大型非自航絞吸挖泥船極限海況單錨系泊設(shè)計

(上海交通大學(xué)，a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，c.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

近年來遠海造島工程對大型非自航挖泥船的抗風(fēng)浪性能提出了新的要求。大型非自航絞吸挖泥船一般采用單錨系泊的方式定位于作業(yè)水域附近，在設(shè)計系泊系統(tǒng)時，主要依據(jù)規(guī)范計算舾裝數(shù)作為選取錨及錨鏈設(shè)備的參考。當(dāng)臺風(fēng)來臨時，絞吸挖泥船往往來不及撤退至安全錨地，需要在臨時錨地系泊，因此承受著極端惡劣的海洋環(huán)境載荷。已有研究對風(fēng)浪流聯(lián)合作用下絞吸挖泥船船體運動和系泊系統(tǒng)承載能力進行評估[1-2]，但是針對淺水區(qū)域的絞吸挖泥船運動研究還比較欠缺。由于淺水中浮式結(jié)構(gòu)物受到波浪誘導(dǎo)的低頻縱蕩運動響應(yīng)顯著[3-4]，因此考慮通過SESAM軟件進行數(shù)值模擬，基于壓力積分法[5]計算作用于船體的二階波浪力的傳遞函數(shù)，利用全QTF法得出二階波浪力譜，結(jié)合時域動力分析法對某大型絞吸挖泥船運動響應(yīng)和錨泊線張力進行計算和比較分析。

1 數(shù)值模型

基于三維勢流理論，總的速度勢Φ分為入射勢、繞射勢和輻射勢，對浮式結(jié)構(gòu)物濕表面壓力積分，得到結(jié)構(gòu)物所受到的總的流體作用力，包括波浪激勵力、波浪輻射力和靜回復(fù)力。同時，通過輻射速度勢得到浮體的附加質(zhì)量和勢流阻尼系數(shù)。

1.1 絞吸挖泥船運動方程

絞吸挖泥船時域運動方程用下式來表示[6-8]。

(1)

式中：m為絞吸挖泥船的質(zhì)量矩陣；a(∞)為頻率無窮大的附加質(zhì)量矩陣；ξ為絞吸挖泥船六自由度矩陣；K是靜水恢復(fù)力矩陣；D1和D2分別為線性和二次阻尼矩陣；Fwave，F(xiàn)cur和Fwind分別代表由波浪，海流和風(fēng)引起的載荷；Fext表示其他作用力，如系泊張力、固定力等。

延遲函數(shù)h(τ)為由于自由面存在而產(chǎn)生的記憶效應(yīng)，通過附加質(zhì)量矩陣a和勢流阻尼矩陣c得出。

(2)

1.2 低頻縱蕩運動阻尼

由于振蕩頻率低，波浪輻射阻尼可以忽略，低頻縱蕩阻尼主要包括靜水阻尼和波浪慢漂阻尼。

靜水阻尼系數(shù)與黏性有關(guān)，一般根據(jù)靜水衰減試驗結(jié)果計算得到[9]。

(3)

式中：δ由無因次縱蕩衰減曲線計算得到，

(4)

其中：N為縱蕩衰減次數(shù)；Xi為第i次縱蕩運動幅值。

波浪慢漂阻尼是由波浪引起的，縱蕩運動的波浪慢漂阻尼系數(shù)可通過平均波浪力的二次傳遞函數(shù)計算得到[10]。在迎浪條件下，波浪慢漂阻尼系數(shù)隨著水深的減小而增大，與靜水阻尼系數(shù)相比要小得多，不超過總阻尼系數(shù)的5%[11]。

2 絞吸挖泥船及環(huán)境條件

2.1 船體模型

該非自航絞吸挖泥船船長118 m，型寬28 m，型深8 m，設(shè)計吃水5.5 m，設(shè)計排水量15 931 t。錨鏈布置于船艉處，拖航時采用倒拖方式，因此，艉錨實際為艏錨，并配備有檔錨鏈1根，長度330 m、直徑68 mm，等級為AM3。錨鏈在空氣中質(zhì)量為101.3 kg/m，拉斷負荷為3 500 kN，軸向剛度為467 024 kN。

在右手螺旋坐標(biāo)系下建立絞吸挖泥船頻域計算模型見圖1。面元網(wǎng)格大小約為2 m，共計劃分1 382個面單元。二階自由表面模型見圖2。利用全QTF計算獲取二階波浪力的傳遞函數(shù)。該自由面模型是一個圓域，半徑為5倍船長，隨著遠離圓心的距離增大，面元尺寸不斷增大。

圖1 船體面元模型

圖2 二階自由表面模型

2.2 環(huán)境條件

為研究極限海況下絞吸挖泥船在波浪中的縱向運動和錨鏈張力變化情況，確定4種工況，見表1[12]。取風(fēng)、浪、流方向相同，均為0°，即從x軸負方向到正方向，研究錨鏈的最大張力變化情況，風(fēng)、流載荷按照定常載荷確定，不規(guī)則波浪采用JONSWAP譜，譜峰因子取為1.6[13]。同時，絞吸挖泥船臨時錨地水深約為10 m，流為均勻流，流速為1 m/s。

表1 海洋環(huán)境條件

3 數(shù)值分析

3.1 靜力分析

其中風(fēng)、流載荷按定常力考慮，按照中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》[14]中給定的風(fēng)載荷和流載荷計算方法進行計算。絞吸挖泥船所受縱向風(fēng)載荷和流載荷見表2。

表2 風(fēng)載荷和流載荷 kN

將風(fēng)、流載荷施加于船體上，該船會偏移到新的平衡位置。依據(jù)懸鏈線方程[15]，考慮錨泊線的彈性伸長，計算不同工況下錨鏈的懸掛長度、拖底長度以及該船縱向回復(fù)力系數(shù)，并由此估算該船在縱蕩方向上的固有周期，見表3。

