疊船運輸方式下的半潛船耐波性分析

王 輝, 羅文嘉, 湯曉勇, 馬艷琳, 徐嘉爽, 李志勇

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610095；2.大連中遠(yuǎn)海運物流供應(yīng)鏈有限公司，遼寧 大連 116001)

0 引 言

近年來，隨著海上油氣資源的開發(fā)利用，催生對大型海洋結(jié)構(gòu)物的巨大需求，而這些大型海洋結(jié)構(gòu)物具有超大、超重和形狀不規(guī)則等特點[1]，使其海上安全運輸需求不斷提高。半潛船是運輸大型海洋結(jié)構(gòu)物的特種工程船，通過調(diào)整自身壓載水改變船舶浮態(tài)，使大型結(jié)構(gòu)物可順利到達(dá)半潛船的裝貨甲板，但由于半潛船裝載的結(jié)構(gòu)物體積大、質(zhì)量大、重心高，因此整船受風(fēng)面積大，易受風(fēng)浪影響。若船舶運動幅值過大或加速度過大則導(dǎo)致甲板上的貨物綁扎強(qiáng)度不夠，稍有不慎可能會造成貨物移位甚至倒塌的嚴(yán)重事故，因此，半潛船運輸過程中的耐波性研究顯得尤為重要。

有關(guān)半潛船的耐波性研究主要集中在如下各方面：零航速或非零航速下的半潛船響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)曲線；航行工況條件下的半潛船運動幅值和監(jiān)測點的加速度計算；半潛船參數(shù)橫搖的影響因素；舭龍骨對半潛船橫搖的影響規(guī)律等。劉旭等[2]通過耐波性模型試驗、實船試驗和三維水動力數(shù)值模擬方法研究某50 000.00 t半潛船在不同海況條件下的水動力運動響應(yīng)，獲得處于非零航速狀態(tài)的船體RAO和2個參考點的垂向與橫向加速度統(tǒng)計有義值。宋華寧[3]和尹艷等[4]運用SESAM軟件對目標(biāo)半潛船零航速下的運動響應(yīng)進(jìn)行短期預(yù)報。楊洪所[5]研究不同波高、不同浪向下的半潛船六自由度運動RAO，并計算關(guān)注點的加速度。魏梟等[6]利用AQWA軟件研究不同水深、不同浪向和不同航速下的縱向多聯(lián)浮體耐波性。于本福等[7]研究波浪周期和浪向?qū)Π霛摯\動響應(yīng)的影響。吳波等[8]和李軍等[9]研究半潛船在不同海況條件下的運動響應(yīng)和加速度規(guī)律。李曉君[10]和李曉君等[11]針對裝載重大件貨物的半潛船在長波海浪中航行時具有發(fā)生參數(shù)橫搖的風(fēng)險，構(gòu)建半潛船的運動模型，運用變參數(shù)分析法定量計算分析波浪長度、波浪高度、初穩(wěn)心高和航速變化等關(guān)鍵因素對半潛船航行安全的影響程度和作用規(guī)律，找出誘發(fā)半潛船參數(shù)橫搖的關(guān)鍵因素。蔡連財?shù)萚12]研究舭龍骨參數(shù)對半潛船橫搖響應(yīng)的影響。

綜上所述，半潛船由于運輸貨物的特殊性和運輸時間長、風(fēng)浪環(huán)境多變，因此在每次運輸前均需要根據(jù)所載貨物和途經(jīng)航線等進(jìn)行具體的耐波性計算分析。疊船運輸方式，即半潛船甲板承載雙駁船浮托的井口平臺，具有更大的挑戰(zhàn)性與危險性。以疊船運輸方式下的半潛船為研究對象，采用AQWA軟件，基于勢流理論，對該船在不同航速、不同吃水和不同海況條件下的運動響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，并計算相關(guān)參考點運動幅值和加速度，為半潛船貨物的安全綁扎提供設(shè)計依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 疊船運輸方式下的半潛船運動響應(yīng)

