8 000 m3耙吸式挖泥船動力定位系統時域模擬與模型試驗

朱一鳴， 王 磊， 張 濤， 劉翰林

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室, 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心, 上海 200240)

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8 000 m3耙吸式挖泥船動力定位系統時域模擬與模型試驗

朱一鳴， 王 磊， 張 濤， 劉翰林

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室, 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心, 上海 200240)

針對耙吸式挖泥船動力定位系統，以某8 000 m3耙吸式挖泥船為研究對象，分析其動力定位系統在模擬海況下的定位能力與特點,構建出動力定位時域模型。對挖泥船在各種海況下的實時運動進行時域模擬分析，得到該挖泥船的偏移半徑時歷和功率消耗時歷，并進行相關模型試驗。時域模擬與模型試驗結果表明,該挖泥船動力定位系統僅可在較小艏向角范圍內完成有效定位，由于舵轉角的限制，螺旋槳無法在較大艏向角的情況下提供足夠的轉船力矩完成定位。通過模型試驗與時域模擬結果的分析與比較，為動力定位時域模擬程序進一步優化提供參考。

耙吸式挖泥船； 動力定位系統； 時域模擬； 模型試驗

0 引 言

耙吸式挖泥船通常裝備有耙頭挖掘機具以及水力吸泥裝置，是一種裝倉式自航挖泥船，具有自挖、自載、自卸等特點，航行性能優良[1]。其優點主要表現在機動靈活、效率高、操作簡單、經濟性好等方面。鑒于耙吸式挖泥船的諸多優點，現代疏浚與圍海造田等大型工程已廣泛采用耙吸式挖泥船，具有廣闊的應用前景與市場需求[2]。

隨著國際疏浚市場的不斷發展，動力定位系統逐漸地應用在工程船舶上，對配備有動力定位系統的耙吸式挖泥船的需求也越來越大。動力定位系統是通過推進器產生的推力，使得海洋結構物在海上保持一定的位置和艏向角的一種先進的定位系統。其基本原理是通過獲取船舶的位置誤差數據，由控制系統計算所需的推力，并傳遞到推力系統以產生推力，以此達到抵抗海洋外部環境載荷，從而減少、消除位置誤差的目的[3]。

目前一些主要的生產和使用廠家都一致認可動力定位能力曲線是評價船舶動力定位能力的有效工具[4]。動力定位能力曲線是一種靜態的動力定位能力分析方法，該方法將推力系統理論上產生的推力與靜態環境載荷相平衡，精度不高，可在初步設計階段中使用。更加精確地分析定位能力需采用動態的時域模擬分析以及模型試驗等方法。動態時域模擬與模型試驗方法能夠考慮到動態載荷，獲得實時位置偏移數據，能較為可靠地反映動力定位狀態下的海洋結構物在各種海況下的定位狀態，從而驗證動力定位系統的有效性，并可為動力定位控制系統進一步優化提供試驗依據和指導，相比于靜態的動力定位能力曲線能更加直觀地評價系統的定位能力，是更為理想的研究方法[5]。

目前，挖泥船動力定位系統研究較少，大多處于對挖泥船動力定位系統的理論研究或模型試驗的研究階段[6-7]，尚未將兩者很好的結合。本文針對耙吸式挖泥船這一特殊船舶，采用時域模擬以及模型試驗兩種方法進行動力定位系統研究，最終確定該耙吸式挖泥船的最優作業方案，為工程實踐提供借鑒。

1 理論基礎

動力定位時域模擬是建立時域運動模型，分析海洋結構物在動力定位系統控制下的運動與受力，時域模擬能較好地模擬真實海況，模擬結果更加精確，并獲得定位精度、功率消耗等定位信息，為動力定位控制系統的進一步優化提供借鑒。耙吸式挖泥船動力定位時域模擬基本原理及各個模塊如圖1所示，主要包括環境載荷計算模塊、低頻運動方程模塊、控制模塊以及推力分配模塊[8]。

1.1 風載荷計算

風載荷是海洋結構物所承受的外載荷中很重要的一部分，其常見的估算方法為模塊法，也是本文采用的估算方法，即把整個海洋結構物離散分類，得到若干個標準模塊，分別估算載荷，將各個模塊載荷疊加獲得總載荷。風載荷的計算表達式為[9-10]：

圖1 挖泥船動力定位時域模擬原理

(1)

式中：Fxw,Fyw,Mxyw分別為縱向、橫向與艏搖風力；ρw為空氣密度；Cxw(φwR),Cyw(φwR)和Cxyw(φwR)分別為縱向、橫向與艏搖風力系數；AT，AL分別為艏向與側向受風面積；LPP為兩柱間長；vwR為海平面上方10 m相對風速。

1.2 流載荷計算

海洋洋流的存在，流載荷也是環境載荷的一部分，由于挖泥船的實時運動，故需考慮船與海流相對速度的影響，與風載荷類似，流載荷計算表達式為[11-12]：

(2)

