許 超，孫麗萍，趙志堅，張利軍

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001；2.中遠船務工程集團技術中心，遼寧大連 116600）

風電安裝船運動響應分析及模型試驗研究

許 超1，孫麗萍1，趙志堅2，張利軍2

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001；2.中遠船務工程集團技術中心，遼寧大連 116600）

為了分析風電安裝船在實際海況下的運動響應及阻力性能，基于三維勢流理論，本文對風電安裝船進行頻域和時域運動響應數值分析，并開展風電安裝船模型試驗，對航行阻力、幅頻響應函數和在位運動響應進行試驗研究。通過試驗得到風電安裝船在航速13 kn時阻力為899 kN，RAO響應曲線和不規(guī)則波中的運動幅值驗證了數值計算的準確性。研究結果表明風電安裝船在十年一遇的北大西洋海況中運動幅值較大，不宜進行安裝作業(yè)。

風電安裝船；模型試驗；耐波性；阻力

0 引言

海上風電場的開發(fā)已受到越來越多的重視和關注，其中的一個難點在于風機整套設備的海上安裝。風電安裝船是近些年來新發(fā)展的一種特種工程船舶，它將運輸船、海上作業(yè)平臺和起重船的各項功能融為一體，可以獨立完成整套海上風機設備的運輸、安裝和維護。中遠船務技術中心作為設計單位，對某型號風電安裝船母型船進行了優(yōu)化設計，以滿足航行性能和作業(yè)性能的要求。本文以中遠船務提供的優(yōu)化船型為研究對象，對新船型進行數值仿真和模型試驗研究，以獲得新船型在不同航速下的阻力性能和在實際海況中的運動響應。為風電安裝船的設計開發(fā)和在實際海況中的作業(yè)提供參考［1］。

1 水動力性能數值分析

首先根據三維勢流理論方法，在整個頻域范圍內對風電安裝船進行輻射和繞射分析，獲得在不同頻率單位波幅規(guī)則波作用下的水動力參數，包括一階波浪力傳遞函數 RAO、二階波浪力傳遞函數QTF、附加質量以及輻射阻尼等，頻域分析的水動力結果為后續(xù)風電安裝船的時域運動響應分析打下基礎［2］。

1.1 頻域水動力分析

應用輻射和繞射分析計算理論對無航速的風電安裝船在規(guī)則波下的運動進行分析，對于流場中的浮體，浮體在流場中的壓力根據線性伯努利方程，可得：

對浮體整個濕表面單元進行壓力積分，則作用在風電安裝船上的波浪激勵力為：

式中，fi為i方向的波浪激勵力；ni為面元法向量；S為浮體濕表面。

浮體在受到波浪激勵力的同時，浮體自身的運動也帶動附近流場的變化，即產生了輻射勢，則浮體對流體的反作用力可以寫成：

式中，μij為浮體附加質量；λij為輻射阻尼［3］。

將波浪激勵力和輻射力線性疊加，就得到了入射頻率為ω時，作用在風電安裝船的單位波幅規(guī)則波下的一階波浪力：

浮體在頻域范圍內的一階運動方程為：

式中，M為風電安裝船總的質量矩陣；λ為附加質量矩陣；C為系統線性阻尼矩陣；K為系統總剛度矩陣；F（w）為波浪載荷（單位波幅），w為波浪頻率；x為幅值響應算子（RAO）。

基于上述理論，用水動力分析程序AQWA對風電安裝船進行頻域分析，二階波浪力采用近場方法求得。其中，風電安裝船橫搖和縱搖的一階波浪力傳遞函數RAO，如圖1所示，縱蕩和橫蕩的二階波浪力傳遞函數QTF如圖2所示。

圖1 滿載狀態(tài)橫搖和縱搖RAO結果

圖2 滿載狀態(tài)橫蕩和縱蕩QTF

1.2 時域運動響應分析

頻域分析通常只適用于穩(wěn)態(tài)問題，無法解決瞬態(tài)問題和強非線性問題。對于風電安裝船在惡劣海況下的大幅值運動，須在時域內模擬船體在波浪環(huán)境中的運動響應。在時域內建立風電安裝船和系泊系統的運動控制方程，所受的外載荷主要包括波浪力和系泊力，運動耦合方程為：

式中，M為風電安裝船質量矩陣；λ為附加質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；Fwave為波浪載荷（包括高頻波浪力和低頻慢漂力）；Fmooring為系泊系統對風電安裝船提供的系泊力［4］。

