“德合”船基于MOSES軟件的DP作業(yè)分析

張 偉

(煙臺(tái)打撈局技術(shù)中心， 山東 煙臺(tái) 264012)

MOSES是目前世界上使用最廣泛的海上操作模擬軟件之一，主要應(yīng)用于浮體總體設(shè)計(jì)和海上操作模擬，具有體積小、計(jì)算速度快、計(jì)算精度高等特點(diǎn)[1]。目前國內(nèi)的海上操作工程軟件模擬項(xiàng)目幾乎全部有MOSES參與，幾項(xiàng)重大工程藉此獲得了國家科技領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，如荔灣3-1平臺(tái)(2013年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)：海上油田超大型平臺(tái)浮托技術(shù)創(chuàng)建及應(yīng)用)[2]。

煙臺(tái)打撈局所屬多功能起重鋪管工程船“德合”船，配備康斯博格DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)、起重能力5 000 T全回轉(zhuǎn)吊機(jī)、適應(yīng)3 000 m水深的S-lay鋪管系統(tǒng)，目前已經(jīng)完成60 m水深DP及系泊時(shí)效鋪管，DP吊重測(cè)試尚未進(jìn)行。常規(guī)DP作業(yè)時(shí)需要提前至少一個(gè)月的時(shí)間將被吊物重量、重心、安裝區(qū)域海洋環(huán)境等參數(shù)告知康斯博格工程師，康斯博格工程師以此進(jìn)行船舶建模，分析吊重過程中船舶起吊作業(yè)前后、安裝前后船舶重心轉(zhuǎn)移及吃水變化，指導(dǎo)DP系統(tǒng)安全作業(yè)[3]。若有臨時(shí)工程無法提前告知康斯博格進(jìn)行建模分析，則需要隨船工程師進(jìn)行船舶數(shù)據(jù)分析并告知DP船長，船長根據(jù)分析數(shù)據(jù)啟用本船“Crane heaven-lift”功能，進(jìn)行DP系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，完成吊裝。本項(xiàng)目以測(cè)試DP吊重功能為目的，所有數(shù)值分析以“德合”船設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，基于MOSES軟件進(jìn)行吊重測(cè)試數(shù)值分析，船舶安全作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 項(xiàng)目簡介

1.1 DP測(cè)試要求

康斯博格DP吊重測(cè)試目的為“德合”船測(cè)試“Crane Heavy Lift”功能，測(cè)試過程中以8個(gè)推進(jìn)器為基礎(chǔ)，通過傳感器感知作業(yè)海區(qū)風(fēng)速、海水流速，根據(jù)前期數(shù)值建模，由DP功能函數(shù)自行計(jì)算，達(dá)到船舶在DP起重、啟用“Crane Heavy Lift”模式時(shí)能夠安全完成作業(yè)。測(cè)試關(guān)鍵前提是吊機(jī)與DP系統(tǒng)建立聯(lián)系，風(fēng)、流載荷能夠準(zhǔn)確感知。測(cè)試內(nèi)容有吊機(jī)測(cè)試、錯(cuò)誤受力信號(hào)預(yù)判及重載控制。

圖1 DP吊重測(cè)試布置圖

本項(xiàng)目擬定“德浮15001”甲板駁船在開闊海域最少6點(diǎn)系泊，2 000 T水箱為被吊物放于駁船甲板，“德合”船DP模式啟用“Crane heaven-lift”功能艉靠駁船，將重物吊起，完成起吊之后，“德合”船退出距駁船100 m左右然后再次艉靠駁船，將重物放于駁船甲板指定位置。重物放于駁船甲板后，“德合”船吊機(jī)不完全卸力，帶載進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，直至測(cè)試結(jié)束。

1.2 “德合”船DP系統(tǒng)

“德合”船配備康斯博格DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，推進(jìn)器配備：方位推進(jìn)器2×5 500 kw，伸縮推進(jìn)器4×3 500 kw，側(cè)推進(jìn)器2×1 500 kw，位置參考系統(tǒng)：Gyros×3, Windsensors×3, DGPS×2，等等。

圖2 推進(jìn)器布置

在“德合”船DP系統(tǒng)顯示面板上，環(huán)境參數(shù)只有風(fēng)速和流速兩項(xiàng)，風(fēng)速為實(shí)時(shí)采集參數(shù)，流速項(xiàng)為相對(duì)流速——基于實(shí)時(shí)采集的絕對(duì)流速通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的相對(duì)流速(在作業(yè)過程中，幾分鐘內(nèi)可以完成荷載由重物承載平臺(tái)到吊機(jī)的轉(zhuǎn)移，隨之改變的為船舶吃水，而如此短的時(shí)間內(nèi)絕對(duì)流速變化可以忽略，隨著船舶吃水變化，作用在船體的流力也隨之改變，DP系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)模型基于實(shí)測(cè)流速重新計(jì)算出相對(duì)流速，顯示在面板上)，圖3中方框內(nèi)容為顯示的風(fēng)速及流速。

