布置方案對近海小型無人監(jiān)測船波浪運(yùn)動的影響

路驕陽， 岳前進(jìn)， 張大勇， 蘇學(xué)榮

(1.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 盤錦 124221； 2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍91040部隊(duì)， 山東 青島266000)

0 引 言

海洋覆蓋地球表面的70%以上，包含地球上大約90%的生命形式。它們是食物、就業(yè)和經(jīng)濟(jì)收入的主要來源之一，是仍然未知的生物、礦產(chǎn)資源以及可持續(xù)能源的潛在來源[1]。在人類開發(fā)和可持續(xù)利用海洋資源的過程中，海洋監(jiān)測技術(shù)是一種必不可少的手段，發(fā)展海洋監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。例如：海洋能源的開發(fā)需要及時(shí)、準(zhǔn)確地觀測預(yù)報(bào)服務(wù)[2-3]；建設(shè)海洋牧場、修復(fù)海洋漁業(yè)資源需要加強(qiáng)對海洋環(huán)境的監(jiān)測[4]；保護(hù)海洋環(huán)境、治理海洋污染需要發(fā)展污染和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，提高監(jiān)測能力[5]。

傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測手段包括船舶走航、衛(wèi)星遙感、沿岸監(jiān)測站、海洋浮標(biāo)等[6]。每種方法都有一定的局限性：船舶走航測得的數(shù)據(jù)樣本少，周期長，成本高；衛(wèi)星遙感準(zhǔn)確度不高，可測參數(shù)種類少；沿岸監(jiān)測站只能獲取近海資料；海洋浮標(biāo)的設(shè)計(jì)、布置和維護(hù)均比較困難[7-8]。近年來，隨著人工智能技術(shù)、控制技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)的飛速發(fā)展，無人監(jiān)測平臺成為海洋監(jiān)測技術(shù)的一大研究熱點(diǎn)[9]。

小型無人監(jiān)測船具有成本低、作業(yè)高效、工作范圍廣、數(shù)據(jù)可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)。然而，由于近海海域水深較淺、離陸地較近，波浪、海流等容易受地形因素的影響，形成較為復(fù)雜的海洋環(huán)境[10]。另外，由于自身尺度原因，小型無人監(jiān)測船極易在波浪中發(fā)生較大幅度的運(yùn)動，這些運(yùn)動輕則會導(dǎo)致傳感器測出的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，無法正常工作，重則可能導(dǎo)致儀器損壞，甚至使船發(fā)生傾覆。因此，如何減小小型無人監(jiān)測船在波浪中的運(yùn)動，是設(shè)計(jì)者必須考慮的問題。然而，目前國內(nèi)外針對小型無人監(jiān)測船的研究大多集中于避障[11]、運(yùn)動控制[12]、路徑規(guī)劃[13]等技術(shù)，針對船體波浪運(yùn)動性能的相關(guān)研究較少，在船體設(shè)計(jì)過程中，船廠大多借鑒游艇、玻璃鋼游樂船的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[14]，產(chǎn)品運(yùn)動性能較差，可靠性不高。

以一艘近海小型雙體無人監(jiān)測船為例，采用二維切片法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析吃水深度、橫搖慣性矩、縱搖慣性矩、重心高度對近海小型無人監(jiān)測船波浪運(yùn)動的影響，得出一系列結(jié)論，可為小型無人監(jiān)測船布置方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 船型參數(shù)及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 船型主尺度

與傳統(tǒng)單體船相比，雙體船寬度更大，具有甲板開闊、橫搖穩(wěn)心半徑大、興波阻力小、耐波性好等一系列優(yōu)點(diǎn)[15]，因此市場上的小型海洋無人監(jiān)測船多采用雙體船的結(jié)構(gòu)型式。考慮到這一因素，以大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自行設(shè)計(jì)的小型雙體無人監(jiān)測船為例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，其主尺度如表1所示。

表1 自行設(shè)計(jì)的小型雙體無人監(jiān)測船主尺度 m

無人監(jiān)測船需搭載的主要設(shè)備包括：環(huán)境監(jiān)測相關(guān)傳感器、電池、推進(jìn)器、控制板等。船體模型如圖1所示。