基于上述理論和海洋環(huán)境條件，用AQWA軟件的DRIFT模塊對風電安裝船進行時域運動響應分析，計算出結構總力，求得結構加速度，進而求得結構最新位置，重復以上步驟求得模型的運動響應。模型采用四根水平系泊線布置，系泊線剛度為2.78E6（N/m），1號和3號系泊線長度為1 023 m，2號和4號系泊線長度為1 062 m，計算模型如圖3所示。波浪為JONSWAP譜波浪，有義波高8.4 m，譜峰周期12.16 s，浪向角為135°和180°，時間步長為0.12，步數為90 000步，每個工況模擬時間為3小時［5，6］。其中圖4為風電安裝船135°浪向角時橫搖、縱搖和垂蕩時域運動響應模擬結果。

圖3 時域運動響應計算模型

2 模型試驗研究

2.1 試驗條件介紹

模型試驗在哈爾濱工程大學多功能深水池和船模拖曳水池進行。多功能深水池長50 m，寬30 m，深10 m，水池配備75單位的搖板式多單元造波系統，在本次RAO試驗和不規(guī)則波試驗中需要用到。船模拖曳水池長108 m，池寬7 m，水深3.5 m。在本次靜水拖航阻力試驗中需要用到日本制造的四自由度適航儀。

圖4 時域運動響應模擬結果

2.2 試驗內容

本次試驗主要是為了得到風電安裝船的相關水動力特性，為后續(xù)設計與分析提供依據。需要開展靜水拖航阻力試驗、RAO試驗和不規(guī)則波試驗。分別得到風電安裝船的阻力性能、RAO特征和實際海況中的運動特征，并與數值計算結果相比較。根據國際海洋工程模型試驗相關規(guī)范，本次試驗按照縮尺比1:50制作模型。模型用玻璃鋼材料由倒模技術制成，實船型線如圖5所示，模型如圖6所示。為了方便調整模型屬性參數，將模型沿甲板邊線增高350 mm，不影響模型原船體型線，原模型具體參數如表1所示。

圖5 風電安裝船橫剖線圖

圖6 風電安裝船模型

表1 模型屬性值

3 試驗結果分析

3.1 阻力試驗結果

在哈爾濱工程大學船模拖曳水池開展了風電安裝船的拖航阻力試驗［7］，圖7為進行拖航阻力試驗的過程。拖航航速由實船航速6 kn～13 kn換算得到，船模吃水分別為壓載和滿載狀態(tài)，航向角為180°，船模阻力由測力天平測得。采用傅汝德換算法求得實船阻力，摩擦阻力由1957ITTC公式求得，其中滿載狀態(tài)阻力結果如表2所示。試驗過程中發(fā)現，船舶首部與平行中體的過渡段附近有較大的興波，原因在于此處型線變化梯度大。實船阻力曲線如圖8所示，阻力曲線為二次拋物線形態(tài)，符合理論基礎［8］。

表2 風電船滿載狀態(tài)阻力試驗結果

圖7 拖航阻力試驗

圖8 風電安裝船阻力試驗結果

3.2 RAO試驗結果

模型在規(guī)則波中的試驗，根據線性系統假設，輸入的單變量是波浪，記做x，一般由波浪譜密度函數Sx（ω）表示輸入波浪的大小。輸出的單變量是模型響應（運動），記做y，一般由響應譜密度函數Sy（ω）表示模型運動響應大小，模型在單位波幅下的運動響應幅值（RAO）記作Hj（ω）［9］，則：

圖9 風電安裝船RAO試驗過程

RAO試驗過程如圖9所示。根據模型試驗得到風電安裝船在白噪聲波譜中的運動響應，將時域信號進行傅立葉變換，得到頻域信號，再進行平滑處理得到船舶在不同浪向角下各自由度的RAO。限于篇幅有限，選擇兩種典型工況下的運動狀態(tài)對比結果進行分析，其中風電安裝船 90°浪向角橫蕩和橫搖RAO對比分析結果如圖10和圖11所示，180°浪向角縱蕩和縱搖RAO對比分析結果如圖12和圖13所示。從圖中可以看出，數值計算結果和試驗結果比較吻合，驗證了數值算法的準確性，風電安裝船滿載狀態(tài)下橫搖固有周期為13.5 s，縱搖固有周期為11 s。

