甘 進(jìn) 吳衛(wèi)國(guó) 李旭坤 王 旭

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430070)

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海上風(fēng)電打樁船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析*

甘 進(jìn) 吳衛(wèi)國(guó) 李旭坤 王 旭

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430070)

針對(duì)雙體打樁船在海上打樁施工中的安全性問題，建立了打樁施工過程中風(fēng)浪流作用下施工船及錨鏈的耦合系統(tǒng)數(shù)值分析模型，通過計(jì)算得到了頻域及時(shí)域下船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).根據(jù)對(duì)施工環(huán)境條件及打樁垂直度要求，計(jì)算了打樁船多種施工工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并對(duì)雙體打樁船施工安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià).

海上風(fēng)電；打樁船；垂直度；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；數(shù)值計(jì)算；AQWA

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是近年來(lái)世界各國(guó)普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項(xiàng)目之一，發(fā)展速度非?？?1997～2004年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率達(dá)26.1%.目前全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)5 000萬(wàn)kW，相當(dāng)于47座標(biāo)準(zhǔn)核電站.經(jīng)過連續(xù)多年的高速增長(zhǎng)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已居世界第1位[1].目前我國(guó)正在大力推動(dòng)海上風(fēng)電發(fā)展，將從以陸上風(fēng)電開發(fā)為主向陸上和海上風(fēng)電全面開發(fā)轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是成為海上風(fēng)電大國(guó).

滿足為海上風(fēng)電施工的不同需求，國(guó)家及各類涉風(fēng)電公司研發(fā)和建造了多型用于海洋風(fēng)電施工安裝的先進(jìn)裝備[2].其中風(fēng)電安裝打樁船作為大型海上施工船舶，其安全性備受關(guān)注.傳統(tǒng)的打樁作業(yè)流程為：(1)鋼管樁浮運(yùn)到指定施工地點(diǎn)；(2)鋼管樁立管作業(yè)以及打定位樁，構(gòu)建臨時(shí)施工平臺(tái)，保證樁體的垂直度；(3)在施工平臺(tái)上進(jìn)行打樁作業(yè).采用雙體船進(jìn)行打樁相比傳統(tǒng)打樁方法而言，其省去了打定位樁以及搭建施工平臺(tái)的步驟，縮減了施工周期與成本.與普通單體打樁船相比，雙體打樁船具有較好的穩(wěn)性和操縱性，能較好的保證樁體的垂直度要求.海上打樁施工規(guī)范要求，打樁船施工期間樁體的垂直度偏差不得超過0.3%.樁體的垂直度主要受到船體運(yùn)動(dòng)的影響，如果打樁船在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過大，則不能進(jìn)行正常打樁施工.在何種海況條件下可以進(jìn)行施工作業(yè)，需要進(jìn)一步計(jì)算.雙體船在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算原理與普通的單體船計(jì)算原理是一樣的，都是基于勢(shì)流理論求解規(guī)則波下船舶六自由度的幅值響應(yīng)算子RAO，再通過線性系統(tǒng)的分析方法以及頻率特性得到脈沖響應(yīng)函數(shù)并進(jìn)行傅里葉變換，就可以得到船舶在規(guī)則或者不規(guī)則波下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng).當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用這種方法開展船舶波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究.祁祺等[3]利用AQWA對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出各自由度方向上的一、二階的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果， 通過對(duì)比分析得到了較為合理的系泊方式，為工程應(yīng)用提供了參考依據(jù).陳鵬等[4]計(jì)算了半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能及系泊性能的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境力方向在60°附近時(shí)，平臺(tái)的系泊纜繩張力和水平偏移最大，需要在系泊方案設(shè)計(jì)中引起重視.Lee等[5]基于脈沖響應(yīng)函數(shù)理論，創(chuàng)建局部非線性切片理論，計(jì)算了雙體船迎浪與隨浪狀態(tài)下的波浪動(dòng)載荷，并與模型試驗(yàn)做了對(duì)比.

文中以海上風(fēng)電安裝打樁船“華爾辰”號(hào)為研究對(duì)象，建立了船體和錨泊耦合系統(tǒng)模型，開展了耦合系統(tǒng)在不同波浪條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，以滿足規(guī)范為前提，確定了可施工的海況，為海上施工的順利開展提供了決策依據(jù).

