎矩出現(xiàn)最大值響應值。

3) 對于穿梭油船，規(guī)范公式得到的波浪彎矩遠小于水動力計算值。應采用直接計算法來預報穿梭油船的波浪載荷。如果在前期輸入條件不足的情況下采用規(guī)范計算值時，建議乘以1.5的安全系數(shù)。