全回轉起重船作業過程穩性仿真

張明霞，夏益美，林 焰，肖進軍

（1.大連理工大學 船舶CAD工程中心，遼寧 大連116024；2.煙臺打撈局，山東 煙臺264000）

隨著海洋事業的發展，大型海上工程如跨海大橋的建設方興未艾，海洋油氣開發項目也持續不斷，除了海上設備安裝之外，平臺拆除也提上議事日程。我國有近百座海上建筑物已列入拆除計劃。海上工程的施工，都需要起重船。起重船作業過程是一個龐大復雜的系統工程，成本極高，作業環境又非常復雜：在極短時間內起吊數千噸重物，即在短時間內船舶排水量急劇增加數千噸之多；按規范，吊重的重心要算在吊鉤以上的滑輪心軸上，該點距水面數十米，甚至上百米，使全船的重心一下提高很多；起吊重物的重量與吊幅的乘積產生巨大的傾斜力矩，船舶浮態在短時間內發生巨大變化，靜傾角可能達到7°～8°［1］。

目前，起重船在實際作業過程中，往往是根據操作手冊或者依據操作者經驗。在操作手冊中，通常只能選取典型的幾種裝載狀態，進行穩性計算校核。不僅工作量大，也不能夠全面地顯示實際作業過程中起重船的性能特點。這給整個作業過程留下了安全隱患。以1 700t全回轉起重船為背景，將計算機實時仿真技術引入作業過程，在實際施工之前用計算機進行模擬施工，就能提早發現施工過程中存在的一些不確定因素，以便采取相應的措施，提高作業過程的可靠性、經濟性及安全性。

1 仿真實現方法

當今用于可視化仿真的工具軟件很多，但是多數只能夠離線制作動畫進行仿真。為了達到穩性仿真的實時性，則必須從底層開發三維視景系統。

OpenGL是美國從事高級圖形和高性能計算機系統生產的SGI公司開發，可獨立于操作系統和硬件環境的三維圖形庫。目前它已成為開放式的國際圖形標準，被廣泛地應用于科學計算可視化、模擬仿真等諸多領域。

1.1 起重船幾何建模

要使可視化系統直觀、準確、生動，起重船幾何物理模型的建立是至關重要的。

OpenGL沒有提供高級命令函數來定義復雜的三維形體，只提供了基本的點、線和多邊形方式構造3D模型。這就要利用一些優秀的商業建模軟件建模，在OpenGL中加以采用并進行實時控制。

為此，采用分層建立模型的方法［2］。以建立起重機的模型為例，起重機吊臂的運動有俯仰運動，旋轉運動等?？砂哑鹬貦C進行分層建立模型。在3dsMAX中，把具有相同運動的物體組合成object如：起重機座，起重機壓載箱等。在導出3ds文件時先后選中每個object，選擇Export Selected命令，分別導出每個object。按實物尺寸，以1∶1的比例，靈活運用3dsMAX的編輯方法，得到起重船幾何建模。

1.2 起重船幾何模型的讀取

在OpenGL中建立自己的數據結構存儲模型數據；從3ds文件中讀取數據將其存儲到OpenGL程序中；建立OpenGL繪制模型的顯示序列。

1.3 OpenGL中起重船模型的重現

首先設置像素格式，接著進行投影變換和視口變換，然后進行燈光、材質、顏色等的設定，最后自定義函數實現模型重繪。

由于讀取和再現程序簡單，這里不再列出。

2 起重船作業過程的穩性計算

2.1 坐標系定義

采用兩個左手直角坐標系研究船體的空間位置：與靜止海面相固定的固定坐標Oξηζ；與船體相連的船體坐標系OXYZ。船體坐標系的原點O選在船的基平面、中橫剖面和中縱剖面的交點上，規定X軸指向船首為正，Y軸指向右舷為正，Z軸向上為正，見圖1［3］。

