馮永軍，陳 城，陳新權(quán)，歐陽義平，楊 啟，4

(1.上海交通大學(xué)，海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3.上海交通大學(xué)，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；4.上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海 200231)

對(duì)于絞吸挖泥船，定位設(shè)備在施工作業(yè)能力和船舶安全性方面都有著重要影響。絞吸挖泥船常用定位方式有2種：1)鋼樁臺(tái)車定位，該方式定位精度較高，但作業(yè)水深和土質(zhì)環(huán)境受限；2)此方式相對(duì)鋼樁臺(tái)車定位而言，三纜定位作業(yè)水深范圍更廣，可以在大水深、大風(fēng)浪、各種軟、硬土質(zhì)下實(shí)現(xiàn)船舶定位，但在定位精度方面較鋼樁臺(tái)車方式低。現(xiàn)代大型絞吸挖泥船多配備鋼樁定位系統(tǒng)，但為了擴(kuò)大作業(yè)范圍、適應(yīng)深遠(yuǎn)海作業(yè)需求，一些大型絞吸挖泥船在配備鋼樁臺(tái)車的同時(shí)往往也配備了三纜定位系統(tǒng)，以彌補(bǔ)鋼樁臺(tái)車定位方式的不足，輔助實(shí)現(xiàn)定位作業(yè)、避風(fēng)等操作，如“天麒號(hào)”“天麟號(hào)”“天鯤號(hào)”“新海旭”等均是如此[1-3]。

本文從三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、外部荷載以及纜繩、筒體受力等方面進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)，以期對(duì)絞吸挖泥船三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估提供參考。

1 三纜定位系統(tǒng)組成及工作原理

三纜定位系統(tǒng)主要由定位主體、絞車和定位錨等3個(gè)部分組成[4]。在絞吸挖泥船拖航或航行時(shí)，三纜定位錨回收至絞吸挖泥船的錨架上。通過三纜定位絞車的副卷筒收緊提升鋼絲繩，使三纜定位筒體(及安裝在筒體底部的固定插銷、導(dǎo)向裝置等)沿筒體提升導(dǎo)向裝置，向上提升直至整體高于船體基線為止，并通過固定橫桿及頂部固定結(jié)構(gòu)固定，避免船舶造成不必要的阻力及安全隱患。在絞吸挖泥船抵達(dá)施工區(qū)域之后，抽出固定橫桿，三纜定位絞車的副卷筒釋放提升鋼絲繩，使三纜定位筒體沿導(dǎo)向裝置降落，直至固定插銷插入底部固定平臺(tái)，然后固定橫桿及布置在船體之上的頂部固定結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行拋錨等作業(yè)。

三纜定位主體結(jié)構(gòu)由筒體、頂部導(dǎo)向裝置、頂部固定結(jié)構(gòu)、提升滑輪、底部導(dǎo)向裝置、底部固定插銷、底部固定平臺(tái)、筒體提升導(dǎo)向裝置等共同組成，見圖1。

圖1 三纜定位主體構(gòu)成

三纜定位系統(tǒng)配備3臺(tái)定位絞車，布置在船體甲板上，為定位系統(tǒng)提供維持力及提升所需的起升力。

三纜定位系統(tǒng)配備3只定位錨，每只定位錨配備1根鋼絲繩。鋼絲繩一端固定在定位絞車的卷筒墻板上，在絞車卷筒繞一定的圈數(shù)后引至三纜定位主體的頂部導(dǎo)向裝置，之后向下穿過筒體，并經(jīng)底部導(dǎo)向裝置引出，最后與定位錨連接。在施工時(shí)定位錨延伸至對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)呈放射狀拋設(shè)，其中1只錨沿船長方向向船尾拋設(shè)，其他2只錨分別向船首左右兩舷拋設(shè)，相互之間夾角在120°左右。

工作狀態(tài)下，3臺(tái)絞車分別收緊鋼絲繩，可以確定唯一的點(diǎn)，即筒體中心線的位置，從而實(shí)現(xiàn)船體定位。當(dāng)挖泥船需要向前移位時(shí)，連接船長方向定位錨的定位絞車放松鋼絲繩，而左右兩舷定位錨的定位絞車收緊鋼絲繩，同時(shí)船首橫移絞車的鋼絲繩也適當(dāng)收緊，從而實(shí)現(xiàn)船體向前移位。

