超寬“海上漁場(chǎng)”海運(yùn)砰擊數(shù)值模擬與分析

李軍

(廣州打撈局，廣州 510260)

船舶在惡劣的海況下航行時(shí)，船艏或其他外飄結(jié)構(gòu)會(huì)離開水面并再次入水，此時(shí)船艏底部及其他受砰擊部位會(huì)產(chǎn)生非常大的水動(dòng)力載荷。砰擊會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)受損甚至?xí)鸫罢蹟啵虼藴?zhǔn)確預(yù)報(bào)和模擬船舶受到的砰擊載荷是水動(dòng)力學(xué)研究的前沿課題之一。目前學(xué)者們研究方向主要是在船舶航行中船艏底部或海洋平臺(tái)作業(yè)中結(jié)構(gòu)物底部所遭受的砰擊載荷模擬及計(jì)算[1-3]，而對(duì)于貨船運(yùn)輸懸垂貨物外飄部分結(jié)構(gòu)所受波浪的砰擊，比如半潛船運(yùn)輸超大、超寬貨物，貨物主體結(jié)構(gòu)外飄半潛船舷側(cè)幾十米，其因船舶橫搖、垂蕩，以及波浪產(chǎn)生的砰擊，則鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。為此，考慮利用勢(shì)流理論及半潛船運(yùn)輸超寬懸垂貨物砰擊控制條件的數(shù)值模擬方法，以迄今為止世界規(guī)模最大半潛式“海上漁場(chǎng)”從中國(guó)青島海上運(yùn)輸至挪威為例，應(yīng)用OCTOPUS軟件對(duì)海運(yùn)過程的砰擊進(jìn)行數(shù)值模擬，分析海況、船舶吃水及航速等參數(shù)變化對(duì)船舶縱橫搖、砰擊發(fā)生概率及砰擊載荷的影響，以獲得最優(yōu)海運(yùn)方案。

1 懸垂外飄貨物砰擊控制條件

當(dāng)外飄船舷側(cè)部分結(jié)構(gòu)物某關(guān)注點(diǎn)到水面的距離小于0的時(shí)候，浸沒就會(huì)發(fā)生。

s>f

(1)

式中：f為船舶干舷；s為關(guān)注點(diǎn)的相對(duì)上下幅值：

s=δ-z+xθ+yφ

(2)

其中：δ為波浪幅值；z為垂蕩幅值；x為關(guān)注點(diǎn)相對(duì)系統(tǒng)重心位置在船長(zhǎng)方向差值；y為關(guān)注點(diǎn)相對(duì)系統(tǒng)重心位置在船寬方向差值；θ為縱搖角；φ為橫搖角。

為了進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，式(2)可寫成響應(yīng)幅值因子的模式。

Hsδ=Hδδ-Hzδ+xHθδ+yHφδ

(3)

由于關(guān)注點(diǎn)的上下幅值s服從瑞利分布，因此關(guān)注點(diǎn)相對(duì)幅值大于干舷(即s>f,發(fā)生浸沒)的概率為

(4)

式中：mos為響應(yīng)譜曲線下的面積。

(5)

(6)

每小時(shí)發(fā)生砰擊次數(shù)為

(7)

在獲得關(guān)注點(diǎn)的相對(duì)速度后，根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算砰擊載荷。

(8)

為了保障超寬懸垂貨物不被砰擊損壞，需要減小甚至是消除砰擊發(fā)生概率及載荷。

2 工程實(shí)例及計(jì)算模型

2.1 工程實(shí)例

“海上漁場(chǎng)”是迄今為止世界上規(guī)模最大的半潛式智能海上漁場(chǎng)，是一個(gè)巨大的圓柱體結(jié)構(gòu)，總高69 m、直徑110 m、外徑122.6 m，四周共有12個(gè)柱子，底面還有6個(gè)圓錐形壓載艙，最下面有6個(gè)圓柱，圓柱與圓柱之間是漁網(wǎng)連接起來，整體容量超過250 000 m3。空船質(zhì)量為7 720 t，可抗12級(jí)臺(tái)風(fēng)，其外觀見圖1。