圖3 “德合”船DP系統(tǒng)顯示界面

2 研究方法

2.1 作業(yè)水域選取

根據(jù)康斯博格DP系統(tǒng)功率輸出要求，能夠使DP系統(tǒng)發(fā)揮高功率，要求最小水深低于船底龍骨數(shù)值的選取根據(jù)公式(1)或水深對(duì)照表。

D0=0.06LT+3

(1)

其中：

d0：船龍骨到海底深度 m；

LT：船長 m。

圖4 DP系統(tǒng)最小水深參照?qǐng)D

“德合”船長197 m，綜合考慮作業(yè)時(shí)吃水8.7 m(詳見后文計(jì)算)，據(jù)此計(jì)算需要最小水深為23.57 m，對(duì)照?qǐng)D4，DP系統(tǒng)全負(fù)荷發(fā)揮時(shí)水深在25 m左右?？邓共└褚蟠白鳂I(yè)直徑不小于1 000 m，結(jié)合作業(yè)水深要求，選定30 m水深開闊海域進(jìn)行吊重測(cè)試。

2.2 駁船吃水設(shè)計(jì)

“德浮15001”船長125 m，型寬35 m，型深7.5 m。設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)船舶吃水4.5 m，在船舯位置加載2只1 000 T水箱，考慮索具在內(nèi)，浮吊船起吊重量約2 160 T。為防止起吊水箱過程中駁船出現(xiàn)橫傾或縱傾而影響浮吊受力，對(duì)駁船進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算選擇合適位置放置水箱，確保水箱重量從駁船轉(zhuǎn)移到浮吊過程中駁船只有垂向位移，計(jì)算結(jié)果如圖5和表1所示。

圖5 水箱起吊前后駁船GM值對(duì)比

表1 起吊前后駁船狀態(tài)變化對(duì)比

從上述計(jì)算結(jié)果看，駁船在水箱重量轉(zhuǎn)移到吊機(jī)過程中，駁船艏、艉吃水均勻變化，無縱傾、橫傾變化，滿足測(cè)試要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定水箱在駁船位置距船艉61.5 m，如圖6所示。

圖6 水箱在駁船上擺放位置

穩(wěn)性校核參考IMO08A穩(wěn)性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[4]，滿足穩(wěn)性要求。

2.3 船體模型

以“德合”船設(shè)計(jì)型線圖和型值表基于MOSES建立船體模型，根據(jù)設(shè)計(jì)艙容圖和艙容表基于MOSES進(jìn)行各艙的建模，船體模型及各艙室模型如圖7和圖8所示(其中船體模型按照臂架60°仰角工況進(jìn)行建模)：

圖7 “德合”船基于MOSES艙室模型圖

圖8 “德合”船基于MOSES船體模型圖

基于模型對(duì)船舶進(jìn)行靜水力分析，選取典型吃水(D)及排水量(Displacement)對(duì)比船舶完工裝載計(jì)算書[5]計(jì)算結(jié)果及對(duì)比如表2和表3所示。

表2 模型排水量數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 模型部分艙室艙容對(duì)比

2.4 數(shù)值模型

2.4.1 數(shù)值模型建立依據(jù)

綜合考慮駁船吃水變化及選定的吊機(jī)狀態(tài)建立“德合”船數(shù)值模型，選擇依據(jù)如下：

1)水箱重2 000 T含索具重量2 160 T，根據(jù)DNV規(guī)范當(dāng)被吊物超過2 000 T時(shí)，需考慮1.15倍的動(dòng)載系數(shù)[6]，據(jù)此考慮浮吊起重能力需要大于2160×1.15=2484 T。下圖為“德合”船吊重曲線表，圖中顯示吊機(jī)跨距在29～55 m時(shí)，全回轉(zhuǎn)工況吊重能力大于2 500 T，從“德合”船吊機(jī)使用說明查得吊機(jī)在跨距55 m時(shí)，臂架仰角60°，此時(shí)“德合”船艉到駁船舷距離為20.7 m，滿足作業(yè)要求，選定跨距55 m為作業(yè)狀態(tài)。

圖9 “德合”船吊重曲線圖

圖10 跨距校核

2)從計(jì)算駁船吃水變化可以看出，水箱重量從駁船轉(zhuǎn)移到浮吊過程中，駁船吃水變化為46 cm，查詢“德浮15001靜水力計(jì)算書”可知駁船吃水在4.3～4.8 m區(qū)間時(shí)厘米浸噸約43 T(略有差異)。

2.4.2 數(shù)值模型

1)荷載設(shè)定：從駁船上起吊水箱，重量從駁船轉(zhuǎn)移到浮吊過程中，駁船吃水緩慢減小，結(jié)合駁船厘米浸噸設(shè)計(jì)浮吊載荷。以水箱垂向位移10 cm為步長、駁船吃水變化46 cm為行程，計(jì)算5步(步長數(shù)值越大，計(jì)算精度越高，但是計(jì)算量也會(huì)越大)?！暗潞稀贝鯔C(jī)荷載結(jié)合“德浮15001”駁船吃水從4.84 m，每次吃水減小10 cm計(jì)算吊機(jī)荷載變化差(駁船重量減小量最大值是水箱重量2 000 T，浮吊荷載重量增加量需要包含索具重量，最大負(fù)荷2 160 T，詳見前文)，設(shè)定吊機(jī)荷載變化統(tǒng)計(jì)如表4。