2 三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)模型

首先要確認(rèn)絞吸挖泥船船體在挖泥作業(yè)和避風(fēng)工況所承受的外部荷載，并在此基礎(chǔ)上，選擇滿足拉力要求的纜繩(以及相應(yīng)的定位錨、定位絞車等)，并根據(jù)纜繩和受力進(jìn)行三纜定位主體及相關(guān)固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

以某絞吸挖泥船為例，對(duì)其在挖泥作業(yè)和避風(fēng)兩種工況下三纜定位的纜繩張力進(jìn)行計(jì)算，通過分析得出相應(yīng)規(guī)律，供三纜定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。挖泥船主尺度為：船體長98 m、寬20.3 m、型深6.6 m，設(shè)計(jì)挖泥吃水4.8 m。

為了計(jì)算該絞吸挖泥船各種計(jì)算工況下的外荷載，首先根據(jù)其型線圖建立船體濕表面模型(圖2)，在Ansys軟件的AQWA模塊中進(jìn)行頻域分析，得到船體受到的波浪荷載；根據(jù)風(fēng)速、流速情況，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到作用在船體上的風(fēng)、流荷載；結(jié)合絞刀作業(yè)工況，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到絞刀荷載[5]。

圖2 絞吸挖泥船濕表面模型

2.2 計(jì)算工況選取

三纜定位系統(tǒng)所適用的工況主要有挖泥作業(yè)工況和避風(fēng)工況。

挖泥作業(yè)工況下，絞吸挖泥船尾部依靠三纜系統(tǒng)定位，船首部依靠兩根橫移纜拉動(dòng)橋架、絞刀擺動(dòng)進(jìn)行挖泥作業(yè)。此時(shí)挖泥船頂浪作業(yè)，在180°荷載方向下對(duì)挖泥船的纜繩張力進(jìn)行計(jì)算，具體布置及荷載情況見圖3a)。具體計(jì)算中，假定風(fēng)、浪、流同向。

此外，挖泥作業(yè)過程中，絞刀會(huì)分別向左舷和右舷方向產(chǎn)生約30°的擺角，相應(yīng)外荷載的方向?qū)㈦S之產(chǎn)生變化。本文以180°荷載方向下的挖泥工況為例進(jìn)行相關(guān)介紹，其他工況計(jì)算過程與之類似，可以參照進(jìn)行。

避風(fēng)工況下，挖泥船順浪定位，船首部橫移纜繩不工作，僅依靠船尾三纜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶定位，在0°荷載方向?qū)ν谀啻睦|繩張力進(jìn)行計(jì)算，見圖3b)。

注：①～⑤分別為左側(cè)邊纜、艉纜、右側(cè)邊纜、左側(cè)橫移纜、右側(cè)橫移纜；箭頭方向表示計(jì)算浪向范圍。

2.3 外部荷載計(jì)算

絞吸挖泥船所承受的外部荷載主要有風(fēng)、流、波浪荷載，以及作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的絞刀荷載(避風(fēng)工況時(shí)為零)。系泊浮體在波浪上的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程可以表達(dá)為[6]：

F1w(t)+F2w(t)+FWI+FCU+FMR+FC

(1)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，波浪荷載可以根據(jù)選定波浪類型和設(shè)置的波浪參數(shù)由軟件計(jì)算得出，風(fēng)、流、絞刀荷載均由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。

2.4 纜繩張力分析

2.4.1頂風(fēng)作業(yè)工況

三纜定位系統(tǒng)屬于錨泊定位范疇，因此纜繩張力是體現(xiàn)定位能力的重要標(biāo)志，在所需纜繩張力超出現(xiàn)有定位系統(tǒng)的張力極限時(shí)，定位系統(tǒng)失效。分別對(duì)頂風(fēng)作業(yè)和避風(fēng)工況下的纜繩張力進(jìn)行計(jì)算與分析。計(jì)算所得的頂風(fēng)作業(yè)工況下不同波高和波浪周期對(duì)應(yīng)各纜繩張力見表1。