式中：Fxc,Fyc,Mxyc即為縱向、橫向和艏向流力；ρc為海水密度；Cxc(φcR),Cyc(φcR)和Cxyc(φcR)分別為縱向、橫向和艏向流力系數；vcR為船體與海浪相對速度；d為船舶平均吃水。

1.3 波浪載荷計算

波浪載荷可以分為一階波浪載荷和二階波浪載荷。一階波浪載荷主要使海洋結構物在平衡位置產生波頻運動，不會發生漂移；而二階波浪載荷則會使海洋結構物發生緩慢的漂移。二階波浪載荷主要由平均、差頻和合頻三部分組成，在常規的計算中一般只考慮差頻力部分和平均力部分，而忽略合頻力部分。平均波浪力和差頻波浪力合稱波浪漂移力，其大小與入射波波高的平方成正比，頻域下其比例關系用二次傳遞函數表示。由二次傳遞函數P(ω1,ω2)與Q(ω1,ω2)經傅里葉變換，可得到時域脈沖響應函數[13-14]：

e(iω1τ1-iω2τ2)dω1dω2

(3)

(4)

若給定波浪時歷ζ(t)，則有波浪漂移力時歷：

ζ(t-τ2)dτ1dτ2

(5)

式中，i=1,2，…，6。

1.4 低頻運動方程

挖泥船在風、浪、流以及推力等共同作用下產生的運動可分解為波頻運動和低頻運動。波頻運動由一階波浪力引起，其幅值較大，推力器產生的推力不可能完全抵消。同時高頻波浪載荷引起的高頻運動僅表現為在平均位置處的周期性振蕩運動，所以低頻運動是動力定位系統所要抵抗的主要運動，運動時域模擬中也僅考慮低頻波浪力的作用。

挖泥船自由度低頻運動方程為[15-16]：

(6)

式中:u,v,w為線位移速度；p，q，r為角位移速度；m為挖泥船質量，包含附加質量；Ixx，Iyy，Izz，Izx為挖泥船慣性矩，包括附加質量矩；X，Y，Z分別為x，y和z方向的外力；K，M，N分別為x，y和z方向的外力矩。

2 挖泥船動力定位時域模擬

2.1 挖泥船模型

本船艙容約8 100 m3，雙機雙槳復合驅動，用于沿海疏浚和吹填作業。主要船型參數如下：總長LOA=134 m,型寬B=22 m,型深D=9.2 m,設計吃水d1=6.8 m,作業吃水d2=8.2 m,排水量(設計吃水)T=15 700 t,排水量(作業吃水)T=19 379.4 t。

該船采用2個主推力器與1個電驅動艏側推來控制挖泥船的定位，主推力器直徑3.4 m，最大功率4 500 kW，艏側推直徑2 m，最大功率600 kW。同時該船還配備有2個半平衡半懸掛舵，最大舵角35°。推力器具體安裝位置如圖2所示。

圖2 推力器安裝位置示意

2.2 動力定位時域模擬

本動力定位時域模擬主要利用上海交通大學海洋工程國家重點實驗室的軟件DPSIM進行計算。根據該船用途以及作業環境要求，模擬風速15 m/s，最大流速1.029 m/s，波浪模擬采用JONSWAP波浪譜，其有義波高3 m，譜峰周期6 s，取風浪流同向聯合作用。由于動力定位更關注挖泥船在水平面的運動偏移，故時域模擬僅對挖泥船水平面的3個自由度運動進行控制，即：橫蕩、縱蕩和艏搖。根據船體推力系統配置的特點，無法在船體艏向與外界環境力方向夾角過大的情況下進行有效定位。故在時域模擬中艏向角自0°～20°每隔5°進行計算，包含不同流速下工況的對比，其中流速分別為1和2 kn。通過不同工況的時域模擬，最終得到挖泥船動力定位狀態下的水平偏移和總功率消耗的時歷曲線及其統計值。

2.2.1 偏移半徑計算結果

定位精度的評估方式是通過測量船體上控制點與目標位置水平方向偏差實現的，同時要兼顧艏向角的偏差。水平方向的偏移半徑公式如下：

(7)

偏移半徑統計值時域模擬結果如表1所示。挖泥船在不同艏向角、不同流速下的水平偏移時歷曲線如圖3所示。

根據以上時域模擬的結果可以發現，在相同偏移角度情況下，隨著流速的增加，定位精度下降。當流速增加到2 kn以上時，無法進行有效定位。在相同流速情況下，隨著艏向角的增加，定位精度下降。由于舵轉角的限制，無法提供更大的Y向力及偏轉扭矩，當艏向角增加到20°以上時，無法進行有效定位(見圖4)。

