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        穿梭油船波浪載荷直接計(jì)算分析

        2019-05-10 06:51:30張利軍姜海寧
        中國(guó)航海 2019年1期
        關(guān)鍵詞:油船黏性船體

        楊 朕, 張利軍, 曹 凱, 姜海寧

        (中遠(yuǎn)海運(yùn)重工設(shè)計(jì)研究院, 遼寧 大連 116600)

        隨著深遠(yuǎn)海采油活動(dòng)的增加,越來越多的采油裝備遠(yuǎn)離大陸,通過鋪設(shè)輸油管線來運(yùn)輸石油的難度和成本已變得相當(dāng)巨大。穿梭油船應(yīng)運(yùn)而生。作為一種特殊的油船,穿梭油船來往于岸邊碼頭與海上油田之間運(yùn)送原油,代替輸油管線的功能。因?yàn)榇┧笥痛枰l繁地穿梭于各個(gè)采油終端,裝載和卸載原油,故穿梭油船應(yīng)具備良好的操縱功能和裝載功能,需要配備動(dòng)力定位系統(tǒng)、直升機(jī)平臺(tái)和首裝載系統(tǒng)。[1-2]此外,在裝載及定點(diǎn)運(yùn)輸原油時(shí),深遠(yuǎn)海惡劣海況會(huì)導(dǎo)致穿梭油船結(jié)構(gòu)的安全性問題更加突出。因此與常規(guī)油船相比,穿梭油船對(duì)波浪載荷計(jì)算精度的要求更高。[3-4]

        為了保證穿梭油船船體結(jié)構(gòu)的可靠性,準(zhǔn)確計(jì)算船體的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷是非常關(guān)鍵的。關(guān)于船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)及載荷的預(yù)報(bào)理論和方法已經(jīng)比較成熟[5],從二維切片法到三維面元法,從線性頻率理論到非線性時(shí)域理論,以及考慮船體梁振動(dòng)的水彈性理論都有長(zhǎng)足的發(fā)展與應(yīng)用。[6]在這些方法中,實(shí)際工程上應(yīng)用比較廣泛的是基于勢(shì)流理論的三維線性計(jì)算方法。[7]

        1 計(jì)算模型概述

        為準(zhǔn)確地分析穿梭油船的波浪載荷特性,應(yīng)用WASIM軟件對(duì)一艘穿梭油船進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算。目標(biāo)船主要參數(shù)見表1。

        表1 穿梭油船主要參數(shù)

        1.1 水動(dòng)力計(jì)算模型

        WASIM采用基于RANKINE源的三維時(shí)域理論,不僅需要在船體濕表面上分布源匯,而且還要在自由表面上分布奇點(diǎn),以此來求解整個(gè)流場(chǎng)的速度勢(shì)。計(jì)算得到相應(yīng)分析量(比如:船體運(yùn)動(dòng),剖面載荷,面元壓力等)的時(shí)域解后,通過傅里葉變換得到頻率解。穿梭油船面元模型見圖1,模型網(wǎng)格為正交性較高的四邊形面元,半船體網(wǎng)格總數(shù)為1 929個(gè)。

        圖1 穿梭油船面元模型

        計(jì)算波浪載荷時(shí),還需要船體的質(zhì)量分布信息。根據(jù)裝載手冊(cè)中相應(yīng)計(jì)算工況的質(zhì)量分布曲線得到沿船長(zhǎng)分布的質(zhì)量文件,同時(shí)保證質(zhì)量模型的質(zhì)量與面元模型的排水量一致,質(zhì)量模型的重心縱向位置與面元模型的浮心縱向位置在同一垂直線上,質(zhì)量模型的慣性半徑與裝載手冊(cè)一致。

        從艉到艏共20個(gè)剖面,間隔均為10.5 m,波浪載荷計(jì)算剖面見表2。

        表2 波浪載荷計(jì)算剖面

        1.2 計(jì)算浪向與周期

        為分析研究不同浪向下船體的運(yùn)動(dòng)和遭受的波浪載荷,根據(jù)DNV GL規(guī)范要求,選取0~360°,間隔30°計(jì)算浪向與周期,共12個(gè)浪向角。波浪的傳播方向定義為:從艉到艏的傳播方向?yàn)?°,從右舷到左舷的方向?yàn)?0°。水動(dòng)力分析周期范圍的選取應(yīng)能準(zhǔn)確地代表分析海域波浪能的分布范圍和浮體的響應(yīng)特性。因此,計(jì)算分析采用的波浪周期為4~35 s,間隔為1 s。波浪方向與周期見表3。

