超大型自航自升式風電安裝船波浪載荷與運動響應

張甫杰, 顏建軍, 王思銘， 黃 凱， 高家鏞

(1.上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135; 2.南通中遠船務工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

超大型自航自升式風電安裝船波浪載荷與運動響應

張甫杰1, 顏建軍2, 王思銘2， 黃 凱2， 高家鏞1

(1.上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135; 2.南通中遠船務工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

為研究超大型自航自升式風車安裝船滿載遷移工況下的水動力特性，以“探險”號海上風車安裝船為研究對象，采用基于三維勢流理論的水動力分析軟件HydroSTAR對船體在遷移時不同環境下的六自由度運動響應和典型橫截面處的波浪載荷響應曲線進行分析，并結合不規則波譜進行短期預報，得到各浪向作用下運動最大統計值、典型橫截面處的垂向剪力和垂向彎矩最大統計值。對比分析出最危險的譜峰周期及波浪載荷隨浪向角和橫截面縱向位置的變化規律等。該研究可為海上風車船遷移提供技術支撐，對其作業和實際營運具有現實指導意義。

船舶工程;波浪載荷；運動響應；短期預報；頻域分析

Abstract: In order to investigate the hydrodynamic characteristics of extra large self-propulsion & jack-up wind turbine installation vessel under fully transit condition, the vessel “MPI ADVENTURE” is selected as the research object. The following contents are studied by professional software HydroSTAR based on 3D potential flow theory: Response Amplitude Operator (RAO) of six-dof, wave loads of several typical sections, and the short term prediction with several irregular wave spectrums. The sensitivity analysis of wave period is conducted. The analysis gives that vertical shear force and vertical bending moment property varying with wave angle and section position. The conclusions can provide technological basis for transit condition analysis and give guidance for offshore installation operation and other practical applications.

Keywords: ship engineering; wave load; motion response; short-term prediction; frequency-domain analysis

隨著能源需求,特別是電力需求持續增長，發展風電已是大勢所趨。風電設備安裝船[1]是建設海上風電場的關鍵設備,隨著海上風電逐漸朝離岸化和大型化方向發展，對風電設備安裝船的運輸能力、作業水深和起吊能力提出了更高的要求。專門用于海上風電開發和維護的自航自升式風電安裝船[2]以其適應能力強、作業效率高和經濟效益好等優點逐漸成為近海大型風機安裝和維護的首選。國內對近海風電安裝船的研究[3]多集中于風電安裝船作業工況下的結構強度分析及抗傾覆穩定性研究等方面。這里主要對自航自升式風電安裝船滿載遷移工況下的水動力性能進行研究，包括六自由度運動響應和典型截面的波浪載荷的頻率響應曲線;同時，結合不規則波進行頻域分析的短期預報和波浪周期敏感性分析，得出典型截面處的垂向剪力及垂向彎矩隨浪向角和船長的變化規律，驗算統計預報最大值滿足法國船級社(Bureau Veritas,BV)規范限制值要求。

1 理論基礎和目標船介紹

1.1理論基礎

作用在浮體上的波浪載荷[4]主要有波激力、平均漂移力和緩慢漂移力,其中:波激力是頻率等于入射波頻的一階波浪力，由一階速度勢求得，是波浪的主要組成部分;平均漂移力是二階波浪力中的穩定部分;緩慢漂移力是二階波浪力中頻率低于入射波頻的部分。該風電安裝作業平臺無系泊系統，故不考慮平均漂移力和緩慢漂移力;波頻運動是有義波能、波頻范圍內的線性激勵運動，由一階波浪力引起。

浮式結構物在規則波中的水動力問題可分為繞射和輻射2個方面。根據勢流理論，速度勢流域內滿足Laplace方程[5],即

(1)

引入復數形式速度勢φ，兩者之間的關系為

Φ=Re(φeiwt)

(2)

式(2)中：ω為入射波頻率；t為時間。

船舶在波浪中處于穩定狀態時，其位移向量將作為以遭遇頻率ωe為變化頻率的簡諧量。

{η(t)}={η}eiωt=(η1,η2,η3,η4,η5,η6)Teiωt

(3)

