某半潛船的水動力性能仿真分析

秦成 懷利敏 史淑玲

摘要：隨著海洋裝備技術的發展，海上大型結構物的海上作業和運輸任務越來越多。在此背景下，大型結構件、大型平臺模塊以及一些大型艦船的運輸需求越來越多，大量的半潛船應運而生。在半潛船研發中，其水動力性能的研究至關重要。本文采用水動力計算軟件AQWA進行某半潛船水動力性能仿真分析，計算結果表明：在常見波浪周期內，水動力系數波動較大并出現波峰/波谷;頂浪狀態下運輸船的運動響應數值相對偏小;橫浪作用時半潛船的系泊張力最大。

關鍵詞：AOWA;半潛船;水動力性能

中圖分類號：U662.2

文獻標識碼：A

1 概述

1.1 半潛船的基本概念

近年來，隨著海洋裝備技術的發展，人類針對海洋資源的開發逐步走向深藍，海上大型結構物的海上作業和運輸任務越來越多。在此背景下，大型結構件、大型平臺模塊以及一些大型艦船的運輸需求越來越多，由此產生出了大量的半潛船。半潛船也叫半潛式母船，主要用于運送貨物超長、超重而又不能進行分割吊裝及運輸的大型海運船舶。

半潛船一般具有較大面積開敞露天甲板用于載貨，在裝卸貨作業過程中通過調整白身壓載水量實現船體的下潛，裝載完成后排除壓載水浮出水面正常航行。

半潛船按是否帶有動力系統，主要分為白航式和非白航式兩種類型;非白航式半潛船一般由拖船拖帶，在近海作業;白航式半潛船主要在遠洋航行，用于大型構件運輸。上世紀半潛船主要在荷蘭發展，進入本世紀后，中國開始建造大批量半潛船，其中比較典型的有“泰安口”號、 “康盛口”號。

半潛船主要有以下特點：一是載貨甲板寬大平直，除首、尾樓外，整個船體中部為平直甲板，且橫向全貫通，有效載貨面積大;二是載重量較大，通常凈載重能力為3-10萬DWT;三是浮態可調性好，通過調節壓載水量，可以像潛艇一樣下沉與上浮，甲板面可下潛至水面以下30 m;四是主甲板承載能力強，可承運各種重型裝備;五是適航性好，可具有白航能力，航速一般在12 kn以上且適合遠海航區[3][4]。

海洋鉆井平臺等特大件貨物，通常不可分割且大多數形狀不規則，對半潛船運輸大件貨物時的穩性帶來不利影響，在運輸安裝過程中易受風浪流影響，甚至發生翻沉事故[5-10]。為了確保半潛船在惡劣的海洋環境中的安全運輸、正常作業，減少生命和財產的嚴重損失，有必要對半潛船在風浪流等外力作用下的水動力性能進行仿真分析。

1.2 水動力學軟件AQWA

AQWA軟件是由ANSYS公司研發的船舶與海洋工程集成模塊軟件，主要用于求解各種海上浮式結構在風、浪、流等復雜海洋環境下的水動力特性和及其運動響應，包括系泊定位、海上安全作業、航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題。常用的AQWA軟件主要有AQWA-LINE、AQWA-LIBRIUM、AQWA-FER、AQWA-DRIFT、AQWA-NAUT等：AQWA-LINE主要用于求解浮體結構在規則波中的響應問題，可計算任意形狀浮體結構周圍的波浪力;AQWA-LIBRIUM用于計算錨鏈線張力及其靜動穩定特性;AQWA-FER用于計算隨機波下浮體的載荷和運動響應的平均和有義值;AQWA-DRIFT用于計算隨機波浪環境下多體載荷和運動的時間歷程;AQWA-NAUT主要計算特定波浪下的響應，可進行耦合/非耦合/半耦合分析。

本文采用AQWA水動力學仿真軟件，對風浪流作用下某半潛船的水動力學特性及系泊特性進行仿真分析。

2 某半潛船的水動力學建模

2.1 三維模型構建

本文以我國“泰安口”號半潛船為研究對象，其主要參數見表1。

根據“泰安口”號半潛船的船體尺寸，采用ANSYS軟件建立某三維模型，如圖1所示。

2.2 海洋環境條件設定

仿真計算的環境工況設定為：波浪選用JONSWAP譜，風選用NPD譜;風向與浪向一致;流的方向與風向和浪向一致。根據半潛船作業條件，確定其海洋環境條件為3級海況，具體參數見表2。

