基于MOSES軟件的挖溝機(jī)工程船錨泊分析

馬洪新，王 磊，劉 坤，戴 源，李海鯨，曹 宇

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.浙江大學(xué)，杭州 310058）

基于MOSES軟件的挖溝機(jī)工程船錨泊分析

馬洪新1，王 磊1，劉 坤1，戴 源1，李海鯨1，曹 宇2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.浙江大學(xué)，杭州 310058）

海底管道挖溝埋設(shè)是提高海底管道在位穩(wěn)定性及對管道進(jìn)行保護(hù)的重要措施，為保證挖溝作業(yè)過程中的安全性，施工前需對工程船的錨泊情況進(jìn)行分析。應(yīng)用MOSES軟件對挖溝機(jī)工程船進(jìn)行了典型工況的錨泊計算，闡述了應(yīng)用MOSES軟件進(jìn)行錨泊計算的基本方法。并進(jìn)一步對波浪參數(shù)、錨泊參數(shù)及船舶慣性半徑等參數(shù)的變化對錨泊系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析，得到影響曲線，總結(jié)出若干規(guī)律，對類似工程船的錨泊布置有一定指導(dǎo)意義。

錨泊；MOSES；挖溝機(jī)工程船

0 引言

在海底管道后挖溝作業(yè)過程中，載有挖溝機(jī)的工程船需沿海底管線移動，雖有自航能力，但相對于挖溝作業(yè)需求來說，工程船航速過快，不易控制，且穩(wěn)定性不能保證。為此，在管道挖溝作業(yè)過程中，需要通過錨泊對工程船進(jìn)行定位，并通過錨纜的拖拽實現(xiàn)工程船的緩慢移動。因此，在施工之前，需要對船舶的錨泊情況進(jìn)行分析，以保證施工過程安全。

船舶的錨泊分析是一個耦合分析的過程，既包括流體作用于船舶的水動力，又包括船舶移動導(dǎo)致的不斷變化的系泊力[1]。不同于其他海洋船舶的系泊，挖溝機(jī)工程船對在位穩(wěn)定性要求很高，而且在挖溝作業(yè)過程中，工程船的移動會導(dǎo)致錨泊狀態(tài)的變化。在施工運動過程中，由于船舶的運動緩慢[2]，可近似認(rèn)為每一個狀態(tài)均為穩(wěn)定狀態(tài)，即假設(shè)速度為零，這種假設(shè)可以極大簡化數(shù)值模擬的難度，同時也不會產(chǎn)生較大的計算誤差，文中計算均在此靜態(tài)假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1 錨泊計算流程

MOSES軟件是Ultramarine公司開發(fā)的用于海洋浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的商業(yè)軟件。從20世紀(jì)70年代軟件產(chǎn)品發(fā)布以來，很多深海結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計、制造以及施工安裝等專業(yè)的工程師們就開始使用MOSES軟件[3]。進(jìn)行浮體的錨泊分析是MOSES軟件的一項基本功能[4]，其分析流程如下。

首先，對所分析的船舶建模，包括船舶外形尺寸，以及船舶的質(zhì)量信息，如重量重心，沿各軸的慣性半徑。船舶的模型信息在模型文件（.dat文件）中完成，對于錨纜的模擬在命令文件（.cif文件）中進(jìn)行[5]。在建模過程中，可通過INMODEL命令來讀取模型文件，在軟件界面中觀察模型情況，以便及時修正。

模型文件建立好后，可進(jìn)入命令文件的編寫，錨泊的模擬計算過程均在此完成。首先讀取模型文件，定義船舶的初始浮態(tài)，如吃水、橫傾、縱傾。之后進(jìn)行錨纜的布置，包括導(dǎo)纜孔位置的定義、纜繩屬性及尺寸的定義、錨點的定義。在此過程中有兩種方式定義系泊狀態(tài)，一為直接定義錨點及纜繩長度，軟件根據(jù)設(shè)定值計算錨纜張力；二為設(shè)定錨纜的預(yù)張力，軟件根據(jù)張力進(jìn)行錨點位置及纜繩長度的計算。對于非對稱型錨泊情況，此過程需要不斷調(diào)試來完成，從而實現(xiàn)錨纜的合理布局。