式(3)中:ηj(j=1,2,3,4,5,6)為復數振幅，分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。

六自由度線性耦合的運動微分方程為

[C]{η(t)}={f(t)}

(4)

求得頻率響應函數H(ω)后，結合短期預報波浪譜Sζ(ω)，得到運動響應譜為

(5)

為得到船舶在相應海況下的運動響應，需對其進行預報分析。對船體的運動性能進行評估一般采用短期預報，典型的為3 h。[6]假定裝載工況、航速、浪向及海況條件基本不變，結合數理統計，預報的幅值服從瑞利(Rayleigh)分布[7],即

(6)

(7)

由此便得到該平臺的短期預報各種統計值。單幅值有義值η1/3為

(8)

單幅值最大值ηmax為

(9)

采用1/1 000值代替單幅最大值，則有

ηmax=1.86η1/3

(10)

1.2目標船及海況參數

目標船為“探險”號海上風車安裝船，其實船與三維水動力模型見圖1，主尺度為:總長138.55 m;垂線間長132.54 m;型寬140.8 m;型深10.0 m;吃水5.010 m;縱傾-0.338 m;排水量20 817.3 t;初穩心高12.281 m;航速10.0 kn。

a) 實船

b) 三維水動力模型

2 計算結果與分析

2.1運動及截面剪力、彎矩響應曲線

船舶六自由度運動頻率響應曲線見圖2。由該圖可知:平臺的橫搖運動在橫浪(浪向為90°)狀態下波浪頻率為0.69 rad/s時,單位波幅下的頻率響應幅值最大，約為5.2°;橫搖運動在艏斜浪120°和150°狀態下波浪頻率為0.59 rad/s(遭遇頻率為0.68 rad/s)及0.54 rad/s(遭遇頻率為0.67 rad/s)時單位波幅下的頻率響應幅值分別為3.10°和1.22°;縱搖運動在迎浪(浪向為180°)狀態下波浪頻率為0.55 rad/s(遭遇頻率為0.71 rad/s)時，單位波幅下的頻率響應幅值最大，約為1.5°。平臺垂蕩最大發生在橫浪狀態下，波頻為0.3～0.68 rad/s，單位波幅下的頻率響應幅值最大，約為1.0°。

圖3為3個截面處垂向剪力及垂向彎矩響應曲線。由該圖可知，選取的3個典型截面中，截面2(0.25L)、截面4(0.5L)及截面6(0.75L)處的垂向剪力和垂向波浪彎矩都是在浪向角為180°時最大，最大垂向剪力分別為4.3×106N/m,2.9×106N/m和3.9×106N/m，相應的波頻分別為0.66 rad/s(遭遇頻率為0.89 rad/s)、0.83 rad/s(遭遇頻率為1.19 rad/s)和0.71 rad/s(遭遇頻率為0.97 rad/s);最大垂向彎矩分別為8.2×107N·m/m,2.2×108N·m/m及2.1×108N·m/m，相應的波頻分別為0.66 rad/s(遭遇頻率為0.89 rad/s)、0.65 rad/s(遭遇頻率為0.87 rad/s)和0.62 rad/s(遭遇頻率為0.82 rad/s)。

a) 縱蕩

b) 橫蕩

c) 垂蕩

d) 橫搖

e) 縱搖

f) 艏搖

a) 截面2處垂向剪力

b) 截面2處垂向彎矩

c) 截面4處垂向剪力

d) 截面4處垂向彎矩

e) 截面6處垂向剪力

f) 截面6處垂向彎矩

2.2運動響應及截面載荷預報

滿載遷移工況下的最大有義波高為5.0 m,譜峰周期為3～18 s，計算中選取8 s,10 s,12 s,14 s和16 s等5個周期進行短期預報，結合7個截面(分別為0.125L,0.25L,0.375L,0.50L,0.625L,0.75L,0.875L),重點對典型截面2,4,6處的垂向剪力和垂向彎矩預報最大值與規范限制值作比較，滿足規范要求。風電安裝船運動預報最大值見表1,典型截面處的剪力與彎矩預報值見表2,典型截面處的最大剪力及最大彎矩見表3。

