尾筒封閉的柱式燈浮標穩定性仿真與試驗分析

張永輝 交通運輸部南海航海保障中心廣州航標處

由于鋼質柱式燈浮標的結構對稱制造方便，成本低，在我國的諸港口航道上已作為常規助航設施使用。本文分別應用仿真方法和試驗方法對尾筒底部封閉的柱式燈浮標的穩定性問題進行分析，從而為尾筒底部封閉的柱式燈浮標穩定性分析提供一個有效、可靠的方法。

1.仿真分析

本研究采用SESAM軟件中的GeniE板塊、HydroD板塊、DeepC板塊、Xtract 板塊等獨立板塊。將GeniE 板塊建好的模型導入到HydroD板塊中，設定海洋環境，如波浪高度，波浪周期，風速，波浪入射角度等，然后分別使用Wadam和Wasim Wizard進行穩定性分析和頻域分析。使用Postresp板塊對分析結果進行后處理，使仿真分析的結果以圖表的形式顯示出來。

1.1 浮標有限元模型的建立

考慮到浮標尾筒和浮體結構相對簡單對稱，故在建立浮標有限元模型的時候對燈架利用等效的思想對燈架進行結構簡化，考慮到計算精度以及計算速度的問題，選取0.1m的網格對浮標進行離散化，并添加浮標的材料屬性以及設置浮標的勢表面等參數，求解生成得到浮標的有限元模型。

1.2 浮標動力學模型的建立

在線性理論中，流體運動的速度勢是入射波速度勢、繞射速度勢以及輻射速度勢之和的線性疊加，物體在波浪的作用下的浮標的運動問題是一個綜合的問題。為了更好的描述浮標在波浪下的運動，本文將浮標簡化成具有六個自由度的剛體運動如圖1所示，繼而浮標的運動將用浮標質心的運動代替，從而描述質心處六個自由度的位移列陣假設為U=[u1u2u3u4u5u6]T，其中u1、u2和u3分別表示為浮標的縱蕩、橫蕩和垂蕩；其中u4、u5和u6分別表示為浮標的橫搖、縱搖和垂搖的角度，此處將只考慮浮標的橫搖運動。利用剛體動力學的一般理論，在浮標微幅運動的限制，考慮波浪的擾動力，因物體搖蕩偏離平衡位置而產生的恢復力矩，流體的阻尼力以及系泊系統而產生的外力等作用下的浮標的運動情況，繼而根據Lagrange方程建立浮標在外激勵下的動力學方程為

式中：I為浮標橫搖的慣性矩；θ與為浮標的橫搖角位移以及橫搖的角速度；為等效波浪的擾動力力矩，可根據Morison公式確定；為因物體搖蕩偏離平衡位置而產生的等效恢復力矩，可根據文獻確定；為系泊系統而產生的等效外力力矩，可根據數學推導以及文獻張力計算公式可知；為等效風載的廣義力力矩，可根據文獻確定。

圖1 尾筒封閉的浮標力學模型

1.3 浮標穩定性數值仿真計算

浮標在外力干擾下發生側傾，當側傾角過大，恢復力矩不足以維持浮標的穩定性時，浮標會失去正常的工作狀態，甚至會完全傾覆。根據文獻[4]可知，此時就不能忽略側傾角對恢復力矩大小的影響，所以，研究浮標的橫搖運動響應，得出其側傾角值，對于準確、可靠地判斷浮標穩定性是非常重要的。根據前面建立的浮標動力學方程及力學模型，利用SESAM/HydroD板塊對浮標進行頻域下穩定性分析。得到尾筒封閉的柱式燈浮標在6級風環境下仿真得到的有關浮標穩定性的相關曲線圖，如圖2為浮標的恢復力矩和傾覆力矩曲線圖，圖3為浮標的頻域穩定性分析結果圖。

圖2 浮標恢復力矩（實線）和傾覆力矩（虛線）曲線圖

圖3 浮標RAO曲線圖

根據以上方法，同樣可以得到尾筒封閉的柱式燈浮標在不同風力環境下的最大橫搖角，如在二、三、四、五和六級風下最大搖擺角分別是0.7°、1.7°、3.2°、5.8°和9.3°。

2.試驗分析

2.1 測試對象及測試系統

這里以廣州航標處高欄港16號燈浮標所在海域的編號為GZ-C-064-15的尾筒封閉的柱式燈浮標為測試對象。試驗儀器包括：動態傾角傳感器（VG200垂直陀螺儀）、無線發射和無線接收裝置一套、蓄電池（12V）、相關軟件一套、膠帶、232數據轉換接頭以及筆記本電腦等。

2.2 測試步驟

（1）在指定工作海域選擇試驗浮標并將動態傾角傳感器安裝固定在試驗浮標軸線位置，并保持傳感器安裝面與水平面平行；（2）將傳感器分別與蓄電池、無線發射裝置相互依次連接，且做好傳感器以及蓄電池的防水措施；（3）將電腦與無線信號接收裝置連接，同時將無線接收裝置和蓄電池連接確保正常供電；（4）打開電腦，運行傳感器配套傾角測量軟件，進行初始化設置，確保信號連接穩定，若無線發射和無線接收裝置的信號燈呈現紫色閃爍，說明信號正常；（5）數據記錄間隔根據實際情況設定為8，根據軟件換算得出記錄每組數據所需時間為200+200×8=1800ms；（6）點擊軟件“開始”按鍵，傾角測量軟件開始工作并記錄浮標的搖擺傾角。

2.3 結果分析

測試時浮標所處位置的實時最大風速約為四級風的測試工況。根據現場所測得的數據，利用MATLAB得到該浮標的搖擺角試驗時域曲線，包括浮標電池箱上的傾角傳感器繞自身坐標系X和Y軸旋轉的搖擺角試驗數據時域曲線。

通過仿真計算得到柱式燈浮標在四級風速環境下的最大橫搖角為3.2°，通過試驗所測得的有關GZ-C-064-15燈浮標搖擺角的數據中，有98.3%的數據都是小于3.2°的，這說明試驗所得到的結果與仿真分析結果是基本吻合的，從而驗證了仿真分析結果的可靠性和有效性。

3.結束語

本文首先應用SESAM有限元軟件對尾筒底部封閉的柱式燈浮標的穩定性進行了仿真分析，然后以廣州航標處高欄港區海域所管轄的編號為GZ-C-064-15的尾筒封閉的柱式燈浮標為測試對象，對其穩定性進行了試驗分析，再通過對仿真分析結果與試驗分析結果進行對比分析，驗證了仿真分析結果的正確性。研究表明：基于SESAM有限元軟件對柱式燈浮標的穩定性進行仿真分析是可靠的，從而為柱式燈浮標的穩定性分析提供了一個有效的方法。這為分析、優化柱式燈浮標結構提供了一個有效的研究方法。