假定疊船運輸方式下的半潛船在一定航速下的流場為無黏性、無旋轉(zhuǎn)和不可壓縮的理想流體，則流場的運動可采用三維勢流理論描述，浮體結(jié)構(gòu)在波浪中的波浪激振力Fwj由入射波和繞射波引起，其表達(dá)式[6]為

Fwj=Fwj，k+Fwj，d=Re[(fwj，k+fwj，d)]e-iwt

(1)

式中：j為第j階運動模態(tài)，在j=1，2，…，6時Fwj分別為縱蕩力、橫蕩力、垂蕩力、橫搖力矩、縱搖力矩和艏搖力矩；Fwj，k和fwj，k為第j個自由度的弗勞德·克雷洛夫力；Fwj，d和fwj，d為第j個自由度的繞射力；Re[]為取[]內(nèi)復(fù)數(shù)變量的實部。

(2)

式中：ρ為浮體所處流場中的流體密度；S為浮體結(jié)構(gòu)表面面積：S0為浮體結(jié)構(gòu)在水中的濕表面面積；φI為入射波速度勢；φD為繞射速度勢；nj為浮體各自由度的法向量；U為航速。

由輻射勢引起的輻射力Fj的表達(dá)式為

(3)

uj，l和λj，l的表達(dá)式為

(4)

式中：φr為物體激蕩的輻射勢。

浮體的頻域運動方程為

(5)

式中：m為浮體的質(zhì)量矩陣；u為以uj，l為元素的附加質(zhì)量矩陣；λ為以λj，l為元素的附加阻尼矩陣；k為靜水恢復(fù)力矩陣；x為浮體的運動響應(yīng)幅值算子列陣；Fw為浮體所受的以Fj為元素的波浪激振力列陣。

求得式(4)的附加質(zhì)量與附加阻尼和式(1)的波浪激振力，代入式(5)，即可求得疊船運輸方式下的半潛船運動響應(yīng)。

1.2 疊船運輸方式下的半潛船短期最大值預(yù)報

對于一個給定的波浪譜S(ω)，疊船運輸方式下的半潛船水動力載荷的波頻運動響應(yīng)譜SR(ω)的表達(dá)式[13]為

SR(w)=RAO2S(w)

(6)

根據(jù)響應(yīng)譜得到的第n階矩的表達(dá)式為

(7)

式中：mnR為運動方差。

一般認(rèn)為短期海況符合窄帶瑞利分布，浮體的波頻運動近似認(rèn)為同樣符合瑞利分布。對于短期海況時間t，浮體波頻運動次數(shù)為t/T1R次，出現(xiàn)的最大值所對應(yīng)的超越概率為發(fā)生次數(shù)的倒數(shù)T1R/t，則浮體運動最大值Rmax為

(8)

1.3 疊船運輸方式下的半潛船加速度預(yù)報

疊船運輸方式下的半潛船貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點的三向加速度表達(dá)式[9]如下：

縱向加速度為

alongi=xG-(yP-yG)ψ+(zP-zG)θ-gsinθ

(9)

橫向加速度為

atrans=(xP-xG)ψ+yG-(zP-zG)φ-gsinθ

(10)

垂向加速度為

avert=-(xP-xG)θ+(yP-yG)φ+z

(11)

式(9)～式(11)中：z、φ、θ和ψ分別為垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖的幅值；xG、yG和zG分別為疊船運輸方式下的半潛船重心G的縱向、橫向和垂向坐標(biāo)；xP、yP和zP分別為貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點P的縱向、橫向和垂向坐標(biāo)；g為重力加速度。

2 AQWA軟件可靠性驗證

為保證AQWA計算耐波性結(jié)果的可靠性，采用具有公開試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的DTMB5512標(biāo)準(zhǔn)模型[14]進(jìn)行耐波性計算，包括縱搖運動和垂蕩運動，計算工況為規(guī)則波中零航速下的迎浪狀態(tài)。DTMB5512標(biāo)準(zhǔn)模型主尺度如表1所示。采用CATIA軟件建立DTMB5512的三維模型，如圖1所示。將三維模型導(dǎo)入AQWA，設(shè)置浮體質(zhì)量、阻尼和水動力計算參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對三維模型進(jìn)行水動力計算，計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：AQWA計算值與試驗值曲線的趨勢基本一致且相對誤差較小，驗證AQWA軟件計算耐波性的可靠性和有效性。