表1 風電安裝船運動預報最大值

表2 典型截面處的剪力與彎矩預報值

表3 典型截面處的最大剪力值及最大彎矩值

圖4為橫搖、縱搖及垂蕩最大值隨波浪周期變化的規律。由該圖可知：橫搖角最大發生在橫浪狀態,有義波高為5.0 m,譜峰周期為10 s時橫搖單幅最大值為15.7°；縱搖角最大發生在迎浪狀態，譜峰周期為12 s時縱搖單幅最大值為5.7°；垂蕩隨著譜峰周期的增大而增大并趨于穩定，橫浪狀態下最大，迎浪狀態下最小。

1) 垂向剪力規范限值[8]為

QWV=30fVSFFQCLB(Cb+0.7)10-2

(11)

2) 垂向彎矩規范限值[8]為

MWV,H=190fVBMFMCL2BCb10-3

(12)

MWV,S=-110fVBMFMCL2B(Cb+0.7)10-3

(13)

式(12)和式(13)中：fVBM為環境參數，該船為無限航區，取1.0；FM為分布系數,其取值見表5。

a) 橫搖最大值隨波浪周期變化

b) 縱搖最大值隨波浪周期變化

c) 垂蕩最大值隨波浪周期變化

表4 分布系數FQ取值

表5 分布系數FM取值

圖5為典型截面處垂向剪力及垂向彎矩隨浪向角變化規律,可看出:幾個截面處的垂向剪力和垂向彎矩隨浪向角變化基本一致，呈兩頭大中間小的規律;浪向角為180°時最大，迎浪狀態大于隨浪狀態，橫浪狀態最小;波浪譜峰周期為10 s時最大。

a) 垂向剪力最大值隨浪向角變化規律

b) 垂向彎矩最大值隨浪向變化規律

圖6為迎浪狀態下，有義波高為5 m，譜峰周期為10 s時，船體截面垂向剪力和垂向彎矩隨船長變化規律。由該圖可知:剪力呈兩端大中間小的規律，而彎矩呈舯部大兩端小的規律;垂向剪力最大值為1.6×107N,最小值為6×106N，垂向彎矩最大值為8.3×108N·m,最小值為7.5×109N·m。

a) 剪力最大值隨船長分布

b) 垂向彎矩最大值隨船長分布

3 結束語

對超大型海上風電安裝作業平臺滿載遷移工況下的水動力性能進行研究，主要得出以下結論。

1) 在遷移工況10 kn航速下，通過進行波浪周期敏感性分析發現:譜峰周期為10 s時，在迎浪狀態下橫截面波浪中垂向剪力和垂向彎矩最大,在橫浪狀態下橫搖角度最大(單幅最大值為15.7°);譜峰周期為12 s時，縱搖角度最大，單幅最大值為5.7°。

2) 在典型截面處波浪下的波浪誘導剪力和彎矩隨浪向角呈兩端大中間小的規律;垂向剪力隨船長呈兩端大舯部小的規律;垂向彎矩隨船長呈舯部大兩端小的規律。

3) 在滿載遷移工況下平臺典型截面垂向剪力及垂向彎矩短期預報最大值滿足BV規范限制值。

[1] 張太佶，汪張棠.海上風電設備安裝船的崛起和發展[J].中國海洋平臺，2009，24(5): 1-5.

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[8] Bureau Veritas. Rules for the Classification of Offshore Units[S]. 2010.

WaveLoadsandMotionCharacteristicsofExtraLargeSelf-Propulsion&Jack-UpWindTurbineInstallationVessel

ZHANGFujie1,YANJianjun2,WANGSiming2,HUANGKai2,GAOJiayong1

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. COSCO (Nantong) Shipyard Group Co., Ltd., Nantong 226006, China)

U661.3;U674.34

A

2016-07-01

江蘇省科技成果轉化專項資金(BA2011005)

張甫杰(1983—),男,山西運城人，副研究員，主要從事船舶船舶水動力性能研究。E-mail:zhangfujie@sssri.com

1000-4653(2016)03-0054-05