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        波浪參數(shù)對(duì)起重船
        ——吊物系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響

        2022-07-01 17:47:24孫雷林美鴻中交四航工程研究院有限公司
        珠江水運(yùn) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        孫雷 林美鴻 中交四航工程研究院有限公司

        1.引言

        正確認(rèn)識(shí)影響船舶作業(yè)安全的主要因素,是保證船舶作業(yè)安全的重要前提。由于起重船裝載的特殊性要求,在極短的時(shí)間內(nèi)起吊數(shù)千噸重物,排水量急劇增加;由于吊物的重心要算在吊鉤以上的上滑輪心軸上,該點(diǎn)距水面數(shù)十米、甚至上百米,使全船的重心瞬間提高,對(duì)船舶穩(wěn)性極其不利;吊物的重量與吊幅的乘積產(chǎn)生巨大的傾覆力矩,對(duì)起重船的浮態(tài)產(chǎn)生很大影響,其靜橫傾角可能達(dá)到7°~8°,甚至更大。因此,施工海域的波浪參數(shù)對(duì)起重船動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析,對(duì)保證起重船海上作業(yè)安全具有重要意義。

        隨著船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法的完善及模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,船舶在波浪中的動(dòng)穩(wěn)性也逐漸受到學(xué)界和工程界的關(guān)注,對(duì)波浪作用下起重船-吊裝系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)開展了大量的研究。Schellin等建立了八自由度模型起重船動(dòng)力學(xué)模型,研究波浪作用下船體的動(dòng)力學(xué)問題。Chin等用多尺度方法分析吊索吊重的動(dòng)力系統(tǒng),結(jié)果表明兩倍于固有頻率的激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致突發(fā)的跳動(dòng)作為吊索回卷的反應(yīng)。王學(xué)亮應(yīng)用切片理論完成了對(duì)起重船的水動(dòng)力系數(shù)分析,分別計(jì)算了起重船在規(guī)則波和隨機(jī)波上航行和作業(yè)的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng),并考慮了起重船作業(yè)時(shí)的定位錨鋼纜系統(tǒng)和起吊重物對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。任會(huì)禮等基于二維平面鐘擺模型,對(duì)起重船吊臂柔性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響進(jìn)行了分析。夏益美等基于穩(wěn)性計(jì)算原理,分析了仿真系統(tǒng)并建立了浮態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型;基于沖擊外力矩下的船舶橫搖數(shù)學(xué)模型,對(duì)起重船作業(yè)過程中的浮態(tài)、穩(wěn)性和重物跌落后的船舶橫搖角進(jìn)行了計(jì)算。汪娟娟利用MOSES軟件對(duì)船與吊重的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,分析了系泊纜預(yù)張力、吊繩長(zhǎng)度、吊重、吊距等要素對(duì)吊物及船體運(yùn)動(dòng)的影響。趙景浩采用水下運(yùn)載體六自由度方程建立吊裝物模型,析了深水吊放系統(tǒng)中安裝母船、纜繩及吊物的動(dòng)力響應(yīng),獲得了纜繩切向無阻尼動(dòng)態(tài)張力的近似解析解和切向無阻尼然頻率的表達(dá)式。董達(dá)善等基于多體動(dòng)力學(xué)建立了剛?cè)狁詈细〉踝鳂I(yè)的虛擬樣機(jī)模型,獲得得出浮吊在海上補(bǔ)給作業(yè)的相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性。

        目前國內(nèi)外對(duì)于起重船的作業(yè)安全的研究主要聚焦于作業(yè)耐波性能研究、水動(dòng)力耦合定位性能分析、穩(wěn)性分析等。本研究擬對(duì)起重船—吊物系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力建模,分析起重船——吊物耦合系統(tǒng)在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),并分析波高、波周期和遭遇角等波浪參數(shù)對(duì)起重船-吊物系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

        2.勢(shì)流理論

        在不可壓縮的理想流體中,無旋場(chǎng)中的速度勢(shì)應(yīng)滿足拉普拉斯方程:

        勢(shì)函數(shù)分為入射勢(shì)、衍射勢(shì)和散射勢(shì),具體的效應(yīng)產(chǎn)生的力可由對(duì)應(yīng)波勢(shì)進(jìn)行計(jì)算。作用在浮體上的波浪力認(rèn)為是波浪激發(fā)的力,通常可以分為兩部分:波浪主干擾力和繞射力;浮體的運(yùn)動(dòng)使得流體作用在浮體上產(chǎn)生輻射波應(yīng)力,這些力用附加質(zhì)量和波浪阻尼系數(shù)來表示。

        考慮衍射輻射的一階波浪力的勢(shì)函數(shù)可寫為:

        式中,φ為入射波勢(shì);φ為衍射波勢(shì);φ為j自由度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波勢(shì);x為j自由度運(yùn)動(dòng);ω為入射波頻率。