表1 DTMB5512標(biāo)準(zhǔn)模型主尺度

圖1 基于CATIA的DTMB5512三維模型

圖2 DTMB5512三維模型水動力計算結(jié)果

3 計算模型和載況

疊船運輸方式下的半潛船具體載況如下：2艘駁船(自艉部開始，分別為駁船1與駁船2)浮托1個井口平臺(坐落于雙駁船上)組成聯(lián)合體，該聯(lián)合體疊放在半潛船甲板上。疊船運輸方式下的半潛船三維模型如圖3所示。AQWA系統(tǒng)計算的坐標(biāo)系如圖4所示，其中，坐標(biāo)原點位于船舶中縱剖面與水線面交線和艉垂線的交點處，自原點指向艏部為x軸正向，左舷為y軸正向，水面垂直向上為z軸正向。

圖3 疊船運輸方式下的半潛船三維模型

圖4 坐標(biāo)系定義

半潛船主尺度如表2所示。該船與裝載貨物(2艘駁船和1個井口平臺)的質(zhì)量重心和慣性半徑如表3所示，其中，Rxx、Ryy和Rzz分別為對應(yīng)各坐標(biāo)軸的慣性半徑。由于該船的最大載重量為60 000.00 t，而裝載貨物總質(zhì)量約19 300.00 t，因此在搭載貨物后該船的吃水仍具有較大裕量。為研究吃水對耐波性的影響，設(shè)計3種吃水工況，分別為9.600 m、8.600 m和7.600 m，通過COMPASS軟件對該船進(jìn)行配載，得到3種吃水對應(yīng)的排水量和重心位置，如表4所示。將半潛船CATIA三維模型導(dǎo)入AQWA，根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分，即可進(jìn)行系統(tǒng)的水動力求解，其中，網(wǎng)格最大單元尺寸為5.000 m×5.000 m，單元總數(shù)為4 966個。

表2 半潛船主尺度

表3 半潛船與裝載貨物的質(zhì)量重心和慣性半徑

表4 半潛船裝載工況

4 疊船運輸方式下的半潛船運動響應(yīng)

4.1 疊船運輸方式下的半潛船RAO

RAO等于浮體六自由度運動幅值與輸入波幅比值的平方，表示在線性波浪作用下浮體的運動響應(yīng)特征。計算在滿載吃水9.600 m時浪向和航速對疊船運輸方式下的半潛船RAO的影響，找出最危險浪向，在此基礎(chǔ)上研究不同吃水的影響。RAO計算工況如表5所示。

表5 RAO計算工況

4.1.1 浪向和航速對RAO的影響

在滿載吃水9.600 m時，計算3個航速下的六自由度RAO，如圖5所示。

圖5 不同航速下的六自由度RAO與浪向的關(guān)系

六自由度RAO的最危險情況如表6所示，其中，橫搖最大達(dá)5.838°，縱搖最大達(dá)0.804°，垂蕩最大達(dá)1.159 m。最危險浪向下的不同航速對RAO的影響如圖6所示。

表6 RAO最危險情況

圖6 最危險浪向下的不同航速對RAO的影響

由于橫搖、垂蕩和縱搖對疊船運輸方式下的半潛船影響更大，因此重點分析這3個自由度在最危險浪向下和不同航速下的RAO幅值變化規(guī)律。

(1)橫搖：橫搖RAO幅值最明顯，基本不隨航速變化，這與浪向為90°時波浪頻率等于自然頻率、波浪頻率不隨航速變化的規(guī)律一致。

(2)垂蕩：在角速度ω<0.70 rad/s即周期T>8.95 s時，航速增大，垂蕩RAO幅值隨之有所減小，其他頻段垂蕩RAO幅值不隨航速變化。

(3)縱搖：角速度ω<0.60 rad/s即周期T>10.50 s時，航速增大，縱搖RAO幅值隨之有所增大，其他頻段隨航速增大，縱搖RAO幅值減小。

4.1.2 吃水對RAO的影響

根據(jù)表6，計算在最危險浪向下和最大幅值對應(yīng)航速下不同吃水工況(分別為9.600 m/8.600 m/7.600 m)的RAO幅值變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 最危險浪向和最大幅值對應(yīng)航速下的不同吃水工況對RAO的影響