圖1 坐標系

針對起重船的特殊性，增加一個局部左手直角坐標系：與船體相連的起重機坐標系O′X′Y′Z′。起重機坐標系的原點O′選在起重機基座上表面、起重機的重心面和船的中縱剖面的交點上，規定X′軸指向船首為正，Y′軸指向右舷為正，Z′軸向上為正，見圖1。

2.2 船舶浮態數學模型

在計算起重船的完整穩性時，由于只考慮垂直力的作用，只要一個線坐標和兩個角坐標參數就可以確定船舶的位置。選擇符拉索夫參數為浮態參數，包括平均吃水Tm、橫傾角θ和縱傾角φ。其中平均吃水是在船體坐標系Z軸上自坐標原點O到水線面的距離，基準面以上為正；θ是在船體中橫剖面上量取的，向右舷橫傾為正；φ是在船體中縱剖面上量取的，首傾為正［3］。

為了描述起重機的具體狀態，增加了兩個起重臂的參數，包括起重臂的俯仰角α，起重臂的旋轉角β，見圖2（O′C為起重機吊臂）。

圖2 起重臂參數示意圖

由空船重量m1（包括燃油、物品等）、起重機和吊重重量m2、壓載水重量mj（j號艙）及船體幾何外形等信息建立船舶浮態方程組，通過求解浮態方程組求得浮態參數：

式中：m——船舶總重量；

xc、yc——船舶重心坐標；

x2、y2——起重機和吊重的重心坐標；

w——吊重。

2.3 起重船作業過程的穩性計算

利用已知的船型數據、各壓載水艙室的數據和起重機數據文件，在作業范圍內調整起重臂俯仰角、旋轉角，求出當前的實際載況，進而計算浮態、穩性等參數，完成完整穩性的計算［3］。系統流程見圖3。

圖3 全回轉起重船作業穩性計算流程圖

3 作業過程的運動仿真

3.1 軟件開發

仿真系統是在Windows2000平臺下用Visual C++6.0開發完成的。利用3dsMAX獲得3D模型，在VC6.0環境下調用OpenGL函數，讀入模型，并對起重船在虛擬環境中進行作業時的交互仿真。系統由輸入輸出接口模塊、完整穩性計算模塊和仿真功能模塊組成［4］。

系統的輸入輸出接口實現人機交互功能；仿真系統的主要部分包括完整穩性計算模塊和功能模塊。功能模塊主要包括：根據起重臂狀態實現吊裝任務的運動模擬，根據完整穩性計算結果實現船舶的姿態模擬（首尾吃水，左右舷吃水等），同時顯示船舶的穩性曲線。

3.2 仿真結果及分析

以1 700t全回轉起重船為例，起重船的主尺度見表1，起重機性能參數見表2。

表1 主尺度

表2 起重機性能參數

3.3.1 仿真結果

起重船載況主要分為三類［5］：拖航狀態，作業狀態，避風狀態。起重船作業狀態又分為：全回轉作業和180o回轉作業。起重船180o回轉作業是指起重機荷重達到一定重量后，由于船舶安全限制，無法完成全回轉作業，只能在船舶一舷作業。

該起重船最大起重能力1 700t，半回轉作業，作業半徑范圍31～36m，如表3中的載況一、二；據船東反映該起重船經常在吊重560t，作業半徑63m時作業，如表3中的載況三；該起重船最大作業半徑80m，如表3中的載況四［6］。因此考慮四種典型作業載況，見表3作業工況參數。分別對這四種載況進行作業穩性實時仿真。