表3 錨泊線參數(shù)

3.2 頻域分析

在Hydrod中，不考慮錨泊線的作用時，對自由漂浮狀態(tài)下的絞吸挖泥船進行頻域計算，得到該船在縱蕩方向上的附加質(zhì)量、運動響應(yīng)的傳遞函數(shù)和一階波浪力的傳遞函數(shù)。主要參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 頻域計算主要參數(shù)設(shè)置

當(dāng)浮體在理想的流體中運動時，所受到的力與力矩由速度、加速度以及附加質(zhì)量與阻尼系數(shù)決定[16]。由于絞吸挖泥船在艏部均有很大的開槽來布置橋架和臺車，其水動力性能受到開槽的影響較大。0°浪向角下的縱蕩附加質(zhì)量系數(shù)見圖3。在頻率為0.1～0.8 rad/s范圍內(nèi)，隨著波浪頻率的增加，縱蕩附加質(zhì)量系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，在頻率為0.7～0.8 rad/s的范圍內(nèi)附加質(zhì)量系數(shù)迅速下降，甚至出現(xiàn)了負值的情況。

圖3 0°浪向縱蕩附加質(zhì)量系數(shù)

0°浪向角下的縱蕩阻尼系數(shù)見圖4，在小于0.8 rad/s的范圍內(nèi)先不斷增加，大約在0.8～1.2 rad/s的范圍內(nèi)有所減小，之后又呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖4 0°浪向縱蕩阻尼系數(shù)

絞吸挖泥船0°浪向下縱蕩和縱搖運動RAO分別見圖5、6。

圖5 0°浪向縱蕩運動RAO

圖6 0°浪向縱搖運動RAO

絞吸挖泥船受到的一階波浪力由弗勞德-克雷洛夫力(F-K力)與波浪繞射力構(gòu)成。0°浪向一階波浪力傳遞函數(shù)RAO計算結(jié)果見圖7。

圖7 0°浪向縱蕩波浪力RAO

隨著波浪頻率的增加，一階波浪力傳遞函數(shù)RAO呈現(xiàn)波動下降的趨勢，在波浪角頻率為0.25 rad/s和0.8 rad/s附近時有峰值，在波浪角頻率為0.55 rad/s和1.1 rad/s附近時有谷值。

極限海況下，需要重點關(guān)注絞吸挖泥船在淺水中的運動，絞吸挖泥船在水平面上共振的低頻運動將會顯著影響到錨泊線的性能。由于全QTF法更加適合于淺水環(huán)境下計算二階波浪力譜[11]，采用全QTF法來揭示絞吸挖泥船的淺水運動響應(yīng)。見圖8。

圖8 10 m水深縱蕩波浪力QTF矩陣(0°-0°)

由圖8可見，縱蕩二階波浪力的傳遞函數(shù)(QTF)在對角線區(qū)域出現(xiàn)較大的響應(yīng)，并集中在低頻區(qū)域出現(xiàn)峰值，由此推斷將會產(chǎn)生非常大的縱蕩波浪力。

3.3 時域分析

依據(jù)DNV規(guī)范，進行多次(10～20次)3 h的時域模擬，統(tǒng)計每次模擬結(jié)果的最大值，再求取統(tǒng)計的極大值的均值作為此次錨泊線張力的最大值，確定錨泊線張力的最大值。

采用DeepC軟件，對絞吸挖泥船船體、錨泊線進行時域耦合數(shù)值計算分析，通過改變環(huán)境參數(shù)中波浪的隨機種子參數(shù)，對0°浪向下4種工況分別進行了10余次的計算，得到絞吸挖泥船錨泊線張力見表5。

表5 時域計算統(tǒng)計結(jié)果

由表5可知，4種工況下，絞吸挖泥船的船體縱向位移最大幅值約為2.00 m，工況1～3下的安全系數(shù)滿足規(guī)范所要求的1.5，工況4下的錨泊線張力最大值已經(jīng)達到3 514 kN，超出了錨鏈的破斷強度。由此判斷，絞吸挖泥船的錨鏈配備可以滿足工況1～3的安全需求，而工況4則無法滿足DNV規(guī)范要求。

考慮船體低頻運動的錨泊線張力與僅考慮船體波頻運動的錨泊線張力的對比見圖9，極限海況下，在考慮船體低頻運動后，絞吸挖泥船錨泊線張力發(fā)生巨大的增長。隨著波浪參數(shù)波高和譜峰周期的增大，錨泊線張力的增長趨勢逐漸變大，二階低頻波浪力對于淺水系泊下的絞吸挖泥船錨泊線張力的影響更大。

圖9 錨泊線張力值對比示意

4 結(jié)論

1)依據(jù)DNV規(guī)范對錨泊線張力時域數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析處理，得出錨泊線的最大張力值，并由此評估目前的錨鏈等級在極限工況4下不能夠滿足系泊安全要求，需要更換更高等級的錨鏈。

2)極限海況下，風(fēng)、流環(huán)境載荷的增加將會改變絞吸挖泥船的初始平衡位置，增大錨鏈的預(yù)張力，隨著波浪參數(shù)波高和譜峰周期的增加，錨泊線張力的增大幅度也迅速提高。

3)由于存在的二階波浪力作用，將會對絞吸挖泥船縱蕩運動幅值產(chǎn)生巨大的影響，從而誘導(dǎo)錨泊線張力迅速增大，對于極限海況下絞吸挖泥船系泊產(chǎn)生極為不利的影響。在實際工程應(yīng)用中，對絞吸挖泥船的單錨系泊設(shè)計需重點考慮。