絞吸挖泥船的移船作業(yè)和轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)分析

郭 宇 李 璐 王舒雅

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

某絞吸式挖泥船通過(guò)尾部圍繞三纜柱的三根纜繩實(shí)現(xiàn)三纜定位，控制船體的移船運(yùn)動(dòng)；通過(guò)首部左右兩舷的各一根橫移錨，控制鉸刀頭左右擺動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，鉸刀頭的切削力為235 kN。在作業(yè)過(guò)程中，三纜定位是否可以安全且更大距離移動(dòng)船舶，以及2根橫移錨是否可以在定位狀態(tài)下，控制船舶往左右兩舷轉(zhuǎn)動(dòng)到所需角度進(jìn)行工作，決定了船舶作業(yè)的效率，進(jìn)而決定了船舶的經(jīng)濟(jì)性能。所以，能否針對(duì)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目工程要求的錨泊定位系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 作業(yè)工況

挖泥船在作業(yè)過(guò)程中，左右舷橫移錨索4號(hào)、5號(hào)控制艏部的鉸刀頭左右轉(zhuǎn)動(dòng)挖泥作業(yè)，同時(shí)在三纜定位錨索1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的控制下，船可以向前直線前進(jìn)。因此本文在計(jì)算時(shí)，將船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為兩個(gè)大的階段分別考慮。

一個(gè)階段是挖泥船移船作業(yè)，如圖1所示。挖泥船在三纜定位錨索1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的定位下，通過(guò)逐漸收短前進(jìn)方向的2號(hào)和3號(hào)纜繩，從而抵抗環(huán)境條件的作用，使船向前移動(dòng)，直到錨索受力超過(guò)絞車?yán)r(shí)，才進(jìn)行一次起拋錨。針對(duì)這一過(guò)程，需要考察挖泥船在施工環(huán)境條件下可以一次前移的最大距離。

圖1 挖泥船移動(dòng)作業(yè)

另一個(gè)階段是挖泥船轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，如圖2所示。挖泥船在三纜定位錨索1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的定位下，通過(guò)控制左右兩舷的橫移鋼絲繩4號(hào)、5號(hào)，使船舶分別往左右兩舷都可以轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度進(jìn)行作業(yè)。針對(duì)這一轉(zhuǎn)動(dòng)最大狀態(tài)，需要考察挖泥船在此狀態(tài)下，保證各根錨索受力都可以滿足要求，最大轉(zhuǎn)動(dòng)多少角度。

圖2 挖泥船轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)

針對(duì)移船作業(yè)和轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)這兩種工況，本文分別展開(kāi)錨泊分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化項(xiàng)目所需的錨泊定位系統(tǒng)，并給出滿足要求的作業(yè)方案。

2 錨泊定位系統(tǒng)性能分析

2.1 技術(shù)參數(shù)

挖泥船主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 挖泥船的主尺度參數(shù)

同時(shí)，船舶配備的定位絞車?yán)?00 kN。

該船所處航道水深約30 m，環(huán)境參數(shù)如表2所示。風(fēng)、浪同向，考慮為360°，海流只考慮0°和180°。

表2 風(fēng)浪流參數(shù)

在系泊軟件中進(jìn)行定位分析時(shí)，波浪頻譜形式采用JONSWAP譜，形狀參數(shù)為1.0，選用1 min的定常風(fēng)作為校核風(fēng)力的輸入?yún)?shù)，選用流定常流作為校核流力的輸入?yún)?shù)。同時(shí)，給出環(huán)境條件方向的定義如圖3所示。

圖3 風(fēng)、浪、流載荷的作用方向

2.2 錨泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析方法

挖泥船及其系泊系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：是浮體質(zhì)量矩陣；

c

是阻尼矩陣；

k

是剛度矩陣；

F

是靜態(tài)力，kN；

F

是波頻力，kN；

F

是低頻慢漂力，kN；

F

是系泊力，kN；

F

是立管力，kN。

計(jì)算過(guò)程中，將挖泥船和錨泊系統(tǒng)納入一個(gè)模型中整體分析，考慮相互之間耦合效應(yīng)的影響，同時(shí)把風(fēng)浪流的疊加作用考慮在內(nèi)。本文所考慮的整個(gè)模型中沒(méi)有立管力，按照下文2.6和2.7節(jié)的相關(guān)公式計(jì)算得出風(fēng)力和流力作為輸入。

考慮到二階波浪力的影響，運(yùn)用近場(chǎng)法進(jìn)行模擬，可以表示如下：

基于以上背景，本文嘗試借助SEC一致性分析范式，選取已推行的7套真題，對(duì)具體數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)考題，量化分析數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)題與考試大綱標(biāo)準(zhǔn)的一致性，以期完善國(guó)家教師資格考試大綱標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)分析已有的試題，推動(dòng)國(guó)家教師資格考試的研究和進(jìn)展.

2.3 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

某錨泊定位分析時(shí)，應(yīng)采用動(dòng)力分析法校核各種計(jì)算工況，并考慮最危險(xiǎn)的工況。API RP 2SK和ABS設(shè)計(jì)規(guī)范都根據(jù)錨索的狀態(tài)、不同設(shè)計(jì)工況和錨索張力的計(jì)算方法對(duì)錨索的最大張力安全系數(shù)作了規(guī)定。所用錨索破斷強(qiáng)度與錨索所受最大張力之比就是規(guī)范定義的安全系數(shù)（參見(jiàn)表3）。本文計(jì)算的錨索張力安全系數(shù)應(yīng)不小于表3所列規(guī)定值。

張力安全系數(shù)

F

規(guī)定為：

表3 安全系數(shù)