錨纜設(shè)計完成后，即可進(jìn)入到分析計算過程。首先計算該船型的水動力參數(shù)（附加質(zhì)量系數(shù)、線性化阻尼系數(shù)、線性化波頻力），作為后續(xù)計算的基礎(chǔ)。之后設(shè)置環(huán)境參數(shù)（波浪譜、波浪周期、波高、浪向、風(fēng)速、流速），進(jìn)行靜力計算。此過程將環(huán)境載荷靜力化，可對穩(wěn)定狀態(tài)的錨纜受力情況進(jìn)行靜力計算，得到船舶的靜平衡狀態(tài)。完成以上計算內(nèi)容后，軟件將對船舶進(jìn)行RAO計算，并進(jìn)行頻譜分析，軟件會根據(jù)指定的頻譜、波頻率等參數(shù)，由規(guī)則波擬合出時域分析波型，得到該不規(guī)則波后即可進(jìn)行時域分析。整個分析過程中，所產(chǎn)生的計算數(shù)據(jù)均可在結(jié)果文件中給出。

2 挖溝機(jī)工程船錨泊計算算例

采用MOSES軟件，對渤海灣某挖溝機(jī)工程船進(jìn)行錨泊計算。考慮到船舶的對稱性，計算針對某一典型錨泊情況，對該船在0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度的浪向下進(jìn)行系泊分析。計算所用船舶及錨纜基礎(chǔ)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 船舶基本參數(shù)表

表2 系泊纜屬性表

在分析過程中選用坐標(biāo)情況如下：船首處坐標(biāo)為（0,0,0），船長方向為X軸，船尾為正；船寬方向為Y軸，右舷為正；船深方向為Z軸，向上為正。錨泊布置情況如圖1所示，采用8錨布置形式，每個錨點連接兩個錨纜，兩個錨纜間夾角為30度，錨纜與局部坐標(biāo)軸的最小夾角均為30度。

圖1 船舶系泊及浪向示意圖

計算中采用環(huán)境參數(shù)如表3所示。

表3 作業(yè)環(huán)境參數(shù)表

對于錨泊分析的計算結(jié)果，主要關(guān)注兩方面的問題：錨纜的系泊力及船體的運動響應(yīng)。前者要求錨纜的拉力在破斷拉力以內(nèi)，且有一定的安全裕度，后者需要船舶在施工過程中有足夠的穩(wěn)定性，即船舶的運動響應(yīng)在施工需要的范圍之內(nèi)。錨纜受力及船舶運動響應(yīng)的計算結(jié)果統(tǒng)計值如表4和表5所示。

計算結(jié)果表明，該系泊狀態(tài)下，所有錨纜均在90度浪向的作用下出現(xiàn)張力最大值，其中l(wèi)ine g的值最大，為166.88噸，此值小于所用錨纜的破斷拉力，認(rèn)為錨纜處于安全狀態(tài)。由船舶運動響應(yīng)計算結(jié)果可得，該船在90度浪向下運動響應(yīng)最明顯，最大橫搖角為5.47度，橫蕩最大位移為1.12米。這是由于該型船舶為細(xì)長型，在90度方向下，波浪流三種載荷的受力面積均達(dá)到最大，而該方向下，船舶自身的回復(fù)力為最小，因此在此方向船舶的橫向運動響應(yīng)明顯。類似的船型均滿足這種規(guī)律，所以，在施工時應(yīng)盡量避免船舶橫向受浪。

