基于AQWA的救撈作業(yè)場(chǎng)錨泊分析

周博文 李善成 趙慶新

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

進(jìn)行打撈和援潛任務(wù)時(shí)往往要進(jìn)行救撈作業(yè)場(chǎng)布場(chǎng)。為了獲得比較穩(wěn)定的作業(yè)場(chǎng)，通常采用四錨定位，甚至在復(fù)雜海況下采取六錨或八錨定位。目前，對(duì)海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和艦船單點(diǎn)系泊運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究較多[1-2]，但是對(duì)艦船多點(diǎn)系泊運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究較少[3-4]，尤其在探索布場(chǎng)參數(shù)變化對(duì)救撈作業(yè)場(chǎng)的影響方面研究較少，因此該文對(duì)布場(chǎng)參數(shù)對(duì)救撈作業(yè)場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，對(duì)提高救撈作業(yè)場(chǎng)的穩(wěn)定性具有一定參考價(jià)值。該文以常見的四錨布設(shè)作業(yè)場(chǎng)為例，利用AQWA 軟件對(duì)其進(jìn)行了錨泊分析，探索了錨泊參數(shù)對(duì)救撈作業(yè)場(chǎng)的影響，可為救撈作業(yè)場(chǎng)布設(shè)方案的分析和設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象及研究?jī)?nèi)容

1.1 研究對(duì)象

該文以救撈船布設(shè)的救撈作業(yè)場(chǎng)為研究對(duì)象，救撈船的主尺度見表1，該文根據(jù)母船船型為該船建立了用于仿真計(jì)算的幾何網(wǎng)格模型圖。

表1 救撈船主尺度

1.2 作業(yè)場(chǎng)基本參數(shù)

該文在分析中選用的坐標(biāo)情況如下：船首處為坐標(biāo)原點(diǎn)，船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，船艏為正；船寬方向?yàn)閅軸，右舷為正；型深方向?yàn)閆軸，向上為正。錨泊角規(guī)定和纜繩編號(hào)如圖1 所示。船艏處以錨鏈與船艏正方向的夾角為錨泊角Ψ，船尾處以錨鏈與船艏負(fù)方向夾角為錨泊角Ψ。船左、右舷錨泊纜對(duì)稱布置。

圖1 錨泊角設(shè)置示意圖

1.3 錨鏈參數(shù)

艦船的系泊纜為單一成分纜，選用的材質(zhì)為76mm 直徑的鋼芯鋼纜，相關(guān)參數(shù)見表2。

在軟件中，通過輸入導(dǎo)纜孔的位置、錨泊點(diǎn)的位置以及纜繩的長(zhǎng)度，可建立纜繩的懸鏈線方程，從而給出纜繩預(yù)張力。

1.4 浪向角及環(huán)境參數(shù)

救撈作業(yè)場(chǎng)在海上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的形式取決于艦船艏向與風(fēng)浪流之間的夾角，簡(jiǎn)稱浪向角。該文規(guī)定當(dāng)風(fēng)浪流與船艏方向一致時(shí)浪向角為0°，當(dāng)風(fēng)浪流與船艏方向相反時(shí)浪向角為180°。由于船舶結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，該文僅考慮風(fēng)浪流的同向作用，因此僅考慮浪向角0°~180°即可。

環(huán)境參數(shù)選擇四級(jí)海況，風(fēng)浪流等環(huán)境參數(shù)見表3，波浪環(huán)境不規(guī)則波采用JONSWAP 譜，風(fēng)環(huán)境采用NPD 風(fēng)譜。

表3 海洋環(huán)境參數(shù)

2 頻域計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

不規(guī)則的海浪可以簡(jiǎn)化為無數(shù)個(gè)頻率、方向和波幅不同的規(guī)則波疊加[5]，因此對(duì)艦船的靜水力結(jié)果和規(guī)則波中的頻域進(jìn)行了計(jì)算，通過頻域分析可以得到模型在不同頻率規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，為后續(xù)時(shí)域錨泊計(jì)算做鋪墊[1]。

2.1 靜水力參數(shù)