表1 頂風(fēng)作業(yè)工況纜繩張力

由表1可見，在波周期較小時(shí)，纜繩②⑤會(huì)出現(xiàn)持續(xù)松弛的現(xiàn)象(張力為零)。波周期較大時(shí)，纜繩松弛現(xiàn)象消失；且①②③的三纜張力明顯高于橫移纜④⑤，某些海況下三纜最大張力可為橫移纜最大張力的2倍，是限制定位能力的主要因素；波周期較小時(shí)，不考慮纜繩②⑤的松弛，剩余3根纜張力水平接近。可見，頂浪作業(yè)時(shí)，決定纜繩張力情況是否滿足安全要求的主要為三纜鋼絲繩，工程實(shí)際中可以從材料選擇上提高三纜鋼絲繩張力極限，進(jìn)而提高定位能力。

此外，對(duì)5根纜繩張力變化情況對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，所有纜繩變化規(guī)律基本一致，即纜繩張力隨風(fēng)速增大而增大，并且波高越大，則風(fēng)速的影響越顯著。

2.4.2避風(fēng)工況

計(jì)算所得的避風(fēng)工況下不同波高和波浪周期對(duì)應(yīng)各纜繩張力見表2。

表2 避風(fēng)工況纜繩張力

由表2可見，三纜在避風(fēng)工況、0°荷載方向時(shí)沒有出現(xiàn)纜繩松弛的現(xiàn)象；纜繩②張力高于纜繩①③ 2倍左右，限制了船舶定位能力，由于張緊式系泊的纜繩張力與纜繩長度密切相關(guān)，所以在艉向荷載時(shí)，可以考慮對(duì)艉纜加長等操作提高船舶定位能力。

此外，3根纜繩張力隨環(huán)境因素變化的規(guī)律極為一致，即纜繩張力隨風(fēng)速增大而增大；纜繩張力隨波高增大而增大；纜繩張力隨波周期增長而增大，周期15 s附近，纜繩張力出現(xiàn)極大值。

2.4.3纜繩選取

纜繩的選取需要綜合考慮多種因素：絞吸挖泥船的施工作業(yè)、避風(fēng)工況要求、纜繩對(duì)三纜定位系統(tǒng)及絞車規(guī)格的影響等。纜繩張力過大，必然引起三纜定位系統(tǒng)的構(gòu)件尺寸及質(zhì)量加大，相應(yīng)三纜定位絞車的能力、尺寸、質(zhì)量也需要增大，在船上所需的布置空間、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等會(huì)發(fā)生變化，甚至?xí)绊懺械目偛贾?，可見纜繩的選取是一個(gè)綜合、平衡的過程。

因此，在進(jìn)行三纜系統(tǒng)纜繩選取之前，首先要明確本船的施工作業(yè)、避風(fēng)工況的極限要求，超過此要求將移船規(guī)避。根據(jù)此極限工況下所需的纜繩張力，在考慮一定安全系數(shù)的基礎(chǔ)上選定纜繩規(guī)格，并根據(jù)拋錨距離確定纜繩的長度。纜繩的規(guī)格反映和決定了絞吸挖泥船的定位能力。

2.5 筒體結(jié)構(gòu)受力分析

2.5.1結(jié)構(gòu)有限元建模

三纜定位系統(tǒng)的纜繩張力最后作用在系統(tǒng)及定位絞車上。定位絞車可根據(jù)纜繩拉力、直徑、繩長等規(guī)格進(jìn)行選型。作為特種作業(yè)設(shè)備的三纜定位系統(tǒng)則須進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)功能性要求的前提之下，整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)。因此，針對(duì)絞吸挖泥船及其所需的三纜定位系統(tǒng)纜繩張力，進(jìn)行了三纜定位系統(tǒng)的有限元建模與計(jì)算。一般而言，三纜定位的設(shè)計(jì)前提是在纜繩斷裂的情況下，三纜定位系統(tǒng)及絞車、船體等仍是安全狀態(tài)。因此，計(jì)算過程中施加的纜繩拉力為破斷荷載。