式中：

F

為錨泊定位系統(tǒng)所配錨索的最小破斷強(qiáng)度，kN；

F

為錨泊定位系統(tǒng)所配錨索的最大張力，kN。

除了滿足規(guī)范的要求，同時(shí)還受到錨絞車限制，因此正常作業(yè)還需保證錨索受力在絞車的拉力范圍內(nèi)，否則絞車無(wú)法提供使船前進(jìn)的力。因此，挖泥船前進(jìn)方向的錨索2號(hào)、3號(hào)的拉力不得超過(guò)600 kN；兩根橫移錨索4號(hào)、5號(hào)的拉力不超過(guò)1 200 kN。

2.4 錨索的特性

某挖泥船的錨索全為鋼絲繩，其參數(shù)如下頁(yè)表4所示。

表4 鋼絲繩參數(shù)

為保證作業(yè)時(shí)有足夠的鋼絲繩余量，因此移船作業(yè)時(shí)，初始狀態(tài)下，2號(hào)、3號(hào)拋出舷外鋼絲繩長(zhǎng)度按600 m計(jì)算，1號(hào)拋出舷外鋼絲繩長(zhǎng)度按420 m計(jì)算，4號(hào)、5號(hào)拋出舷外鋼絲繩長(zhǎng)度按80 m計(jì)算。

2.5 水動(dòng)力性能計(jì)算

選擇HYDROD軟件的WADAM模塊計(jì)算挖泥船的頻域水動(dòng)力性能。挖泥船所需考慮的遭遇浪向?yàn)?°～180°，每15°為一個(gè)間隔，波浪頻率為0.02～2.0 rad/s，每0.02 rad/s為一個(gè)間隔。根據(jù)船體型線圖建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 挖泥船設(shè)計(jì)吃水4.8 m

2.6 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷作為定常力，船體水線以上部分受到風(fēng)力的影響，計(jì)算風(fēng)力時(shí)需要考慮在內(nèi)。參考API規(guī)范對(duì)相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定，選擇對(duì)首向和側(cè)向風(fēng)載荷的計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：

C

為形狀系數(shù)；

C

為高度系數(shù)；

A

為風(fēng)力作用的各個(gè)面的垂向投影面積之和，m；

V

為選用的設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

2.7 流載荷計(jì)算

為了簡(jiǎn)化相應(yīng)研究，在盡量避免缺失精度的同時(shí)提高計(jì)算效率，在實(shí)際工程計(jì)算中，通常假設(shè)流載荷的作用是穩(wěn)定的，對(duì)挖泥船的作用僅僅表現(xiàn)為拖曳的影響。參照API規(guī)范對(duì)相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定，某挖泥船的船型結(jié)構(gòu)更符合方形船的定義，因此確定船體首向或尾向的海流力計(jì)算公式如下：

式中：

F

為尾向海流力或首向海流力，N；

S

為根據(jù)目標(biāo)船的外形計(jì)算的水下部分濕表面積，其中需排除正對(duì)來(lái)流面的面積，m；

A

為船舶正對(duì)來(lái)流面的投影面積，m；

C

為摩擦阻力系數(shù)，本文取為2 Ns/m；

C

為迎流阻力系數(shù)，Ns/m；

V

為設(shè)計(jì)中輸入的流的速度，m/s。

2.8 移船作業(yè)錨泊定位分析結(jié)果

水動(dòng)力分析并確定了環(huán)境力后，在SEASAMDEEPC軟件中進(jìn)行錨泊定位分析，分別就移船作業(yè)和轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)兩種工況所要求的環(huán)境條件下，分別計(jì)算0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7個(gè)環(huán)境方向下的鋼絲繩受力和船體偏移。

對(duì)于流180°的情況，相對(duì)更危險(xiǎn)的工況是風(fēng)和浪120°的情況，因此計(jì)算這一工況下的受力情況為：4號(hào)鋼絲繩最大受力1 087 kN；2號(hào)鋼絲繩最大受力595 kN。

綜上所述，不論頂流還是順流，除90°的情況，完整狀態(tài)下，船前進(jìn)方向的2號(hào)、3號(hào)鋼絲繩的最大張力是595 kN，絞車的拉力是600 kN，拉得動(dòng)；其余鋼絲繩的安全因子大于1.67，在規(guī)范要求范圍內(nèi)，同時(shí)4號(hào)、5號(hào)鋼絲繩的最大張力是1 087 kN，小于1 200 kN。因此，在風(fēng)浪流0°～60°和120°～180°范圍內(nèi)時(shí)，可以前移100 m，才進(jìn)行一次起拋錨。

表5 移船作業(yè)狀態(tài)下錨泊分析結(jié)果匯總

表6 轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)狀態(tài)下錨泊分析結(jié)果匯總

綜上所述，除去90°的情況，橫移錨鋼絲繩的受力都小于1 200 kN，絞車的拉力可以拉動(dòng)，且安全因子都滿足規(guī)范要求。因此除去90°的情況，船舶都可以轉(zhuǎn)動(dòng)30°進(jìn)行作業(yè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

挖泥船的多數(shù)作業(yè)區(qū)域水深都不大，因此復(fù)雜的海況會(huì)使船具有較大的低頻漂移運(yùn)動(dòng)。此外，現(xiàn)場(chǎng)的限制條件也很多，定義其安全工作環(huán)境對(duì)項(xiàng)目的順利實(shí)施具有指導(dǎo)意義。不考慮90°的環(huán)境方向（流保持0°或180°、風(fēng)浪0°～60°、120°～180°范圍內(nèi)），在風(fēng)速10.7 m/s、流速0.34 m/s、有義波高0.9 m的情況下，某挖泥船最大可以轉(zhuǎn)動(dòng)30°進(jìn)行作業(yè)，并滿足前移至少100 m才需進(jìn)行一次起拋錨。基本符合工程需要。