表4 錨纜張力最大值計算結(jié)果

表5 船舶運動響應(yīng)最大值計算結(jié)果

3 不同工況下錨泊情況分析

以上介紹了應(yīng)用MOSES軟件進(jìn)行挖溝機(jī)工程船錨泊分析的一般步驟，并對某挖溝機(jī)工程船進(jìn)行了典型錨泊情況分析。另一主要內(nèi)容為研究船舶裝載情況及波浪參數(shù)的變化對錨泊系統(tǒng)的影響，基本方法為，在以上計算的基礎(chǔ)上，變動某一參數(shù)后進(jìn)行錨泊分析，參數(shù)包括有義波高、波浪平均周期、錨纜長度、錨纜預(yù)張力，船舶的慣性半徑。通過以上計算可知，該船舶在90度浪向的情況下錨纜張力最大，運動響應(yīng)最明顯，后文統(tǒng)一選用90度浪向為載荷方向。

3.1 波浪的影響

考慮波浪參數(shù)的變化對船舶系泊的影響，以90度浪向下的錨纜最大張力為衡量指標(biāo)，分析有義波高及波浪平均周期的變化對船舶系泊情況的影響。經(jīng)計算，提取結(jié)果數(shù)據(jù)繪圖如圖2和圖3所示。

由以上兩曲線可直觀得到，隨著有義波高和波浪平均周期的增加，錨纜的最大張力均隨之增長，因此，在施工時應(yīng)避開有義波高及波浪平均周期較大的海況。

3.2 錨泊布置的影響

錨纜長度及錨纜預(yù)張力是錨泊設(shè)計的基本參數(shù)，二者的變化均會導(dǎo)致錨點位置的變化，從而改變錨纜的形狀，對船舶產(chǎn)生不同的約束力。

3.2.1 錨纜長度的影響

考慮錨纜長度的變化對船舶系泊的影響，以90度浪向下的船舶的最大橫向位移為衡量指標(biāo)，分析錨纜長度的變化對船舶系泊情況的影響。經(jīng)計算，提取計算結(jié)果繪制曲線如圖4、圖5和圖6所示。

由圖4可得，隨著錨纜長度的增加，錨纜的最大張力大體呈下降的趨勢。圖5表明，隨錨纜長度增加，船舶的最大橫向位移大體呈增大的趨勢，但是在錨纜長度小于400米時，船舶最大橫向位移與錨纜長度之間沒有明確關(guān)系，在錨纜長度大于此值后，才有明顯的遞增關(guān)系。同樣，圖6也呈現(xiàn)出這種規(guī)律，只有在錨纜大于某一長度（文中約為 340米）時，船舶最大橫搖角隨錨纜長度的增加才呈現(xiàn)遞減規(guī)律；在錨纜長度小于該值時，并沒有明顯的變化規(guī)律。

圖2 錨纜最大張力—有義波高曲線

圖3 錨纜最大張力—波浪平均周期曲線

圖4 錨纜最大張力—錨纜長度曲線

圖5 船舶最大橫向位移—錨纜長度曲線

圖6 船舶最大橫搖角—錨纜長度曲線

綜上可得如下規(guī)律：在錨纜預(yù)張力相同時，錨纜長度越小，錨纜的最大張力越大，但對船舶的平移和搖擺的約束沒有直接影響。當(dāng)錨纜長度大于某一值后，錨纜長度增加對其最大張力影響無明顯規(guī)律，對船舶橫向位移的約束效果減弱，對船舶搖擺的約束增強(qiáng)，但從數(shù)值上來看效果并不明顯。

3.2.2 錨纜預(yù)張力的影響

考慮錨纜預(yù)張力的變化對船舶系泊的影響，以90度浪向下的船舶的最大橫向位移及最大橫搖角為衡量指標(biāo)，分析錨纜預(yù)張力的變化對船舶系泊情況的影響。經(jīng)計算，提取計算結(jié)果繪制曲線如圖7和圖8所示。