圖1 “海上漁場(chǎng)”外觀

使用L×B×D=182.2 m×43.6 m×11 m的半潛船“華海龍”從中國(guó)青島經(jīng)好望角將“海上漁場(chǎng)”運(yùn)輸至挪威。“華海龍”裝載該“海上漁場(chǎng)”后，貨物外飄懸出船舷兩側(cè)各39.5 m，且遠(yuǎn)洋航行15 500多n mile，這樣極限的主體結(jié)構(gòu)超寬外飄海運(yùn)在半潛船運(yùn)輸?shù)氖飞弦彩鞘状巍ａ槍?duì)此超寬懸垂以及極易發(fā)生在橫搖時(shí)的踏水及砰擊問題，根據(jù)貨物特點(diǎn)和半潛船的有效甲板面積，采用在漁場(chǎng)底部增加支撐梁的方式，增大“海上漁場(chǎng)”距水面空隙(air gap)，裝載布置三維模型見圖2。

圖2 配載三維模型示意

雖然支撐梁的使用增大了漁場(chǎng)到水面的air gap，但由于懸垂外飄的總寬度達(dá)半潛船船寬的1.8倍，在船舶橫搖約6°時(shí)，“海上漁場(chǎng)”就開始踏水。因此,海運(yùn)過程中的砰擊分析就成為能不能成功運(yùn)輸“海上漁場(chǎng)”的關(guān)鍵。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)上述的配載方案，采用OCTOPUS軟件建立建立半潛船的三維運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型，見圖3。完成建模之后經(jīng)過與船模試驗(yàn)?zāi)筒ㄐ缘腞AO進(jìn)行了分析對(duì)比，確認(rèn)了半潛船模型模擬的準(zhǔn)確性，隨后將半潛船裝載“海上漁場(chǎng)”后的工況信息(如吃水、初穩(wěn)性、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及砰擊關(guān)注點(diǎn)坐標(biāo)等)，加入到計(jì)算模型中。

圖3 砰擊數(shù)值模擬的水動(dòng)力模型

對(duì)于“海上漁場(chǎng)”、半潛船及壓載水(包含漁場(chǎng)壓載艙及半潛船壓載艙)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)實(shí)際工況給予正確定義，否則模擬結(jié)果將會(huì)失真。

3 砰擊的數(shù)值模擬與分析

3.1 砰擊分析總體思路

根據(jù)最易產(chǎn)生砰擊點(diǎn)的外飄結(jié)構(gòu)物，建立砰擊分析關(guān)注點(diǎn)，以減少甚至是消除外飄結(jié)構(gòu)的砰擊為目的，模擬海運(yùn)過程中不同海況、航行吃水及航速情況下，船舶橫搖、縱搖、垂蕩、“海上漁場(chǎng)”砰擊發(fā)生概率及砰擊載荷的變化情況。

3.2 海況變化對(duì)砰擊的影響

在保持航行工況固定的條件下，模擬船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(主要為橫搖、縱搖及垂蕩)、外飄結(jié)構(gòu)(因貨物及船舶左右對(duì)稱，關(guān)注點(diǎn)坐標(biāo)只建左舷外飄點(diǎn))砰擊發(fā)生的概率及砰擊載荷在不同有義波高和譜峰周期海況下的變化情況，計(jì)算結(jié)果見圖4～8。

圖4 海況變化對(duì)橫搖的影響

圖5 海況變化對(duì)縱搖的影響

圖6 海況變化對(duì)垂蕩的影響

圖7 海況變化對(duì)砰擊發(fā)生概率的影響

圖8 海況變化對(duì)關(guān)注點(diǎn)度垂向速度的影響

從圖4～8可知，橫搖和垂蕩隨浪向角的變化基本一致：在首浪和尾浪響應(yīng)最小，在橫浪響應(yīng)最大，均隨遭遇海況有義波高的增加而增加，且橫搖在橫浪時(shí)隨有義波高增加的幅度明顯；縱搖隨浪向角的變化則和橫搖基本相反，隨遭遇海況有義波高的變化基本呈線性；關(guān)注點(diǎn)垂向速度和發(fā)生砰擊的概率，在首浪和尾浪響應(yīng)最小，在橫浪響應(yīng)最大，均隨同側(cè)橫浪(左舷來浪，浪向角270°)有義波高增加增加顯著，且在有義波高小于4.0 m的情況下發(fā)生砰擊的概率均為零，大于4.0 m后的發(fā)生砰擊的概率，在同側(cè)橫浪下增加特別顯著。

3.3 航行吃水變化對(duì)砰擊的影響

航行吃水越小，船舶的干舷就會(huì)越大，相對(duì)而言外飄結(jié)構(gòu)發(fā)生砰擊的概率就會(huì)降低；但是如果航行吃水太小，船舶排水量也會(huì)隨之變小，航行中船舶其他的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可能會(huì)加劇，也可能會(huì)導(dǎo)致砰擊發(fā)生的概率增大。因此需要模擬船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、外飄貨物結(jié)構(gòu)砰擊發(fā)生的概率及砰擊載荷在不同船舶航行吃水工況下的變化情況，計(jì)算結(jié)果見圖9～13。

