秦成 懷利敏 史淑玲

摘要：隨著海洋裝備技術(shù)的發(fā)展，海上大型結(jié)構(gòu)物的海上作業(yè)和運輸任務(wù)越來越多。在此背景下，大型結(jié)構(gòu)件、大型平臺模塊以及一些大型艦船的運輸需求越來越多，大量的半潛船應(yīng)運而生。在半潛船研發(fā)中，其水動力性能的研究至關(guān)重要。本文采用水動力計算軟件AQWA進(jìn)行某半潛船水動力性能仿真分析，計算結(jié)果表明：在常見波浪周期內(nèi)，水動力系數(shù)波動較大并出現(xiàn)波峰/波谷;頂浪狀態(tài)下運輸船的運動響應(yīng)數(shù)值相對偏小;橫浪作用時半潛船的系泊張力最大。

關(guān)鍵詞：AOWA;半潛船;水動力性能

中圖分類號：U662.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 概述

1.1 半潛船的基本概念

近年來，隨著海洋裝備技術(shù)的發(fā)展，人類針對海洋資源的開發(fā)逐步走向深藍(lán)，海上大型結(jié)構(gòu)物的海上作業(yè)和運輸任務(wù)越來越多。在此背景下，大型結(jié)構(gòu)件、大型平臺模塊以及一些大型艦船的運輸需求越來越多，由此產(chǎn)生出了大量的半潛船。半潛船也叫半潛式母船，主要用于運送貨物超長、超重而又不能進(jìn)行分割吊裝及運輸?shù)拇笮秃＿\船舶。

半潛船一般具有較大面積開敞露天甲板用于載貨，在裝卸貨作業(yè)過程中通過調(diào)整白身壓載水量實現(xiàn)船體的下潛，裝載完成后排除壓載水浮出水面正常航行。

半潛船按是否帶有動力系統(tǒng)，主要分為白航式和非白航式兩種類型;非白航式半潛船一般由拖船拖帶，在近海作業(yè);白航式半潛船主要在遠(yuǎn)洋航行，用于大型構(gòu)件運輸。上世紀(jì)半潛船主要在荷蘭發(fā)展，進(jìn)入本世紀(jì)后，中國開始建造大批量半潛船，其中比較典型的有“泰安口”號、 “康盛口”號。

半潛船主要有以下特點：一是載貨甲板寬大平直，除首、尾樓外，整個船體中部為平直甲板，且橫向全貫通，有效載貨面積大;二是載重量較大，通常凈載重能力為3-10萬DWT;三是浮態(tài)可調(diào)性好，通過調(diào)節(jié)壓載水量，可以像潛艇一樣下沉與上浮，甲板面可下潛至水面以下30 m;四是主甲板承載能力強(qiáng)，可承運各種重型裝備;五是適航性好，可具有白航能力，航速一般在12 kn以上且適合遠(yuǎn)海航區(qū)[3][4]。

海洋鉆井平臺等特大件貨物，通常不可分割且大多數(shù)形狀不規(guī)則，對半潛船運輸大件貨物時的穩(wěn)性帶來不利影響，在運輸安裝過程中易受風(fēng)浪流影響，甚至發(fā)生翻沉事故[5-10]。為了確保半潛船在惡劣的海洋環(huán)境中的安全運輸、正常作業(yè)，減少生命和財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失，有必要對半潛船在風(fēng)浪流等外力作用下的水動力性能進(jìn)行仿真分析。

1.2 水動力學(xué)軟件AQWA

AQWA軟件是由ANSYS公司研發(fā)的船舶與海洋工程集成模塊軟件，主要用于求解各種海上浮式結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、流等復(fù)雜海洋環(huán)境下的水動力特性和及其運動響應(yīng)，包括系泊定位、海上安全作業(yè)、航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題。常用的AQWA軟件主要有AQWA-LINE、AQWA-LIBRIUM、AQWA-FER、AQWA-DRIFT、AQWA-NAUT等：AQWA-LINE主要用于求解浮體結(jié)構(gòu)在規(guī)則波中的響應(yīng)問題，可計算任意形狀浮體結(jié)構(gòu)周圍的波浪力;AQWA-LIBRIUM用于計算錨鏈線張力及其靜動穩(wěn)定特性;AQWA-FER用于計算隨機(jī)波下浮體的載荷和運動響應(yīng)的平均和有義值;AQWA-DRIFT用于計算隨機(jī)波浪環(huán)境下多體載荷和運動的時間歷程;AQWA-NAUT主要計算特定波浪下的響應(yīng)，可進(jìn)行耦合/非耦合/半耦合分析。

本文采用AQWA水動力學(xué)仿真軟件，對風(fēng)浪流作用下某半潛船的水動力學(xué)特性及系泊特性進(jìn)行仿真分析。

2 某半潛船的水動力學(xué)建模

2.1 三維模型構(gòu)建

本文以我國“泰安口”號半潛船為研究對象，其主要參數(shù)見表1。

根據(jù)“泰安口”號半潛船的船體尺寸，采用ANSYS軟件建立某三維模型，如圖1所示。

2.2 海洋環(huán)境條件設(shè)定

仿真計算的環(huán)境工況設(shè)定為：波浪選用JONSWAP譜，風(fēng)選用NPD譜;風(fēng)向與浪向一致;流的方向與風(fēng)向和浪向一致。根據(jù)半潛船作業(yè)條件，確定其海洋環(huán)境條件為3級海況，具體參數(shù)見表2。