三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代的過程，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步完成三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行有限元建模，對(duì)其關(guān)鍵部位和構(gòu)件進(jìn)行受力計(jì)算和校核之后，相應(yīng)修改設(shè)計(jì)，并根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)重新建模計(jì)算，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。下面以某種荷載下三纜定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算的迭代過程為例，對(duì)三纜定位系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面有關(guān)的設(shè)計(jì)加以介紹。

三纜定位筒體的有限元模型見圖4。坐標(biāo)系oxyz的x正向朝船首，y正向朝左舷，z正向垂直朝上。

圖4 三纜定位筒體有限元模型

2.5.2邊界約束及荷載施加

三纜定位主體主要由船上的頂部和底部固定裝置固定。在具體計(jì)算過程中，筒體頂部被“抱住”部分施加x和y向約束；筒體底部由兩個(gè)固定插銷x和y向約束；連接固定插銷的水平板為z向約束，如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

進(jìn)行加載計(jì)算分析時(shí)，底部滑輪所受水平荷載通過多點(diǎn)約束傳遞至固定滑輪的兩個(gè)軸孔，垂向荷載通過多點(diǎn)約束施加于固定滑輪的頂部軸孔。頂部滑輪的荷載通過多點(diǎn)約束傳遞至固定滑輪的耳板上。

2.5.3結(jié)構(gòu)受力計(jì)算和結(jié)果分析

三纜定位筒體受力有多種可能工況，從纜繩數(shù)量角度可以分為承受1、2或3根纜繩拉力，而每種數(shù)量纜繩作用下，隨著絞刀頭的擺動(dòng)尚有風(fēng)浪流作用角度的區(qū)別，本文選取兩種典型的受力工況進(jìn)行計(jì)算和分析，其他受力情況下過程與之類似。

受力工況1為船尾部單根纜繩水平拉力達(dá)到破斷荷載，方向沿x負(fù)向；此時(shí)為絞刀頂浪工作。三纜定位筒體的受力工況1見圖6，主要受力部位應(yīng)力云圖見圖7。

圖6 三纜定位筒體受力工況1

圖7 受力工況1主要受力部位應(yīng)力云圖

受力工況2為船尾部單根纜繩水平拉力達(dá)到破斷荷載，方向與x負(fù)向呈30°夾角，此時(shí)為絞刀擺至30°狀態(tài)斜浪作業(yè)。三纜定位筒體的受力工況2見圖8，主要受力部位應(yīng)力云圖見圖9。

圖8 三纜定位筒體受力工況2

圖9 受力工況2主要受力部位應(yīng)力云圖

綜合2種受力工況可知：1)各種工況下筒體本身的應(yīng)力水平比較低，但筒體固定結(jié)構(gòu)以及頂部導(dǎo)向裝置部分的滑輪固定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大。2)船體轉(zhuǎn)動(dòng)30°后，纜繩拉力不經(jīng)過筒體中心，導(dǎo)致底部導(dǎo)向滑輪支撐裝置的中間支柱承受額外扭矩，應(yīng)力相應(yīng)變大。這些部位在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)考慮與加強(qiáng)。

3 結(jié)論

1)在挖泥作業(yè)工況和避風(fēng)工況下，纜繩變化規(guī)律基本一致，即纜繩張力隨風(fēng)速增大而增大，并且波高越大，則風(fēng)速的影響越顯著。

2)在同等風(fēng)浪條件下，處于挖泥作業(yè)工況和避風(fēng)工況的三纜定位系統(tǒng)纜繩張力區(qū)別較大，設(shè)計(jì)過程中要綜合兩個(gè)工況進(jìn)行考慮。

3)在三纜定位筒體及相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)過程中，除了考慮其功能性的實(shí)現(xiàn)外，還應(yīng)根據(jù)不同部位的受力特點(diǎn)，對(duì)于底部固定裝置、底部導(dǎo)向滑輪支撐裝置肘板、中間支柱和頂部固定裝置等受力較大部位進(jìn)行特殊考慮與重點(diǎn)加強(qiáng)。