圖9 航行吃水變化對(duì)橫搖的影響

圖10 航行吃水對(duì)縱搖的影響

圖11 航行吃水對(duì)垂蕩的影響

圖12 航行吃水對(duì)坪擊發(fā)生概率的影響

圖13 航行吃水對(duì)關(guān)注點(diǎn)度垂向速度的影響

從圖9～13可知，橫搖、縱搖、垂蕩、關(guān)注點(diǎn)砰擊發(fā)生概率及垂向速度隨浪向角的變化規(guī)律基本和上節(jié)中不同海況情況一致；縱搖和垂蕩隨航行吃水變化而變化微小；橫搖和關(guān)注點(diǎn)垂向速度隨航行吃水的變大稍微有所增加，但是幅度很小；關(guān)注點(diǎn)發(fā)生砰擊概率則隨航行吃水增加而顯著增大。

3.4 航行速度變化對(duì)砰擊的影響

在遇到惡劣海況時(shí)，船舶通常利用調(diào)整航速的方式，來控制船舶的橫搖，由于外飄結(jié)構(gòu)懸垂巨大，發(fā)生砰擊時(shí)除了有垂向的砰擊外，還有因船舶航行速度的拖拽力，因此模擬船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、外飄結(jié)構(gòu)砰擊發(fā)生的概率及砰擊載荷在不同航速工況下的變化情況，十分有必要，計(jì)算結(jié)果見圖14～18。

圖14 航行速度變化對(duì)橫搖的影響

圖15 航行速度對(duì)縱搖的影響

圖16 航行速度對(duì)垂蕩的影響

圖17 航行速度對(duì)抨發(fā)生概率的影響

圖18 航行速度對(duì)砰擊次數(shù)的影響

從圖14～18可知，橫搖、縱搖、垂蕩、關(guān)注點(diǎn)砰擊發(fā)生概率及垂向速度隨浪向角的變化規(guī)律和上述情況基本一致；橫搖和垂蕩隨航行速度的增大而增加；縱搖隨航行速度的變大而減小；關(guān)注點(diǎn)發(fā)生砰擊概率則隨航行速度增加變化不明顯。

4 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)OCTOPUS軟件模擬結(jié)果和分析進(jìn)行海上運(yùn)輸航行控制，即在滿足規(guī)范條件下，盡量減小航行吃水、減小船舶初穩(wěn)性，同時(shí)進(jìn)行航行海況和首向控制，即利用氣象導(dǎo)航控制遭遇海況有義波高不要超過4.0 m，盡量避免遭受橫浪，確保航行過程安全可控。

通過將實(shí)際航行數(shù)據(jù)與OCTOPUS模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在船體橫搖方面誤差在0.3°的范圍內(nèi)，砰擊發(fā)生的概率情況也與本文計(jì)算結(jié)果高度吻合，證明數(shù)值模擬方法是合理可行的。

5 結(jié)論

通過對(duì)海上運(yùn)輸超寬“海上漁場(chǎng)”航行過程

的砰擊進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究海運(yùn)過程中各種海況工況、航行吃水及航速下船舶響應(yīng)及砰擊發(fā)生概率等變化情況，根據(jù)結(jié)果分析獲得最優(yōu)運(yùn)輸方案。數(shù)值的計(jì)算與分析表明：①在遭遇不同浪向角海況時(shí)，橫搖和抨擊發(fā)生概率在首浪和尾浪下最小，在橫浪時(shí)最大，且隨遭遇海況有義波高增加而增加顯著，尤其是外飄貨物同側(cè)橫浪，關(guān)注點(diǎn)發(fā)生砰擊的概率更為顯著，因此航行中必須進(jìn)行航行的氣象導(dǎo)航和首向控制，減少遭受超過4 m有義波高及橫浪的發(fā)生；②關(guān)注點(diǎn)發(fā)生砰擊概率則隨航行吃水增加而顯著增大，因此減小航行吃水，增大干舷，發(fā)生砰擊的概率也會(huì)顯著降低；③橫搖和垂蕩隨航行速度的增大而增加，縱搖隨航行速度的變大而減小，而關(guān)注點(diǎn)發(fā)生砰擊概率則隨航行速度增加變化不明顯。