圖7 船舶最大橫向位移—錨纜預(yù)張力曲線

圖8 船舶最大橫搖角—錨纜預(yù)張力曲線

由以上兩圖可得，當(dāng)錨纜長度一定，錨纜預(yù)張力增大時，船舶的最大橫向位移逐漸減小，不同的是，當(dāng)預(yù)張力在約30噸以內(nèi)時，減小的效果顯著；預(yù)張力大于此值時，變化不明顯。同樣，在預(yù)張力小于約30噸時，船舶最大橫搖角也隨錨纜預(yù)張力增加顯著減小；大于此值后，船舶的最大橫搖角變化沒有明顯規(guī)律。

3.3 慣性半徑的影響

由以上發(fā)現(xiàn)，錨纜的長度及預(yù)張力的變化均對船舶的橫搖角度沒有較明顯的抑制作用，因此，對船舶的慣性半徑對船舶搖擺的影響進(jìn)行分析。所計算船型的橫搖運動明顯，因此，此處考慮船舶X軸的轉(zhuǎn)動慣性半徑的變化對船舶橫搖的影響。分析時，僅考慮船舶X軸轉(zhuǎn)動慣性半徑的變化，得到曲線如圖9所示。

圖9 船舶最大橫搖角—船舶X軸慣性半徑曲線

由曲線可知，當(dāng)船舶的慣性半徑小于10時，慣性半徑的變化對船舶最大橫搖角的影響較小，且沒有明顯規(guī)律；當(dāng)該值大于10之后，船舶的最大橫搖角隨該船X軸慣性半徑的增大顯著下降。因此，為使船舶的搖擺運動減緩，增大其對應(yīng)軸的慣性半徑是有效途徑。

4 結(jié)論

闡述了應(yīng)用MOSES軟件進(jìn)行船舶錨泊分析的一般流程，并對所計算挖溝機(jī)工程船進(jìn)行了典型的錨泊計算；在前文計算的基礎(chǔ)上，對影響該船錨泊情況的條件進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：（1）有義波高及波浪周期的增加均會使船舶的運動增加，從而導(dǎo)致錨纜張力的增大；（2）錨纜長度的變化對船舶的運動約束影響不明顯，而錨纜預(yù)張力在一定范圍內(nèi)的增加會顯著提高系泊船舶的平移穩(wěn)定性；（3）船舶慣性半徑的增加能夠顯著提高船舶的搖擺穩(wěn)定性。

[1]鄭瑞杰.錨泊系統(tǒng)受力分析[D].大連理工大學(xué),2006.

[2]馮剛,吳海帆,等.工程船錨泊移位系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略及擬靜力分析[J].海洋工程,2001.

[3]李懷亮,徐慧,等.MOSES軟件在系泊浮體運動計算中的應(yīng)用研究[J].海洋工程,2013.

[4]張楠.漂浮式潮流電站葉輪與錨泊系統(tǒng)設(shè)計研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2010.

[5]MOSES MANUAL.www.ultramarine.com.

Mooring Analysis of Trencher Engineering Ship Based on MOSES Software

Ma Hong-xin1,Wang Lei1,Liu Kun1,Dai Yuan1,Li Hai-jing1,Cao Yu2

(1.Offshore Oil Engineering Corp,Tianjin 300461,China; 2.Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Trenching and embedment are important measures to increase the subsea pipeline’s on-bottom stability and the ways to protect pipeline.To ensure safety during the trenching operation,the mooring analysis of the engineering ship is necessary before construction.The typical mooring analysis of trencher engineering ship is analyzed using MOSES software,and the basic calculate method is stated.Furthermore,the influences of variations of wave parameters,mooring parameters and ship radius of inertia to mooring system are analyzed.The influence curves are got,and the laws are summarized,which have guiding significance for similar engineering ships.

mooring; MOSES; trencher engineering ship

U674.3

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.007

馬洪新（1979-），男，高級工程師，研究方向：海洋石油工程。