(1)橫搖：橫搖RAO幅值變化最大，在角速度ω=0.62 rad/s(即周期T=10.13 s)時達(dá)最大值，且吃水增大，橫搖RAO幅值減小；其他頻段橫搖RAO幅值對吃水變化不敏感。

(2)垂蕩：在角速度ω<0.70 rad/s(即周期T>8.95 s)時，吃水增大，垂蕩RAO幅值隨之增大；在角速度ω>0.70 rad/s時，吃水增大，垂蕩RAO幅值減小。

(3)縱搖：在角速度ω>0.50 rad/s(即周期T<12.56 s)時，吃水增大，縱搖RAO幅值減小；在角速度ω<0.50 rad/s時，縱搖RAO幅值不隨吃水變化。

4.2 疊船運輸方式下的半潛船在不規(guī)則波中的短期預(yù)報

4.2.1 航線環(huán)境條件與計算工況

運輸航線為自中國某港口至中東某港口，根據(jù)航線與全球航區(qū)劃分，途經(jīng)28、41、40、62、61、60、50、39和38航區(qū)。根據(jù)GWS全球海洋波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，各航區(qū)10 a最大有義波高如表7所示。

表7 各航區(qū)10 a最大有義波高

根據(jù)上述資料，該航線10 a最大有義波高為8.800 m，設(shè)置3個不同海況，即3個不同的有義波高(Hs)，計算工況如表8所示。計算貨物綁扎設(shè)計關(guān)鍵點的加速度，監(jiān)測點位置分別為雙駁船的重心處和井口平臺重心處，具體數(shù)值如表3所示。

表8 計算工況

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，對于帶有冗余推進(jìn)系統(tǒng)的自航式半潛船，對不同浪向下的有義波高進(jìn)行折減，如表9所示。不同有義波高下的環(huán)境組合工況如表10所示。

表9 波高折減表

表10 環(huán)境組合工況

4.2.2 在不規(guī)則波中的運動響應(yīng)

根據(jù)表10的環(huán)境組合工況進(jìn)行計算，得到重心處六自由度運動響應(yīng)最大值，如表11所示。隨著有義波高增大，橫搖運動幅值變化最大，每增大單位有義波高，橫搖角平均增大2.88°；其次是垂蕩運動，每增大單位有義波高，垂蕩幅值平均增大0.850 m；最后是縱搖運動，每增大單位有義波高，縱搖角平均增大0.79°。

表11 不同有義波高下的重心處六自由度運動響應(yīng)最大值

貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點在上述海況條件下的橫向、縱向和垂向加速度，如表12和圖8所示。由圖8可知：對于半潛船和2艘駁船，垂向加速度隨有義波高變化最敏感，縱向加速度變化幅度最?。痪谄脚_重心較高，變化最大的是橫向加速度。一般在干拖運輸航行過程中，對船舶橫向加速度比較關(guān)注。海洋工程要求干拖運輸在較大波浪條件下的最大橫向加速度為0.5g[8]。疊船運輸方式下的半潛船在不同海況的計算結(jié)果中，貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點橫向加速度的最大值為3.638 m/s2，小于0.5g，符合要求。

表12 貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點的加速度

圖8 貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點的最大加速度

5 結(jié) 語

對疊船運輸方式下的半潛船進(jìn)行水動力分析，分別計算重心處的RAO幅值和不規(guī)則波中的運動幅值與加速度。為減小RAO幅值，可適當(dāng)增大航速、增大吃水，浪向保持縱浪和45°或135°的斜浪比較有利。對不規(guī)則波中的運動和貨物綁扎設(shè)計監(jiān)測點的加速度進(jìn)行短期預(yù)報，可為疊船運輸方式下的半潛船貨物綁扎提供設(shè)計依據(jù)。