        無擾動(dòng)三維入射波勢(shì)可以表示為:

        式中,d為水深;k為波數(shù);θ為波浪入射角(與x軸夾角)。

        當(dāng)勢(shì)函數(shù)求解出來后,一階水動(dòng)壓力分布可根據(jù)線性伯努利方程求解:

        根據(jù)壓力分布,各種流體力可以通過對(duì)壓力在濕表面的積分得到一階波浪力:

        式中,F(xiàn)為j自由度運(yùn)動(dòng)激發(fā)的力;n為表面法向量;S為浮體濕表面。

        波浪對(duì)浮體產(chǎn)生的力(入射力)可表示為下面兩部分:

        由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射力可表示為:

        獲得浮體在頻域下的一階運(yùn)動(dòng)方程,即浮體在波浪下的的運(yùn)動(dòng)響應(yīng):

        其中,M(s)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣;M(a)為附加質(zhì)量矩陣;C為系統(tǒng)線性阻尼矩陣;K(s)為系統(tǒng)總剛度矩陣;F為單位波高時(shí)系統(tǒng)所受的波浪力;X為幅值響應(yīng)算子。

        3.耦合系統(tǒng)的水動(dòng)力建模

        ANSYS AQWA基于三維勢(shì)流理論而開發(fā),由于僅在結(jié)構(gòu)與水體的接觸面進(jìn)行離散,計(jì)算總未知數(shù)相對(duì)較少,求解效率很高,并考慮了鄰近浮體的流體動(dòng)力學(xué)相互作用??煽紤]包括風(fēng)、浪、流、纜索拖曳等各種荷載的綜合作用,可以對(duì)各種施工工況進(jìn)行組合,更適用于工程計(jì)算。

        3.1 模型參數(shù)

        起重船的主要參數(shù)見表1;系統(tǒng)系泊選用四點(diǎn)八字系泊,系泊纜與船長(zhǎng)方向呈30°。

        表1 起重船的主要參數(shù)表

        3.2 水動(dòng)力建模

        使用AQWA軟件,建立起重船主船體的三維的模型,依次建立其上層建筑和臂架等結(jié)構(gòu)。以水線面為界,將其分成上下兩個(gè)部分,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立起重船水動(dòng)力模型。以一長(zhǎng)方體模擬實(shí)際吊物,賦予其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理屬性,通過四根吊纜將其與臂架相連,使用線性纜索單元模擬吊纜,起重船-吊物耦合系統(tǒng)水動(dòng)力模型如圖1和圖2所示。

        圖1 起重船-吊物耦合系統(tǒng)水動(dòng)力模型

        圖2 起重船的系泊建模

        4.數(shù)值分析及驗(yàn)證

        4.1 數(shù)值求解

        在AQWA中設(shè)置外部環(huán)境的水深20m、海水密度1025kg/m、重力加速度為9.806m/s,以及水動(dòng)力模型的質(zhì)心、質(zhì)點(diǎn)、慣性半徑,由AQWA自動(dòng)控制計(jì)算水動(dòng)力模型的重量和慣性質(zhì)量。取波浪周期分別為5s~20s(共計(jì)16個(gè)周期);波浪遭遇角分別為0°、30°、45°和90°。對(duì)該耦合系統(tǒng)的水動(dòng)力模型進(jìn)行LINE模塊的分析;用JONSWAP譜密度模擬不規(guī)則波,使用DRIFT模塊對(duì)起重船和吊物(箱梁)的耦合模型進(jìn)行時(shí)域下的水動(dòng)力分析,設(shè)置計(jì)算時(shí)間為3200s(迭代步長(zhǎng)為0.04s,總計(jì)算步數(shù)為80000步)。計(jì)算起重船和吊物耦合系統(tǒng)的六自由度運(yùn)動(dòng)。

        4.2 水動(dòng)力計(jì)算和驗(yàn)證

        以波高為1.0m、波浪周期6s的不規(guī)則波,吊物重量1500t,波浪遭遇角為45°,系泊纜的預(yù)張力為170kN的工況作為標(biāo)準(zhǔn)工況。以目標(biāo)吊物作為荷載條件,施工海域環(huán)境為外部邊界條件,研究起重船-吊物系統(tǒng)在海況作用下的姿態(tài)及吊物擺動(dòng)。選取起重船和吊物定常運(yùn)動(dòng)的六自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)作為施工和對(duì)比的時(shí)間窗口(基本是1500s的運(yùn)動(dòng)),獲得起重船和吊物的運(yùn)動(dòng)。起重船和吊物的六自由度運(yùn)動(dòng)能在400s~500s內(nèi)穩(wěn)定到定常運(yùn)動(dòng)。水動(dòng)力計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果表明,起重船的橫搖和縱搖的幅值與姿態(tài)儀實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)相吻合,橫搖的幅值在0.1°范圍內(nèi),縱搖的幅值基本是0.2°-0.3°之間。