該文對(duì)作業(yè)場(chǎng)進(jìn)行了靜水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。計(jì)算排水量與實(shí)際艦船排水量誤差結(jié)果為2%，表明靜水力計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表4 靜水力計(jì)算結(jié)果

2.2 響應(yīng)幅值算子

搖蕩響應(yīng)幅值算子即單位規(guī)則波下艦船的運(yùn)動(dòng)幅值。AQWA 軟件對(duì)艦船的橫搖、艏搖、縱搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩6 個(gè)自由度下隨不同頻率規(guī)則波的搖蕩幅值算子定義如公式（1）所示[6]。

式中：Yyζ（ω）為艦船的響應(yīng)幅值算子；ζA為波幅；YA（ω）為艦船的運(yùn)動(dòng)幅值。

救撈作業(yè)場(chǎng)在橫向載荷下（90°浪向角）的橫搖響應(yīng)最嚴(yán)重，作業(yè)場(chǎng)在波浪作用下發(fā)生較大幅度或較高頻的橫搖運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)加大船舶傾斜度和系泊纜繩受力，勢(shì)必會(huì)對(duì)作業(yè)場(chǎng)的作業(yè)效率和系泊安全造成不利影響，因此需要重點(diǎn)關(guān)注。作業(yè)場(chǎng)橫搖幅值響應(yīng)幅值如圖2 所示。通過計(jì)算浪向角下艦船橫搖響應(yīng)幅值算子隨周期變化可以得出艦船橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大為3.56324°/m，對(duì)應(yīng)的浪向角為90°，對(duì)應(yīng)的周期為13.84s，與作業(yè)場(chǎng)實(shí)際周期誤差在0.7%，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖2 橫搖角隨錨泊角變化

3 時(shí)域計(jì)算結(jié)果

取錨泊角為45°下，分別計(jì)算船舶在不同浪向角下作業(yè)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值和錨纜張力最大值，見表5 和表6。

表5 作業(yè)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果

表6 錨纜張力最大值計(jì)算結(jié)果

從表5 和表6 可以看出，船體的橫搖、艏搖、橫蕩運(yùn)動(dòng)在浪向角為90°時(shí)達(dá)到最大值，這是由于作業(yè)場(chǎng)橫向載荷的受力面積最大，導(dǎo)致了在橫向浪向下其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最明顯。4 個(gè)纜繩受力中3 號(hào)和4 號(hào)纜繩受力較大，1 號(hào)和2 號(hào)纜繩受力較小。可以分析出風(fēng)浪流在船體橫向作用下，使船體的橫蕩、橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)最劇烈，艦船布設(shè)作業(yè)場(chǎng)時(shí)需要重點(diǎn)考慮這點(diǎn)。因此艦船進(jìn)行作業(yè)場(chǎng)的布置時(shí)，可以采用船體縱向?qū)说男问?，降低船體的橫蕩、橫搖和艏搖對(duì)作業(yè)場(chǎng)的影響，降低纜繩最大受力，從而提升作業(yè)場(chǎng)的穩(wěn)定性。

4 布場(chǎng)參數(shù)的影響

從上文可知，救撈作業(yè)場(chǎng)受橫向載荷時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最嚴(yán)重。為了分析錨泊布置參數(shù)對(duì)作業(yè)場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，該文著重分析了不同浪向角時(shí)布場(chǎng)參數(shù)變化對(duì)作業(yè)場(chǎng)的橫搖與橫蕩的影響。

4.1 錨泊角變化的影響

該文針對(duì)錨泊角的變化對(duì)作業(yè)場(chǎng)錨泊的影響，分別計(jì)算了錨泊角為15°、30°、45°、60°和75°下救撈作業(yè)場(chǎng)的橫搖及橫蕩，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖3 橫蕩隨錨泊角變化

從圖3 可以看出，隨著錨泊角的增大，作業(yè)場(chǎng)的橫蕩明顯減緩；從圖2 可以看出，作業(yè)場(chǎng)的橫搖幅度也略有下降，但下降不大。經(jīng)過對(duì)比可知，在正橫浪的情況下，錨泊角越大越好?？紤]海上風(fēng)浪流方向的不確定性并且作業(yè)場(chǎng)的橫蕩、橫搖和艏搖是主要的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為了減緩作業(yè)場(chǎng)的橫蕩、艏搖和橫搖，四錨定位的錨泊作業(yè)場(chǎng)盡量選取較大的錨泊角，大致70°左右為佳。