1 打樁船數(shù)值分析模型

雙體打樁船“華爾辰”號(hào)的船舶主尺度見表1，根據(jù)打樁船的型線圖、總布置圖等資料建立雙體打樁船幾何模型，離散為面元模型，見圖1.AQWA基于勢(shì)流理論和三維二階輻射/繞射切片理論計(jì)算水動(dòng)力學(xué)系數(shù)[6].施工中所受環(huán)境力參數(shù)見表2.

表1 雙體打樁船“華爾辰”號(hào)主尺參數(shù)

圖1 打樁船網(wǎng)格劃分

參數(shù)數(shù)值波浪有義波高H1/3/m譜峰周期Tp/s角度/(°)0.843.490,90,180風(fēng)速度/(m·s-1)風(fēng)譜角度/(°)6Ochi&shin0,-90,-180流速度/(m·s-1)角度/(°)0.50,90,180

系泊纜繩的布置形式，見圖2.系泊纜繩由錨鏈和錨繩構(gòu)成，參數(shù)見表3.

圖2 系泊錨鏈的水平布置示意圖

頻域下幅值響應(yīng)算子的計(jì)算因受網(wǎng)格限制和實(shí)際工程的需要，取0°～180°間7個(gè)浪向角，即每隔30°取一個(gè)浪向角，頻率取0.1～0.294 Hz中的20個(gè)進(jìn)行計(jì)算.

表3 系泊系統(tǒng)參數(shù)

2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻域分析

海上風(fēng)電施工中樁體的垂直度是保證海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工質(zhì)量的重點(diǎn)，故將影響打樁垂直度最敏感的船體縱搖與橫搖響應(yīng)作為計(jì)算分析對(duì)象.打樁船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻域分析結(jié)果見圖3.

由圖3a)可知，由于浪向角和船都是對(duì)稱的緣故，計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也基本呈對(duì)稱分布，在波浪橫向入射，即入射角為90°時(shí)，出現(xiàn)橫搖響應(yīng)的峰值，且頻率為0.068 Hz(圓頻率0.43 rad/s)，根據(jù)微幅波理論

(1)

極淺水情況下有

(2)

(3)

此時(shí)波長(zhǎng)約為137.3 m，為低頻情況下需避免的海況.入射波角度為90°為響應(yīng)出現(xiàn)最大的位置也是合理的.由圖3b)可知對(duì)于縱搖響應(yīng)，順浪與斜浪的時(shí)候響應(yīng)最明顯，而橫浪的響應(yīng)相比就為小值，也是合理的.縱搖響應(yīng)在0.068 Hz(圓頻率0.43 rad/s)出現(xiàn)峰值，與橫搖響應(yīng)相同，在頻率為0.128 Hz(圓頻率0.804 rad/s)每一浪向均出現(xiàn)尖點(diǎn)，且相較峰值來(lái)說(shuō)不小，甚至有浪向?yàn)樽畲?，這樣的海況也是要避免的.

圖3 打樁船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻域分析結(jié)果

圖3c)～f)提取的均是附加質(zhì)量矩陣與阻尼系數(shù)矩陣的主對(duì)角線上的值，對(duì)于橫搖與縱搖分別是A44,A55,B44,B55.在低頻和高頻段，縱搖的附加質(zhì)量A55小于橫搖附加質(zhì)量A44，在中頻段橫搖附加質(zhì)量增加，出現(xiàn)峰值于0.204 Hz(圓頻率1.28 rad/s).對(duì)阻尼系數(shù)而言，低頻段時(shí)，縱搖阻尼系數(shù)增長(zhǎng)很快，之后又迅速下降，最后趨于一個(gè)較小的值，而橫搖阻尼系數(shù)則一直很小，高頻段有兩個(gè)頻率發(fā)生了突變，由于文中研究的是雙體船，長(zhǎng)寬比較小，橫穩(wěn)性好，縱搖時(shí)的阻尼系數(shù)與附加質(zhì)量較橫搖時(shí)大的并不多，也反映出雙體打樁船在保持垂直度時(shí)的優(yōu)勢(shì).再對(duì)比橫搖與縱搖，橫搖時(shí)的附加質(zhì)量與輻射阻尼變化規(guī)律類似，附加質(zhì)量要比輻射阻尼大得多.縱搖時(shí)，附加質(zhì)量大體上是隨著頻率增大而呈先下降再增長(zhǎng)的趨勢(shì)，阻尼則正好相反.