2.3 系泊纜參數設定

半潛船共有4根纜索，呈對稱布置，纜索長度為500 m，纜索與水平夾角為45°。具體參數見表3。

2.4 仿真流程

將構建的半潛船的三維模型導入到AQWA軟件中，根據上述海洋環境和系泊系統參數設定仿真邊界條件，從而建立半潛船的水動力學模型，如圖2所示：

（1）先利用AQWA軟件進行頻域分析，計算得到半潛船的水動力系數;

（2）接著進行不同海洋環境條件的時域仿真，分別模擬風浪流同向下斜浪、橫浪、迎浪下三種典型工況，仿真得到每種工況下的半潛船運動響應及系泊力結果，并進行對比分析不同裝載工況、不同潮位和風浪流的組合工況。

3 仿真計算結果分析

3.1 水動力學參數特性分析

本文主要計算了半潛船在規則波中的附加阻尼和波浪力等水動力學參數：縱蕩附加阻尼和波浪力，如圖3～圖4所示;橫蕩附加阻尼和波浪力，如圖5～圖6所示;垂蕩附加阻尼和波浪力，如圖7-圖8所示。

由圖3-8可見：波浪周期在5-10 s時，半潛船的水動力系數的波動較大，并出現波峰/波谷位置;對比半潛船的各搖擺運動的水動力系數：垂蕩搖擺運動的水動力系數最大，縱蕩搖擺運動的水動力系數最小，橫蕩搖擺運動的水動力系數介于中間。

3.2 運動響應仿真分析

當風、浪、流等外力同向時，各外力合力作用下半潛船將產生較大的運動響應。本文的計算假定風、浪、流同向，并分別以與坐標成180°（頂浪）、90°（橫浪）、45°（斜浪）三個外力作用角度進行計算分析，模擬計算時間為3h：

（1） 180°（頂浪）條件下半潛船搖擺響應如圖9-10所示。

由圖9-10可知：在180°（頂浪）條件下，半潛船縱蕩運動幅度最大約為4.72 m，縱搖運動最大幅度約為0.291°;

（2） 90°（橫浪）條件下半潛船搖擺響應，如圖11-12所示。

由圖11-12可知：在90°（橫浪）條件下，半潛船橫蕩/橫搖運動非常劇烈，橫蕩運動幅度達到26.35 m，橫搖運動幅度達到9.818°，給半潛船帶來嚴重的安全隱患;

（3） 45°（斜浪）條件下半潛船搖擺響應，如圖13-14所示。

由圖13-14可知：在45。（斜浪）條件下，半潛船的垂蕩運動幅度最大達到0.495 m，首搖運動幅度最大達到2.848°。

在各種外力作用角度下，半潛船的搖擺幅度響應極值，如表4所示。

由表4可見：不同外力作用角度條件下，半潛船的搖擺響應極值為：180°（頂浪）條件下，搖擺響應值普遍為最小值（縱蕩除外）;90°（橫浪）條件下，橫蕩、橫搖和首搖的搖擺響應幅值最大;45°（斜浪）條件下，縱蕩、縱搖和垂蕩的搖擺響應幅值最大。

對比不同外力作用角度條件下，半潛船的搖擺響應相對幅值為：180°（頂浪）條件下，搖擺響應幅值相對較大的是縱蕩和縱搖;90°（橫浪）條件下，船搖擺響應幅值相對較大的是橫蕩與橫搖運動;45°（斜浪）條件下，搖擺響應幅值相對較大的是垂蕩與首搖。

3.3 系泊力仿真分析

當風、浪、流同向時，半潛船系泊系統上將產生較大的系泊力。本文假定風、浪、流同向，并分別以與坐標成180°，90°，45°三個方向進行計算，模擬計算時間為3h，計算系泊力的最大值和平均值，計算結果見表5。

由表5可見：90°（橫浪）條件下，系泊系統的系泊力最大，主要由No.3和No.4系泊纜來分擔。其中NO.3系泊纜的系泊力最大，達到23.6 t，系泊纜的安全系數小于2，安全冗余量偏小。

4 結論

（1）波浪周期在5-10 s時，半潛船的水動力系數的波動較大，并出現波峰/波谷位置：垂蕩運動的水動力系數最大，縱蕩運動的水動力系數最小，橫蕩運動的水動力系數介于中間;

（2） 180°（頂浪）條件下，半潛船的搖擺響應幅值普遍為最小值（縱蕩除外）;90°（橫浪）條件下，搖擺響應幅值相對較大的是橫蕩與橫搖運動;45°（斜浪）條件下，搖擺響應幅值相對較大的是垂蕩與首搖;

（3） 90°（橫浪）條件下，半潛船的系泊纜張力最大，需要對系泊纜的安全冗余進行校核。

參考文獻

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