4.2 錨泊預(yù)張力變化的影響

初始纜繩預(yù)張力表征了纜繩的收緊或松弛狀態(tài)，如果纜繩收緊，纜繩的預(yù)張力就大，反之預(yù)張力就小。為了研究纜繩收緊產(chǎn)生的預(yù)張力的影響，該文保持錨泊半徑為700m，錨泊角為45°不變，分析在四級(jí)海況下，初始預(yù)張力為10kN、20kN、30kN、40kN 和50kN 時(shí)的作業(yè)場(chǎng)的橫搖、橫蕩，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 橫搖角隨預(yù)張力的變化

圖5 橫蕩隨預(yù)張力的變化

從圖4、圖5 可以看出，隨著纜繩的收緊，錨泊纜預(yù)張力增大，作業(yè)場(chǎng)的橫搖、橫蕩都有所減緩，其中橫蕩減緩最明顯，但減緩的趨勢(shì)隨著預(yù)張力的增大逐漸變緩。因此，纜繩初始預(yù)張力越大，提高救撈作業(yè)場(chǎng)的穩(wěn)定性效果越好。但是初始預(yù)張力增大會(huì)導(dǎo)致纜繩的最大受力增加，容易使纜繩斷裂，可見通過增大預(yù)張力來增加救撈作業(yè)場(chǎng)的穩(wěn)定性存在邊際效應(yīng)。因此纜繩的預(yù)張力應(yīng)控制在一定范圍。

4.3 錨泊半徑變化的影響

保持錨泊預(yù)張力不變，如果錨泊半徑越大，錨纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，反之則越短。為了研究錨泊半徑對(duì)預(yù)張力的影響，保持錨泊角45°不變，分析在四級(jí)海況下，錨泊半徑分別為300m、400m、500m、600m、700m、800m、900m、1000m 和1100m時(shí)作業(yè)場(chǎng)的橫搖、橫蕩。結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 橫搖角隨錨泊半徑的變化

圖7 橫搖角隨錨泊半徑的變化

從圖6、圖7 可以看出，隨著錨泊半徑的增大，船體的橫蕩呈逐漸增大的趨勢(shì)，但橫搖呈逐漸減緩的趨勢(shì)。

從趨勢(shì)上來看，橫蕩增大趨勢(shì)放緩，橫搖角變小趨勢(shì)也放緩。當(dāng)錨泊半徑足夠大時(shí)，增大錨泊半徑對(duì)降低橫搖效果不太明顯。因此增大錨泊半徑在一定程度上可以減緩作業(yè)場(chǎng)的橫搖，但是錨泊半徑增大不利于作業(yè)場(chǎng)的橫蕩。針對(duì)不同作業(yè)情況，需要對(duì)錨泊半徑進(jìn)行合理的設(shè)置。如果利用船舶起重機(jī)或絞盤進(jìn)行起重作業(yè)，應(yīng)注重減緩船舶的橫搖；如果進(jìn)行援潛等水下作業(yè)，應(yīng)注重減緩船舶的橫蕩。

5 結(jié)論

該文基于AQWA 軟件對(duì)某救撈船作業(yè)場(chǎng)錨泊進(jìn)行了分析，在風(fēng)浪流的耦合作用下進(jìn)行了頻域和時(shí)域分析，著重討論了錨泊布場(chǎng)設(shè)置對(duì)艦船作業(yè)場(chǎng)的影響，得到如下結(jié)論：1）采用縱向?qū)丝梢詼p緩作業(yè)場(chǎng)的搖蕩。2）錨泊角及纜繩預(yù)張力的增加在一定范圍內(nèi)可以顯著增強(qiáng)錨泊作業(yè)場(chǎng)的穩(wěn)定性。3）增加錨泊半徑在一定程度上可以減緩作業(yè)場(chǎng)的橫搖，但是對(duì)作業(yè)場(chǎng)的橫蕩不利。