圖10 滿載狀態(tài)90°橫蕩RAO對比分析

圖11 滿載狀態(tài)90°橫搖RAO對比分析

圖12 滿載狀態(tài)180°縱蕩RAO對比分析

3.3 不規(guī)則波試驗結果

針對風電安裝船滿載狀態(tài)，180°和135°浪向角兩種工況開展不規(guī)則波試驗。圖10為風電安裝船滿載狀態(tài)135°浪向角時不規(guī)則波試驗過程，系泊布置方式與數值計算的布置方式一致［10］。波浪為JONSWAP譜波浪，有義波高8.4 m，譜峰周期12.16 s。其中對風電安裝船滿載狀態(tài) 135°浪向角工況下的運動響應幅值進行統計分析，換算為實船運動響應，并與時域運動響應數值計算結果進行對比分析，所得結果如表3所示。由于數值計算不能準確模擬船舶在惡劣海況下的強非線性運動，所以時域響應計算與試驗結果有一定的誤差。

圖13 滿載狀態(tài)180°縱搖RAO對比分析

圖14 風電安裝船不規(guī)則波試驗過程

表3 時域運動響應對比分析結果

4 結論

在阻力試驗中，船首與平行中體的過渡區(qū)域有較為明顯的型波，型波逐漸向船尾及兩側擴散，說明此處型線變化梯度大。通過RAO試驗得到風電安裝船滿載狀態(tài)下的橫搖和縱搖固有周期，并且驗證了AQWA程序對RAO計算的可行性，風電安裝船在波浪周期為 11 s～13 s的海況下作業(yè)非常危險。隨著波浪周期的增大，風電安裝船在單位波幅下的橫蕩和縱蕩運動趨近于波高。在不規(guī)則波試驗中，風電安裝船的縱橫搖角達到10°，船首波浪抨擊現象嚴重，并且船體有較大范圍的縱蕩運動。時域運動響應計算結果與試驗結果誤差較大，原因在于AQWA程序不能模擬自由液面的動態(tài)變化，模型縱橫搖運動角度越大，模擬結果越不準確，這是需要進一步研究的問題。本文的研究結果對風電安裝船的設計開發(fā)和實際作業(yè)具有指導意義。

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中國船級社（CCS）將發(fā)布全球首部LNG運輸船兼作浮式儲存裝置實施指南

中國船級社（CCS）制定的《液化天然氣運輸船兼作浮式儲存裝置實施指南》順利通過了來自海事管理機構、航運企業(yè)、能源公司、設計單位、科研院所、造船廠、設備廠家等單位的30余位專家和代表的評審，于2016年7月正式發(fā)布實施。屆時，該指南將成為全球首部LNG運輸船兼作浮式儲存裝置（FSU）實施指南（以下簡稱LNG-FSU指南）。

LNG-FSU指南主要包括附加標志授予、適應性條件評估、連接系統、通訊系統、應急系統、系泊系統、兼容性評估、貨物安全操作及風險評估等方面的技術要求。

從技術要求的安全可靠性、可實現性、可操作性的角度出發(fā)，基于中國自主設計建造的首艘LNG運輸船“海洋石油301”在印尼作為FSU作業(yè)的實例專題研究，CCS對LNG運輸船兼作FSU作業(yè)進行了全面分析，充分考慮了LNG運輸船兼作FSU作業(yè)時的風險、作業(yè)的兼容性和貨物安全操作等問題，以及船舶水動力特性、FSU與補給船之間相對運動對連接系統和系泊系統帶來的影響，提出了相應的風險評估內容、評估結果、風險控制措施和技術要求。

該指南緊密聯系工業(yè)界的最新需求，緊跟全球發(fā)展熱點，理論與實踐相結合，對促進和引導LNG浮式儲存裝置的發(fā)展具有重要意義。

來源：中國船級社

Motion Response Analysis and Model Test Study of Wind Turbine Installation Vessel

Xu Chao1，Sun Li-ping1，Zhao Zhi-jian2，Zhang Li-jun2

（1.Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； 2.COSCO Shipyard Group Co.，Ltd.，Liaoning Dalian 116600，China）

In order to study the motion response and resistance performance for the wind turbine installation vessel （WTIV），based on the three-dimensional potential flow theory，the numerical analysis of the vessel’s motion response is conducted in frequency and time domain.The model test of the WTIV is also carried out，including resistance test，RAO test and irregular test.Through the test，the resistance of the WTIV at the speed of 13 kn is 899 kN.The RAO response curve and the motion value of the irregular test verify the accuracy of the numerical calculation.The results show that the WTIV has large motion value in the serious sea condition of ten years on the North Atlantic Ocean，which is not suitable for installation.

wind turbine installation vessel （WTIV）； model test； sea-keeping performance； resistance

U661.43

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.007

工信部高技術船舶科研項目（工信部聯裝2011536號）。

許超（1990—），男，碩士研究生。研究方向：海洋工程結構水動力學。