圖1 小型雙體無人監(jiān)測船模型

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

船舶搖蕩運(yùn)動是一種六自由度運(yùn)動，分別稱為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩，其中橫搖、縱搖、垂蕩對無人監(jiān)測船工作影響最大。本文的計(jì)算過程主要關(guān)注這3個(gè)自由度的運(yùn)動響應(yīng)。

目前在船舶水動力研究領(lǐng)域，主要采用流體力學(xué)中的勢流理論對船舶在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，具體包括基于平面勢流理論的切片法、基于三維勢流理論的面元法等。二維切片理論的優(yōu)勢在于：在浮體滿足細(xì)長體假設(shè)的前提下，可以運(yùn)用頻譜分析方法預(yù)報(bào)不同波長、浪向和航速的浮體在給定波譜下的運(yùn)動。該理論計(jì)算過程耗時(shí)較少，精度結(jié)果比較理想?？紤]所用模型滿足細(xì)長體假設(shè)，故使用二維切片法對無人監(jiān)測船進(jìn)行頻域分析，水動力模型如圖2所示。具體計(jì)算理論在文獻(xiàn)[16-17]中已有詳細(xì)的描述，不再贅述。

圖2 無人監(jiān)測船二維切片法模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

該小型無人監(jiān)測船主要應(yīng)用于渤海，取波浪角為45°，計(jì)算并分析不同布置方案，包括吃水深度、橫搖慣性矩、縱搖慣性矩、重心高度等對其運(yùn)動性能響應(yīng)的影響。

2.1 吃水深度對無人監(jiān)測船運(yùn)動性能的影響

無人監(jiān)測船吃水深度直接關(guān)系到可搭載設(shè)備的種類與數(shù)量。在安全范圍內(nèi)，盡量增加無人監(jiān)測船的吃水深度，搭載更多環(huán)境監(jiān)測傳感器，可提高經(jīng)濟(jì)效益。本節(jié)詳細(xì)分析吃水深度對無人監(jiān)測船運(yùn)動性能的影響，以期為無人監(jiān)測船設(shè)計(jì)過程中吃水深度的選取提供參考依據(jù)。

針對上述無人監(jiān)測船模型，在計(jì)算過程中，保持無人監(jiān)測船重心高度、橫縱搖慣性矩不變，設(shè)置吃水深度分別為0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.25 m和0.30 m，對其橫搖、縱搖、垂蕩等3個(gè)自由度的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析。

幅值響應(yīng)因子也稱為傳遞函數(shù)，描述了浮體運(yùn)動響應(yīng)如何隨波浪頻率變化，是浮體運(yùn)動性能的重要表征參數(shù)。在計(jì)算與分析過程中，重點(diǎn)關(guān)注這一參數(shù)隨吃水深度變化的規(guī)律，具體結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 吃水深度對橫搖運(yùn)動的影響

圖4 吃水深度對縱搖運(yùn)動的影響

圖5 吃水深度對垂蕩運(yùn)動的影響

分析圖3～圖5中各自由度的運(yùn)動響應(yīng)因子隨吃水深度的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 吃水深度對3個(gè)自由度的運(yùn)動性能均有一定影響。隨著吃水深度增加，橫搖、縱搖、垂蕩運(yùn)動逐漸增大，響應(yīng)幅值先向高頻再向低頻移動。

(2) 當(dāng)吃水深度超過0.2 m后，各自由度運(yùn)動響應(yīng)隨吃水深度增加而急劇增大。

(3) 各自由度最大幅值響應(yīng)對應(yīng)的周期大致在1～2 s，這一結(jié)果已遠(yuǎn)離渤海海浪能量集中區(qū)4.5～4.8 s[17]。當(dāng)波浪周期大于3 s后，運(yùn)動響應(yīng)已處于較低水平。