表3 作業工況參數

作業后船舶部分參數值見表4，穩性結果見圖4～7。

表4 作業后船舶部分參數值＊

圖4 作業過程各船舶橫傾角變化

圖5 作業過程中吊重傾側力矩變化

圖6 作業過程中規范要求初穩性高GM′變化

圖7 作業過程中船舶穩性衡準K變化

3.3.2 結果分析

起重工程船作業時主要性能要求滿足文獻［5］相關規定。

1）橫傾角的變化規律如圖4所示，吊重傾側力臂如圖5所示。在作業過程中，隨著起重臂旋轉，吊重的傾側力臂和船體浮態逐漸發生變化。在吊臂旋轉到一側與船體中心線垂直的位置時，船體的橫傾角達到最大，如果吊重過大或作業半徑過長，均會導致船體浮態超出安全浮態范圍（規范要求一般橫傾角＜5°，縱傾角＜2°）［5］。

對于全回轉起重船，根據起重機使用要求（橫傾角＜2°）［5］，因此吊重一旦超過一定范圍，船舶浮態很容易就超出規范要求，為了安全作業就必須事先進行反向預壓載，以保證作業過程船舶橫傾角限制在規范要求范圍之內，此時起重船就不能全回轉，只能實現180°回轉。

2）規范要求的初穩性高GM需要滿足文獻［5］規定。GM′的變化規律如圖6所示，和表4中作業后船舶初穩性GM相比，起重臂旋轉過程中，船舶初穩性高均富裕，可以較容易滿足規范要求。

3）穩性衡準數K的變化規律如圖7所示，在起重臂旋轉到與船體中心線垂直的位置（即吊臂呈90°）時最小，而180°時達到最大。一般情況下都可以滿足規范要求。就作業狀態而言，180°回轉作業（載況一，二），穩性衡準數較小，其變化范圍也較小，是起重船作業穩性較差的工況。

4）根據表4中部分計算結果，作業過程中，即在起重臂旋轉到與船體任意位置時，滿足規范中拖航要求。

從上面分析看出，起重船的吊臂旋轉到90°或與船體垂直時，是危險狀態，此時船舶的初穩性高、橫傾角、穩性衡準數等均為最小，而吊臂旋轉到180°時或與船體平行時，各項指標達到最大。各項指標隨著吊臂的旋轉而呈周期變化規律。因此在作業前，必須先根據吊重、作業半徑對船舶進行預配載，以求作業過程不致橫傾角因過大而導致危險。

4 結束語

起重船作業環境以及作業條件是事先無法預料的，需要根據實際需求進行起吊，因此吊重有時比較重，有時比較輕，作業半徑也隨著實際作業需求而發生變化。因此對起重作業船來說，面臨的最主要的問題就是在接到工程任務后，能夠快速地進行作業前預配載，保證船舶作業過程安全可靠，同時作業過程可以實時監測，以提高起重工程船的作業效率與作業安全可靠性。

通過對全回轉起重船作業過程進行實時穩性仿真，對四種典型載況分別進行計算分析，結果表明吊重越大、作業半徑越大，其作業危險性增大的結論。此方法可以作為起重船作業安全性預報，為安全作業提供理論依據；可以根據仿真結果進行多次反復預配載調試，直到浮態與穩性等各項指標滿足規范要求為止；同時本文工作也為起重船作業過程的實時監測提供技術支持，可以隨時監測作業過程船舶浮態與穩性變化情況，及時發現潛在的危險，從而提高作業的安全系數，最終提高起重工程船的經濟效益。

另外，作業時波浪也會對船舶的浮態與穩性造成一定影響，應該對其進行分析。這樣計算仿真結果才更加可靠，更加接近實際海況。本文對波浪影響尚未考慮進去，這也是下一步繼續研究的工作內容。

［1］張志明，徐丹錚，張 超，等.大型起重船船型開發的若干技術問題初探［J］.船舶，2005，2（1）：10-15.

［2］Mohammed F.Daqaq.Virtual Reality Simulation of Ships and Ship-Mounted Cranes［D］.Virginia：The Virginia Polytechnic Institute and State University，2003：5-32.

［3］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜力學［M］.上海：上海交通大學出版社，2000：33-167.

［4］錢 能.C++程序設計教程［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［5］中國船級社.國內航行海船法定檢驗技術規則［S］.北京：人民交通出版社，2004：171-174.