新型海上風電維護船的橫搖運動分析

董能超，陳 悅，朱佳歡，余洋喆

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

新型海上風電維護船的橫搖運動分析

董能超，陳 悅，朱佳歡，余洋喆

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

以從事海上風電場維護的某新型雙體船的船模為試驗對象，考慮維護船工作海域一般為近海，選取較小傾角進行靜水橫搖衰減試驗，得出船模隨時間變化而變化的六自由度數值及衰減曲線。通過求取減幅曲線和阻尼系數以及船模的橫搖周期，對比普通相似船的經驗數值，得到該雙體船在靜水橫搖方面優良性良，也體現了船型設計的合理性，為以后海上風電維護船的船型設計提供一些參考。

風能；雙體船；橫搖；船模試驗

0 引言

由于海上風電場主要集中在近海，因此海上風電場的維護船應具有快速性、可操作性和耐波性等優點，而雙體船能較好的滿足上述要求。

對于快速性和耐波性有較高要求的雙體船，通常采用穿浪型雙體船和小水線面型雙體船。所謂小水線面雙體船，是由潛沒在水中的魚類狀下體、高于水面的平臺(上體)和穿越水面連接上下體的支柱三部分組成。其優點是水線面面積小，受波浪干擾力較小，具有優越的耐波性；穿浪型雙體船是從高速雙體船發展而來，具有良好的適航性。

作為海上風電場的維護船，如采用小水線面型雙體船，則艙室設備布置困難；如采用穿浪型雙體船，建造難度大、造價高。為此，考慮維護船性能需要，擬采用長球首球尾船型。

1 雙體維護船的實驗模型和實驗內容

雙體船水動力分析的方法主要有數值模擬和模型試驗2種,本文采用模型試驗法進行分析。

1.1 實驗模型

本次實驗選用按照設計圖紙制作的一艘新型雙體船作為實驗模型，實體圖如圖1所示。

其主尺度參數：

船長

2.10 m

垂線間長

1.90 m

型寬

0.78 m

型深

0.21 m

設計吃水

0.11 m

片體寬度

0.21 m

中心距離

0.57 m

方形系數

0.4

圖1 新型雙體船的實體模型

1.2 實驗內容

實驗內容為新型海上風電場維護船(新型雙體船)的靜水橫搖實驗。

(1)船模放入水中添加壓載使船模吃水達到設計吃水。

(2)將船模放在遠離岸壁的水池中，對橫蕩、縱蕩和首搖加以約束。

(3)擺放好實驗設備，將傳感器固定在船模上，調整設備視角和軟件初始坐標。

(4)船模初始角度7°，記錄實驗數據。

2 數據處理

船模橫傾初始角為7°，減幅曲線為曲線，故不能按線性關系處理。

假定船模初始傾角為ΦA0進行自由橫搖，第n次橫搖幅值為ΦAn，相隔半個周期下一個幅值為ΦA(n+1)，則相鄰二次幅值差為:

ΔΦA=ΦAn-ΦA(n+1)

(1)

相鄰二次的平均幅值為：

ΦAm=0.5(ΦAn+ΦA(n+1))

(2)

以ΦAm為橫坐標，ΔΦA為縱坐標即可繪制出減幅曲線。

設衰減關系目標函數為:

(3)

式中：m、n為衰減次數；a、b為線性回歸系數。

用最小二乘回歸分析法求得，衰減系數μ可表示為：

(4)

3 實驗結果及分析

3.1 減幅曲線

根據實驗所得船模的衰減曲線用excel表格法繪制出船模的減幅曲線，如圖2所示。由衰減曲線可以算出船模橫搖周期TΦ=1.05 s。

圖2 實驗所得衰減曲線

由衰減曲線量取峰值點值，計算繪制減幅曲線。半個周期的幅值平均值及最小幅值見表1，減幅曲線如圖3所示。表1中，ΦAi和ΦA(i+1)分別是半個周期中的第1和第2個峰值，ΦAm為半個周期幅值的平均值，ΔΦ為半個周期中的第2個峰值。

3.2 衰減系數

應用最小二乘回歸法求出a和b。因X坐標取與計算值重合坐標，誤差主要來自Y，方程

(5)

表1 半個周期的幅值平均值及最小幅值計算

圖3 減幅曲線

對a和b分別求偏導數，并令其等于零, 從而解得：

a=0.065，b=0.018 2。

ΦAm=8.425,對應衰減系數μ=0.069。

無因次衰減系數μ是表征橫搖性能重要參數，自由橫搖的衰減隨衰減系數的增大而加快，且船舶在規則波中的頻率響應函數會越小。從實驗數據處理得出，本船衰減系數在初始角為7°時達到0.069，比已發表資料中表明的無舭龍骨船的0.035～0.05高出至少38%，充分表明了該新型雙體維護船在橫搖性能方面的優良性。

4 結論

通過對某海上風電維護船的船模進行靜水橫搖試驗，選取初始角為7°，得到了船模自由衰減的曲線，并利用所得到的衰減曲線計算得出船模的減幅曲線和衰減系數。對比現有發表的資料船的衰減系數，得出了這種新型雙體船在橫搖方面具有的優良性，從而為類似船型設計提供一些參考。

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2013-11-27

董能超(1991-)，男，本科，主要從事船舶與海洋結構物性能研究；陳悅(1979-)，女，講師，主要從事船舶與海洋結構物設計制造；朱佳歡(1992-)，男，本科，船舶與海洋工程專業；余洋喆(1992-)，女，本科，船舶與海洋工程專業。

U661.73

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