2.3 系泊纜參數(shù)設(shè)定

半潛船共有4根纜索，呈對稱布置，纜索長度為500 m，纜索與水平夾角為45°。具體參數(shù)見表3。

2.4 仿真流程

將構(gòu)建的半潛船的三維模型導(dǎo)入到AQWA軟件中，根據(jù)上述海洋環(huán)境和系泊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定仿真邊界條件，從而建立半潛船的水動力學(xué)模型，如圖2所示：

（1）先利用AQWA軟件進(jìn)行頻域分析，計算得到半潛船的水動力系數(shù);

（2）接著進(jìn)行不同海洋環(huán)境條件的時域仿真，分別模擬風(fēng)浪流同向下斜浪、橫浪、迎浪下三種典型工況，仿真得到每種工況下的半潛船運動響應(yīng)及系泊力結(jié)果，并進(jìn)行對比分析不同裝載工況、不同潮位和風(fēng)浪流的組合工況。

3 仿真計算結(jié)果分析

3.1 水動力學(xué)參數(shù)特性分析

本文主要計算了半潛船在規(guī)則波中的附加阻尼和波浪力等水動力學(xué)參數(shù)：縱蕩附加阻尼和波浪力，如圖3～圖4所示;橫蕩附加阻尼和波浪力，如圖5～圖6所示;垂蕩附加阻尼和波浪力，如圖7-圖8所示。

由圖3-8可見：波浪周期在5-10 s時，半潛船的水動力系數(shù)的波動較大，并出現(xiàn)波峰/波谷位置;對比半潛船的各搖擺運動的水動力系數(shù)：垂蕩搖擺運動的水動力系數(shù)最大，縱蕩搖擺運動的水動力系數(shù)最小，橫蕩搖擺運動的水動力系數(shù)介于中間。

3.2 運動響應(yīng)仿真分析

當(dāng)風(fēng)、浪、流等外力同向時，各外力合力作用下半潛船將產(chǎn)生較大的運動響應(yīng)。本文的計算假定風(fēng)、浪、流同向，并分別以與坐標(biāo)成180°（頂浪）、90°（橫浪）、45°（斜浪）三個外力作用角度進(jìn)行計算分析，模擬計算時間為3h：

（1） 180°（頂浪）條件下半潛船搖擺響應(yīng)如圖9-10所示。

由圖9-10可知：在180°（頂浪）條件下，半潛船縱蕩運動幅度最大約為4.72 m，縱搖運動最大幅度約為0.291°;

（2） 90°（橫浪）條件下半潛船搖擺響應(yīng)，如圖11-12所示。

由圖11-12可知：在90°（橫浪）條件下，半潛船橫蕩/橫搖運動非常劇烈，橫蕩運動幅度達(dá)到26.35 m，橫搖運動幅度達(dá)到9.818°，給半潛船帶來嚴(yán)重的安全隱患;

（3） 45°（斜浪）條件下半潛船搖擺響應(yīng)，如圖13-14所示。

由圖13-14可知：在45。（斜浪）條件下，半潛船的垂蕩運動幅度最大達(dá)到0.495 m，首搖運動幅度最大達(dá)到2.848°。

在各種外力作用角度下，半潛船的搖擺幅度響應(yīng)極值，如表4所示。

由表4可見：不同外力作用角度條件下，半潛船的搖擺響應(yīng)極值為：180°（頂浪）條件下，搖擺響應(yīng)值普遍為最小值（縱蕩除外）;90°（橫浪）條件下，橫蕩、橫搖和首搖的搖擺響應(yīng)幅值最大;45°（斜浪）條件下，縱蕩、縱搖和垂蕩的搖擺響應(yīng)幅值最大。

對比不同外力作用角度條件下，半潛船的搖擺響應(yīng)相對幅值為：180°（頂浪）條件下，搖擺響應(yīng)幅值相對較大的是縱蕩和縱搖;90°（橫浪）條件下，船搖擺響應(yīng)幅值相對較大的是橫蕩與橫搖運動;45°（斜浪）條件下，搖擺響應(yīng)幅值相對較大的是垂蕩與首搖。

3.3 系泊力仿真分析

當(dāng)風(fēng)、浪、流同向時，半潛船系泊系統(tǒng)上將產(chǎn)生較大的系泊力。本文假定風(fēng)、浪、流同向，并分別以與坐標(biāo)成180°，90°，45°三個方向進(jìn)行計算，模擬計算時間為3h，計算系泊力的最大值和平均值，計算結(jié)果見表5。

由表5可見：90°（橫浪）條件下，系泊系統(tǒng)的系泊力最大，主要由No.3和No.4系泊纜來分擔(dān)。其中NO.3系泊纜的系泊力最大，達(dá)到23.6 t，系泊纜的安全系數(shù)小于2，安全冗余量偏小。

4 結(jié)論

（1）波浪周期在5-10 s時，半潛船的水動力系數(shù)的波動較大，并出現(xiàn)波峰/波谷位置：垂蕩運動的水動力系數(shù)最大，縱蕩運動的水動力系數(shù)最小，橫蕩運動的水動力系數(shù)介于中間;

（2） 180°（頂浪）條件下，半潛船的搖擺響應(yīng)幅值普遍為最小值（縱蕩除外）;90°（橫浪）條件下，搖擺響應(yīng)幅值相對較大的是橫蕩與橫搖運動;45°（斜浪）條件下，搖擺響應(yīng)幅值相對較大的是垂蕩與首搖;

（3） 90°（橫浪）條件下，半潛船的系泊纜張力最大，需要對系泊纜的安全冗余進(jìn)行校核。

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