(4) 吃水深度對縱搖、垂蕩運(yùn)動的影響略微大于對橫搖運(yùn)動的影響。

根據(jù)上述結(jié)果，在設(shè)計(jì)無人監(jiān)測船吃水深度時(shí)，由于吃水深度對3個(gè)自由度的運(yùn)動響應(yīng)均具有明顯影響，應(yīng)對3個(gè)自由度的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行綜合考量。在通常情況下，在一定范圍內(nèi)考慮對吃水深度進(jìn)行適當(dāng)增加。無人監(jiān)測船運(yùn)動響應(yīng)雖會隨吃水深度增加而增加，但增幅并不明顯，仍處于安全范圍。在超過這一范圍后，增加無人監(jiān)測船的吃水深度會使3個(gè)自由度運(yùn)動響應(yīng)急劇增加，在遭遇低周期海浪時(shí)可能會發(fā)生危險(xiǎn)。

2.2 慣性矩對無人監(jiān)測船運(yùn)動性能的影響

慣性矩與無人監(jiān)測船搭載儀器在相應(yīng)方向上的布置有關(guān)。研究慣性矩對無人監(jiān)測船運(yùn)動響應(yīng)的影響可以為無人監(jiān)測船搭載儀器在相應(yīng)方向上的布置方案提供依據(jù)。引入?yún)?shù)k表征慣性矩相對于長度和寬度的百分比，其表達(dá)式為

(1)

式中：I為對應(yīng)方向的慣性矩；m為物體質(zhì)量。

在計(jì)算橫搖慣性矩影響的過程中保持無人監(jiān)測船重心高度、縱搖慣性矩、吃水深度不變，設(shè)置k分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 橫搖慣性矩對橫搖運(yùn)動的影響

圖7 橫搖慣性矩對縱搖運(yùn)動的影響

圖8 橫搖慣性矩對垂蕩運(yùn)動的影響

分析圖6～圖8中各自由度的運(yùn)動響應(yīng)因子隨橫搖慣性矩的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 橫搖慣性矩對橫搖運(yùn)動具有明顯影響。橫搖運(yùn)動隨著橫搖慣性矩的增加而逐漸增大，響應(yīng)幅值先向高頻再向低頻移動。

(2) 當(dāng)橫搖慣性矩超過30%后，橫搖運(yùn)動響應(yīng)隨橫搖慣性矩增加而急劇增大。

(3) 橫搖慣性矩對無人監(jiān)測船縱搖、垂蕩運(yùn)動性能幾乎沒有影響。

(4) 各自由度最大幅值響應(yīng)集中在周期1～2 s，已遠(yuǎn)離渤海海浪能量集中區(qū)4.5～4.8 s。

在計(jì)算縱搖慣性矩影響的過程中保持無人監(jiān)測船重心高度、橫搖慣性矩、吃水深度不變，設(shè)置k分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%，計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 縱搖慣性矩對橫搖運(yùn)動的影響

圖10 縱搖慣性矩對縱搖運(yùn)動的影響

圖11 縱搖慣性矩對垂蕩運(yùn)動的影響

分析圖9～圖11中各自由度的運(yùn)動響應(yīng)因子隨縱搖慣性矩的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 縱搖慣性矩主要影響縱搖、垂蕩的運(yùn)動性能。隨著縱搖慣性矩增加，縱搖運(yùn)動顯著增大，響應(yīng)幅值先向高頻再向低頻移動。與此同時(shí)，隨著縱搖慣性矩增加，垂蕩運(yùn)動先減小再增加，響應(yīng)幅值先向低頻再向高頻移動。

(2) 縱搖慣性矩對縱搖運(yùn)動的影響明顯大于對垂蕩運(yùn)動的影響。

(3) 當(dāng)縱搖慣性矩超過20%后，縱搖運(yùn)動響應(yīng)隨縱搖慣性矩的增加開始迅速增大。當(dāng)達(dá)到60%以后，響應(yīng)幅值對應(yīng)的波浪周期與渤海波浪能量集中區(qū)較為接近，極易發(fā)生大幅度運(yùn)動。