        5.波浪參數(shù)對(duì)耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響

        5.1 波高的影響

        分別計(jì)算起重船-吊物系統(tǒng)在波高1.0m、1.5m、2.0m和2.5m工況下起重船和吊物系統(tǒng)的的六自由度運(yùn)動(dòng)。不同波高工況下的起重船和吊物的垂蕩、橫搖和縱搖的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線分別見圖3和圖4。圖3起重船的運(yùn)動(dòng)表明,在周期為6s以內(nèi)的常見波中,隨著波高的增加,起重船運(yùn)動(dòng)的幅值均變大,運(yùn)動(dòng)幅值與波高呈線性關(guān)系;圖4吊物的運(yùn)動(dòng)表明,隨著波高的增加,運(yùn)動(dòng)幅值與波高也呈線性關(guān)系。此外,波高的變化并不影響起重船和吊物的運(yùn)動(dòng)周期。

        圖3 不同波高下起重船運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        圖4 不同波高下吊物的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        5.2 波浪周期的影響

        分別計(jì)算起重船——吊物系統(tǒng)在周期為6s、10s、12s和16s的JONSWAP不規(guī)則波譜中的起重船和吊物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。不同波浪周期下的起重船和吊物垂蕩、橫搖和縱搖時(shí)歷曲線分別見圖5和圖6。圖5起重船的六自由度運(yùn)動(dòng)表明,在周期為6s~16s的范圍內(nèi),隨著波浪周期的增大,起重船的運(yùn)動(dòng)幅值均有不同程度的增大;但是其橫搖和縱搖的運(yùn)動(dòng)的幅值并不是隨著波浪周期的增大呈增函數(shù)的形式,而是在周期10s左右達(dá)到峰值,因?yàn)槠鹬卮?吊物系統(tǒng)的橫搖和縱搖固有周期分別為8.98s和9.67s,起重船在周期10s 左右的波浪中會(huì)發(fā)生諧搖,吊裝作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量避開周期為9s-10s左右波浪。圖6 吊物的運(yùn)動(dòng)表明,除吊物的縱搖運(yùn)動(dòng)以外,吊物的運(yùn)動(dòng)幅值均有不同程度的增大。

        圖5 不同波周期下起重船運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        圖6 不同波周期下吊物的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        5.3 波浪遭遇角的影響

        分別計(jì)算起重船與波浪的遭遇角為0°、30°、45°和90°工況下起重船和吊物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。不同波浪遭遇角工況下的起重船和吊物垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線分別見圖7 和圖8。圖7起重船的運(yùn)動(dòng)表明,起重船的運(yùn)動(dòng)隨著遭遇角的增加而變得劇烈。圖8吊物的運(yùn)動(dòng)表明,在0°~90°的范圍內(nèi),吊物運(yùn)動(dòng)隨著遭遇角的增加而變的更加劇烈;除縱搖外,90°遭遇角時(shí),吊物的運(yùn)動(dòng)幅值是0°時(shí)候的10倍以上。綜合起重船和吊物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受到波浪遭遇角的影響,建議吊裝作業(yè)時(shí),起重船與波浪的遭遇角選為0°或180°。

        圖7 不同遭遇角下起重船運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        圖8 不同遭遇角下吊物的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

        6.結(jié)論

        本文基于水動(dòng)力學(xué)勢(shì)流理論的計(jì)算方法,使用ANSYS AQWA軟件對(duì)起重船——吊物系統(tǒng)進(jìn)行了水動(dòng)力建模,包括起重船、吊物、系泊系統(tǒng)和吊裝系統(tǒng),對(duì)起重船-吊物系統(tǒng)在不規(guī)則波中的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析。對(duì)比分析了波高、波周期和遭遇角等波浪參數(shù)對(duì)起重船-吊物系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響,為起重船吊裝作業(yè)時(shí)海況窗口期的選取和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制提供支撐。獲得主要結(jié)論如下:

        (1)在周圍為6s以內(nèi)的常見波中,隨著波高的增加,起重船的起重船和吊物的運(yùn)動(dòng)與波高呈線性關(guān)系,但對(duì)吊物的縱搖影響不太顯著。

        (2)在周期為6s~16s的范圍內(nèi),隨著波浪周期的增大,起重船和吊物的運(yùn)動(dòng)幅值均有不同程度的增大,但吊物的縱搖運(yùn)動(dòng)除外;起重船橫搖和縱搖固有周期分別為8.98s和9.67,在周期10s的波浪中,起重船橫搖和縱搖響應(yīng)最為劇烈。

        (3)在波浪遭遇角0°~90°的范圍內(nèi),遭遇角對(duì)吊物的縱搖運(yùn)動(dòng)不大,起重船和吊物其他自由度的運(yùn)動(dòng)隨著遭遇角的增加而變的更加劇烈。

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