3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析

由于本船在施工中鋼管樁是直立狀態(tài)，重心很高，在波浪、流與風(fēng)入射方向相反時(shí)，不論是對(duì)縱搖或是橫搖都是最不利的情況，所以根據(jù)頻域計(jì)算得出的結(jié)論，即0°與90°存在對(duì)垂直度影響最不利的部分，針對(duì)這2種工況進(jìn)行時(shí)域的模擬.施工中允許的垂直度偏差為0.3%，即0.17°，在時(shí)域模擬中，橫搖、縱搖角度的幅值不大于0.17°為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).本節(jié)對(duì)3種環(huán)境載荷工況下船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析.圖4～6分別為環(huán)境載荷工況I、II、III的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果.

環(huán)境載荷工況I時(shí)，見圖4a)，波流沿船艏向船艉方向入射，而風(fēng)作用與波流相反，由圖4b)和圖4c)可知，縱搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是遠(yuǎn)大于橫搖的，幅值為0.051°，此時(shí)縱搖響應(yīng)最大且縱搖幅值遠(yuǎn)小于0.17°，滿足打樁垂直度的要求.

環(huán)境載荷工況II時(shí)，見圖5a)，風(fēng)浪和流均沿船舶橫向入射，且風(fēng)和波流方向相反，此時(shí)為對(duì)橫搖響應(yīng)最為不利的工況，由圖5b)～c)可知，橫搖響應(yīng)幅值為0.278°，是超過了要求的0.17°的施工要求，可見此種海況條件不利于施工要求和安全，應(yīng)盡量避免.

圖4 環(huán)境載荷工況Ⅰ的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

圖5 環(huán)境載荷工況Ⅱ的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

圖6 環(huán)境載荷工況Ⅲ的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

環(huán)境載荷工況III時(shí)，見圖6a)，該工況與環(huán)境載荷工況I類似，只是環(huán)境載荷作用的方向相反，此時(shí)仍然是縱搖不利的工況，最大縱搖角依然在安全的范圍之內(nèi)，而橫搖響應(yīng)則極小，可忽略不計(jì).

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)海上風(fēng)電打樁船“華爾辰”號(hào)的實(shí)際情況，計(jì)算了在給定波浪條件下的該船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平.根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，雙體打樁船在布置時(shí)應(yīng)盡量使船艏迎浪，避免波浪橫向或斜向入射.并且在施工時(shí)，應(yīng)盡量避開波長(zhǎng)大，周期長(zhǎng)的波浪條件進(jìn)行施工作業(yè).

2) 文中所采用的基于水動(dòng)力軟件分析AQWA的海上風(fēng)電安裝船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析方法，能用于評(píng)估海上風(fēng)電施工方案的合理性和安全性；計(jì)算設(shè)計(jì)施工工況下的打樁垂直度以及分析惡劣工況下的打樁船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等，為海上風(fēng)電工程施工提供技術(shù)保障.

[1]劉林,葛旭波,張義斌,等.我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì),2012,24(3):66-72.

[2]甘進(jìn),王旭,葉毅，等.一種海洋工程輔助施工裝置：ZL201420701483.3[P].2015-04-08.

[3]祁祺,張濤,文攀,等.基于AQWA的FPSO系泊系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)值模擬[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(12):14-18.

[4]陳鵬,馬駿,黃進(jìn)浩,等.基于AQWA的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析及系泊性能計(jì)算分析[J].船海工程,2013,42(3):44-47.

[5]LEE C M, JONES H D, CURPHEY R M. Predication of motions and hydrodynamic loads of catama-arns[J].Marine Technology,1973,10(4):392-405.

[6]CHAN H S. Prediction of motion and wave loads of twin-hull ships[J].Marine Structures,1993(6):75-102.

Motion Response Analysis of Offshore Pile Driving Barge for Wind Power Construction

GAN Jin WU Weiguo LI Xukun WANG Xu

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

In view of the safety problems of pile driving catamaran in pile driving at sea, an analysis model is built to simulate the behaviors of the coupled system between hull and mooring under the condition of wind, wave and current. The motion responses in both frequency and time domains are obtained. According to the requirements of environmental conditions and piling perpendicular degree in construction, the values of motion responses for the pile driving catamaran are calculated under many kinds of working conditions, and the construction safety of the pile driving catamaran is evaluated.

offshore wind power; drilling barge; perpendicularity; motion response; numerical calculation; AQWA

2016-08-12

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409201)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2015-zy-025)資助

U674.32 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.014

甘進(jìn)(1982- )：男，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)安全可靠性