表4 吊機(jī)荷載變化表

2)艙室壓載設(shè)定：綜合考慮“德合”船穩(wěn)性及吊機(jī)荷載前后船舶吃水，設(shè)計(jì)各艙室壓載狀態(tài)基于MOSES如圖11計(jì)算結(jié)果。

圖11 各艙室壓載狀態(tài)

3)DP設(shè)定：根據(jù)“德合”船舶布置圖，在數(shù)模中設(shè)定推進(jìn)器位置、坐標(biāo)控制等相關(guān)參數(shù)。

4)穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)：參考IMO2008完整穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

5)水域環(huán)境：DP動(dòng)力定位環(huán)境設(shè)置應(yīng)考慮風(fēng)荷載、波浪荷載及流荷載[7]。由于DP吊重測(cè)試的特殊性，測(cè)試時(shí)需要在好天氣進(jìn)行，為此設(shè)置環(huán)境條件為(測(cè)試時(shí)水域環(huán)境比此環(huán)境條件更好)：水深30 m，蒲福4級(jí)風(fēng)速12節(jié)，忽略浪對(duì)船體影響，設(shè)置3節(jié)流速，90°方向來流(即船舶橫流)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 “德合”船吃水變化

根據(jù)上述模型及參數(shù)設(shè)定水箱起吊過程數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值分析，統(tǒng)計(jì)船舶吃水變化，通過MOSES計(jì)算結(jié)果如表5。

圖12 “德合”船重量加載分布

表5 荷載吃水變化表

TF: FP draught 艏吃水，TA:AP draught 艉吃水， MID：船舯吃水。

3.2 DP輸出

計(jì)算結(jié)果如圖13所示，分別提取各推進(jìn)器的X軸和Y軸的推力輸出、流力在船體上的三軸作用力。以下圖13系列圖為3#、4#、5#、6#推進(jìn)器矢量輸出，在MOSES軟件中給出的是矢量輸出結(jié)果，以及各推進(jìn)器動(dòng)力輸出方向，由于方向輸出不在本文研究范圍，在此不詳細(xì)列舉。圖14系列圖為風(fēng)、水流作用下的船體受力，可以看出船體受到的風(fēng)、水流力隨著船舶荷載增加的變化。

圖13 不同荷載下推進(jìn)器輸出

對(duì)上述計(jì)算船體所受三軸流力進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖15顯示。結(jié)果顯示在“德合”船荷載增加過程中，DP動(dòng)力輸出逐漸增加。

圖15 荷載與船體流力關(guān)系圖

通過MOSES軟件計(jì)算“德合”船起吊過程中，即DP吊重狀態(tài)下，隨著“德合”船吊機(jī)荷載增加船舶吃水逐漸增大，從圖14系列圖可以看出，隨著船舶吃水增加，相同流速及風(fēng)速情況下作用在船體上的力隨著船舶吃水增加而增大，而船體受力是DP系統(tǒng)穩(wěn)船的直接數(shù)值依據(jù)，為了能夠維持住船舶位置，DP系統(tǒng)動(dòng)力輸出隨之增加。圖13系列圖中顯示的是各推進(jìn)器矢量輸出，最終荷載變化與船體受力變化統(tǒng)計(jì)在圖15中，可以看出隨著船舶吊機(jī)荷載增加，船體受流力逐漸增加。

以本計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)“德合”船控制DP控制系統(tǒng)動(dòng)力輸出，對(duì)于剛剛交付的船舶來說意義重大。

4 結(jié)束語

“德合”船在實(shí)際工程中沒有DP吊裝經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)康斯博格所述，船舶需要在多次使用中建立DP數(shù)據(jù)庫，才能夠更好的完善本船DP系統(tǒng)模型，為后來的作業(yè)提供更加精準(zhǔn)的定位。按照康斯博格要求，每次作業(yè)之前最少一個(gè)月的時(shí)間提供數(shù)據(jù)來建立模型進(jìn)行計(jì)算，如此周期對(duì)于臨時(shí)大型吊裝(臨時(shí)接到作業(yè)命令代替其它浮吊作業(yè)情況)無疑會(huì)錯(cuò)失機(jī)會(huì)，通過MOSES軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，雖然不能與船上DP系統(tǒng)通訊，但是可以將計(jì)算結(jié)果提交DP船長，為船長操作提供前期數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，隨著“德合”船DP作業(yè)增加，對(duì)本船基于MOSES的計(jì)算模型不斷優(yōu)化和改進(jìn)，同樣建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，為將來精確作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

通過“德合”船基于MOSES軟件的DP吊重測(cè)試分析，對(duì)“德合”船DP系統(tǒng)工作原理有更深入的了解，對(duì)本船數(shù)值模型建立也有深入的理解。本文計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比，分析可能出現(xiàn)的結(jié)果偏離，再次進(jìn)行數(shù)值模型優(yōu)化，為以后作業(yè)提供更加準(zhǔn)確的數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果，為船舶安全作業(yè)提供保障。