        表3 波浪方向與周期

        1.3 黏性橫搖阻尼

        黏性橫搖阻尼與船體的舭部形式、舭龍骨的尺寸和橫搖運(yùn)動(dòng)幅值相關(guān)。不同超越概率的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)著不同的黏性橫搖阻尼。本文應(yīng)用隨機(jī)線性方法對(duì)穿梭油船的黏性橫搖阻尼進(jìn)行線性化,得到不同超越概率下的線性化黏性橫搖阻尼。

        初始計(jì)算時(shí),橫搖角是未知的,其值由選取的波浪散布圖決定。黏性橫搖阻尼通過迭代求解。迭代步驟[8]簡(jiǎn)述如下:

        在中國(guó)歷史檔案館中有資料記載,在雍正四年,宮中就先后23次賞出琺瑯彩瓷二百余件。這種被稱為“官窯中的官窯”的彩繪瓷器,被作為天恩賞賜于臣子。它們裝飾著封建思想意識(shí)滲透的紋樣,皇權(quán)思想就更為明顯。于臣子而言,這是恩賜,也是威嚴(yán),隱含著說不清道不明的皇權(quán)屬性,它們簡(jiǎn)直成了皇帝的替身,我們可以想見這些瓷器所被賦予的空間張力有多么驚人。

        1) 給定橫搖角初值,計(jì)算黏性橫搖阻尼系數(shù)。

        2) 結(jié)合上一步確定的黏性橫搖阻尼系數(shù),進(jìn)行船體六自由度運(yùn)動(dòng)分析。

        3) 根據(jù)北大西洋波浪散布圖,計(jì)算橫搖角的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性,得到超越概率為10-4和10-8橫搖角幅值。

        4) 比較1)步與2)步中的橫搖角:如果兩者相差小于1%,停止迭代;否則,取兩者的平均值,作為下次迭代的初值,直至迭代收斂。

        1.4 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

        波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào),選取北大西洋波浪散布圖作為目標(biāo)海況長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料,采用PM(Pierson-Moscovit)譜模擬海況,應(yīng)用威布爾分布擬合長(zhǎng)期分布,擴(kuò)散函數(shù)選為二次余弦函數(shù)。統(tǒng)計(jì)后處理的波浪環(huán)境條件見表4。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 船體運(yùn)動(dòng)

        根據(jù)DNV GL規(guī)范要求,波浪載荷計(jì)算分析的裝載工況包括:LC2無限航區(qū),壓載離港工況;LC9無限航區(qū),滿載到港工況。LC2裝載工況,2/3設(shè)計(jì)航速,橫搖角超越概率為10-4時(shí),穿梭油船在垂蕩、縱搖和橫搖模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)RAO(Response Amplitude Operator)見圖2~圖4。由圖2~圖4可知:目標(biāo)船在不同浪向下的運(yùn)動(dòng)RAO曲線存在明顯的差異,浪向?qū)Υw的運(yùn)動(dòng)有較大的影響。對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng),橫浪下的垂蕩運(yùn)動(dòng)最劇烈,迎浪時(shí)的垂蕩運(yùn)動(dòng)大于隨浪時(shí)的垂蕩運(yùn)動(dòng)。對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng),迎浪狀態(tài)的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)達(dá)到最大值。對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng),橫浪下的橫搖幅值最大,120°浪下的橫搖運(yùn)動(dòng)最大響應(yīng)值大于60°浪下的結(jié)果。

        表4 長(zhǎng)期波浪載荷預(yù)報(bào)的波浪環(huán)境條件

        圖2 垂蕩運(yùn)動(dòng) LC2

        圖3 縱搖運(yùn)動(dòng) LC2

        圖4 橫搖運(yùn)動(dòng) LC2

        2.2 波浪載荷RAO

        在LC2工況下,穿梭油船舯部處11號(hào)剖面上,不同浪向角下的波浪彎矩響應(yīng)幅值見圖5。該剖面上,波浪彎矩最大值出現(xiàn)在180°迎浪狀態(tài)下;相應(yīng)的波浪周期為12 s,對(duì)應(yīng)于1.1倍的船長(zhǎng)。距艏部1/5船長(zhǎng)處17號(hào)剖面上,不同浪向的波浪剪力響應(yīng)幅值見圖6。在17號(hào)剖面上,波浪剪力的最大值也出現(xiàn)在迎浪狀態(tài)下,而且相應(yīng)的波浪周期也為12 s。

        圖5 11號(hào)剖面處波浪彎矩 LC2

        圖6 17號(hào)剖面處波浪剪力 LC2

        穿梭油船在LC2工況下,波浪周期為12 s時(shí),不同浪向下,波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布見圖7。不同浪向下,波浪彎矩的最大值都出現(xiàn)在船舯處,180°頂浪狀態(tài)下的波浪彎矩值明顯高于其他浪向下的值。還可看出在90°橫浪作用下,船體的波浪彎矩值最小。目標(biāo)船在迎浪方向,T為10~14 s的波浪作用下,波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布見圖8。由圖8可知:12 s波浪周期的彎矩值大于其他波浪周期下的結(jié)果。綜上所述,迎浪方向周期為12 s的波浪可導(dǎo)致目標(biāo)船遭受最大的波浪彎矩。