(4) 縱搖慣性矩對無人監(jiān)測船橫搖運(yùn)動性能沒有明顯影響。

根據(jù)上述結(jié)果，在對設(shè)備進(jìn)行橫向布置時(shí)，由于橫搖慣性矩只對橫搖運(yùn)動具有明顯影響，因此只需重點(diǎn)關(guān)注橫搖的運(yùn)動響應(yīng)。在通常情況下，可以考慮在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加橫搖慣性矩。在這一范圍內(nèi)，無人監(jiān)測船運(yùn)動響應(yīng)隨橫搖慣性矩增加緩慢，且幅值所對應(yīng)周期逐漸減小，遠(yuǎn)離波浪能量集中區(qū)域，有利于改善橫搖性能。在超過這一范圍后，增加無人監(jiān)測船的吃水深度會使運(yùn)動響應(yīng)急劇增加，幅值所對應(yīng)的周期向低頻移動，在渤海容易發(fā)生較大幅度的橫搖。在對設(shè)備進(jìn)行縱向布置時(shí)，由于縱搖慣性矩主要影響縱搖運(yùn)動，且影響幅度遠(yuǎn)大于垂蕩運(yùn)動，因此主要考慮縱搖的運(yùn)動響應(yīng)情況，通常應(yīng)盡量將其控制在較低范圍內(nèi)，避免縱搖幅值響應(yīng)因子在遭遇低周期海浪時(shí)過大。

2.3 重心高度對無人監(jiān)測船運(yùn)動性能的影響

重心高度與無人監(jiān)測船搭載儀器在垂向方向上的布置有關(guān)。分析重心高度對無人監(jiān)測船運(yùn)動響應(yīng)的影響可在一定程度上為無人監(jiān)測船搭載儀器在垂向方向上的布置方案提供依據(jù)。但需要注意的是，重心高度還是浮體穩(wěn)性的重要影響參數(shù)，重心與浮心之間的高度關(guān)系會直接影響浮體的初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性等，因此在設(shè)計(jì)過程中，重心高度的選取還應(yīng)從穩(wěn)性方面加以考量，使其達(dá)到穩(wěn)性的要求。

在計(jì)算重心高度影響的過程中，保持無人監(jiān)測船吃水深度、橫縱搖慣性矩不變?？紤]到船體自身尺寸，設(shè)置重心高度分別為0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.25 m和0.30 m。計(jì)算結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 重心高度對橫搖運(yùn)動的影響

圖13 重心高度對縱搖運(yùn)動的影響

圖14 重心高度對垂蕩運(yùn)動的影響

分析圖12～圖14中各自由度的運(yùn)動響應(yīng)因子隨重心高度的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 重心高度對3個(gè)自由度運(yùn)動性能的影響均不明顯。

(2) 縱搖、垂蕩的運(yùn)動響應(yīng)要明顯大于橫搖的運(yùn)動響應(yīng)。

上述結(jié)果表明，重心高度對無人監(jiān)測船的運(yùn)動響應(yīng)影響不大。在設(shè)計(jì)無人監(jiān)測船重心高度時(shí)，應(yīng)主要從穩(wěn)性的角度進(jìn)行考慮，使無人監(jiān)測船滿足初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性的相關(guān)要求。在通常情況下，應(yīng)盡量降低重心高度，增大無人監(jiān)測船的初穩(wěn)心半徑。但應(yīng)注意的是，重心高度不宜布置得過低，否則無人監(jiān)測船搖晃運(yùn)動回復(fù)速度會過快，精密儀器難以正常工作。

3 結(jié)論與展望

運(yùn)用二維切片理論，計(jì)算近海小型無人監(jiān)測船在不同吃水深度、橫搖慣性矩、縱搖慣性矩、重心高度等不同布置方案下在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)情況，得出運(yùn)動響應(yīng)隨布置方案變化的規(guī)律，并以此為依據(jù)提出一系列小型無人監(jiān)測船儀器設(shè)備布置原則。

由于試驗(yàn)條件有限，僅運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法對布置方案與運(yùn)動響應(yīng)間的關(guān)系進(jìn)行了初步的計(jì)算與分析，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步通過試驗(yàn)進(jìn)行對比。