        圖7 波浪彎矩分布圖LC2 T=12 s

        2.3 波浪載荷長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)及與規(guī)范值的比較

        LC2壓載離港工況和LC9滿載到港工況下分別見圖9和圖10,超越概率為10-4時(shí),波浪彎矩長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值沿船長(zhǎng)的分布。兩種裝載工況下,波浪彎矩的最大值都出現(xiàn)在180°頂浪狀態(tài)時(shí),目標(biāo)船的舯部附近。LC2壓載離港裝載工況下,超越概率為10-4的最大波浪彎矩值為1.37×106kNm,LC9滿載到港工況的最大波浪彎矩值為1.78×106kNm。因此,穿梭油船超越概率為10-4的波浪彎矩最大值出現(xiàn)在滿載到港工況。

        圖8 波浪彎矩分布圖LC2 dir=180°

        圖9 LC2波浪彎矩長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值 超越概率10-4

        圖10 LC9 波浪彎矩長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值 超越概率10-4

        LC2壓載離港工況和LC9滿載到港工況下,超越概率為10-8時(shí),波浪彎矩長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值沿船長(zhǎng)的分布見圖11和圖12。LC2壓載離港裝載工況下,超越概率為10-8的最大波浪彎矩值為2.73×106kNm,LC9滿載到港工況的最大波浪彎矩值為3.52×106kNm。目標(biāo)船超越概率為10-8的波浪彎矩最大值也出現(xiàn)在滿載到港工況。

        圖11 LC2 波浪彎矩長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值 超越概率10-8

        FatigueAssessmentofShipStructures(2014)[9]和DNVRulesforClassificationofShips(2016)[10]分別給出舯部處超越概率為10-4和10-8波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算公式。

        中垂波浪彎矩為

        Mwo,s=-0.11frCwL2B(CB+0.7)

        (1)

        中拱波浪彎矩為

        Mwo,s=0.19frCwL2BCB

        (2)

        式(1)和式(2)中:fr為超越概率因子:超越概率為10-8時(shí),其值為1,超載概率為10-4時(shí),其值為0.486;Cw為波浪系數(shù),對(duì)于目標(biāo)船取值為9.824;L為規(guī)范船長(zhǎng);B是型寬;CB為相應(yīng)吃水下的方形系數(shù)。

        波浪彎矩規(guī)范計(jì)算公式僅與L、B和CB相關(guān),沒有考慮船體型線、實(shí)際裝載工況及航行方向等參數(shù)對(duì)船體載荷有影響,其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于大量船舶統(tǒng)計(jì)結(jié)果的回歸平均值。[11]

        不同超越概率下,目標(biāo)船波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算值與直接計(jì)算值的對(duì)比見表5。由于應(yīng)用線性計(jì)算方法,WASIM計(jì)算的中拱與中垂波浪彎矩都是一樣的??砂l(fā)現(xiàn)在兩種不同的超越概率下,規(guī)范計(jì)算值遠(yuǎn)小于直接計(jì)算值。概率水平為10-4時(shí),中垂波浪彎矩的規(guī)范值是直接計(jì)算結(jié)果的66%;概率水平為10-8時(shí),中垂波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算結(jié)果是計(jì)算值的69%。由此可見,波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算結(jié)果不能直接作為穿梭油船的波浪載荷設(shè)計(jì)值。

        表5 波浪彎矩的規(guī)范值與直接計(jì)算值

        4 結(jié)束語

        1) 穿梭油船在迎浪狀態(tài)下的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)都大于隨浪狀態(tài)下的值。這一現(xiàn)象導(dǎo)致了穿梭油船在迎浪狀態(tài)下的波浪彎矩大于隨浪的結(jié)果。

        2) 穿梭油船動(dòng)態(tài)波浪載荷最大值出現(xiàn)在與船長(zhǎng)同尺度的波浪環(huán)境下。在頂浪方向1.1倍船長(zhǎng)的波浪作用下,目標(biāo)船的波浪彎矩出現(xiàn)最大值響應(yīng)值。

        3) 對(duì)于穿梭油船,規(guī)范公式得到的波浪彎矩遠(yuǎn)小于水動(dòng)力計(jì)算值。應(yīng)采用直接計(jì)算法來預(yù)報(bào)穿梭油船的波浪載荷。如果在前期輸入條件不足的情況下采用規(guī)范計(jì)算值時(shí),建議乘以1.5的安全系數(shù)。

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