對于動力定位系統，普遍允許的偏移量為水深的2%～4%，對于本船工作狀態下的水深40 m而言，允許平均偏移量為0.8～1.6 m，從結果上看，僅當艏向角為0°流速為1 kn的工況是符合要求的。

表1 挖泥船偏移半徑統計值 m

2.2.2 功率消耗計算結果

時域模擬計算結果的消耗功率統計值如表2所示。挖泥船在不同艏向角不同流速下的功率消耗時歷曲線如圖5所示。

表2 挖泥船功率消耗統計值 kW

根據以上數值模擬的結果可以發現，在相同艏向角情況下，隨著流速增加，動力定位消耗功率增加，包括平均功率、最大功率及最小功率。在相同流速情況下，隨著船體偏轉角度增加，消耗總功率總體呈增加的趨勢。當艏向角為20°，流速為2 kn時，兩個主推進器及艏側推并沒有接近于滿負荷工作，而再增加偏轉角度或者流速時卻無法進行有效定位。說明無法定位的原因不是推進器無法提供足夠的推力，因為在保證偏移半徑盡可能小的前提下，同時要兼顧艏向角盡可能小的擾動，由于舵轉角的限制，無法提供足夠的偏轉扭矩使艏向角保持在目標角度，使得船體無法在目標位置平衡，從而偏離目標位置，無法進行有效定位。

3 動力定位模型試驗

模型試驗是研究動力定位系統的重要方法之一，通過在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室海洋工程水池開展挖泥船動力定位模型試驗，獲得該船相關定位信息，包括運動、受力以及消耗功率等。根據試驗的條件與要求，模型縮尺比λ=50。模擬的環境載荷如表3所示。

有義波高/m譜峰周期/s風速/(m·s-1)流速/(m·s-1)風浪流方向實際值模型值實際值模型值實際值模型值實際值模型值同向30.0660.849152.1211.0290.145

動力定位更關注挖泥船在水平面內的3自由度運動，故本試驗主要測量分析挖泥船縱蕩、橫蕩及艏搖的運動時歷。模型分別在0°、10°艏向角下進行實驗，共有2個實驗工況。最終，艏向角為0°時，挖泥船具有一定定位能力。各個螺旋槳功率消耗在一定范圍之內，10°艏向角時，挖泥船定位并沒有成功，推力器功率并未達到峰值，說明挖泥船所布置的3個推進器和2個舵不足以合理分配抵抗外環境力。

將模型試驗數據換算成實船數據，試驗結果見表4和表5。圖6、7給出了已換算為實船的挖泥船模型試驗數據的時歷曲線。

表4 0°艏向角下的位置統計分析

表5 0°艏向角下的功率消耗統計分析

對于動力定位系統，普遍允許的偏移距離為水深的2%～4%，對于本船工作狀態下的水深40 m而言，允許平均偏移量為0.8～1.6 m，從結果上看，偏移半徑的統計平均值是符合要求的。本試驗設計海況對挖泥船比較惡劣，因此當遭遇大風大浪時，出現最大漂移半徑較大并且平均漂移半徑靠近允許范圍的極限值的情況。

圖6 偏移半徑時歷曲線

圖7 推進器消耗功率時歷曲線

圖8 艏搖角時歷曲線

當艏向角為0°時，大部分風浪流力可以由主推進器直接抵抗，當艏向角有一定偏移時，可通過艏側推進器進行調整來保持一定的定位位置。本試驗中，當艏向角偏移一定角度時，無法進行有效定位，螺旋槳并未達到最大功率，說明推力不足不是無法定位的原因，由于舵轉角的限制，無法提供足夠的偏轉扭矩使艏向角保持在目標角度，使得船體無法在目標位置平衡，從而偏離目標位置。由試驗結果不難發現，在試驗設計的海況下，挖泥船總體定位較好，若出現惡劣海況，仍會出現定位失敗的情況，因此，挖泥船在實施作業過程中最好避免上述模擬以及試驗海況。

4 結果分析

本文通過數值時域模擬和模型實驗的方法從定位精度和功率消耗兩個角度對比分析挖泥船的動力定位系統，得到以下結論：

(1) 在相同艏向角度情況下，隨著流速的增加，動力定位的定位精度下降，且消耗功率增加。當流速增加到2 kn以上時，無法進行有效定位。

(2) 在相同流速情況下，隨著艏向角的增加，動力定位的定位精度下降，且消耗功率有增加趨勢。由于舵轉角的限制，無法提供更大的偏轉扭矩使艏向角保持在目標角度，使得船體無法在目標位置平衡，從而偏離目標位置。

(3) 模型試驗的結果與時域模擬計算得到的結果共同表明，該挖泥船僅能在艏向角為0°，流速較小(小于2 kn)的情況下，具有一定的定位能力。

(4) 模型試驗的結果與時域模擬計算得到的結果存在一定的偏差，與試驗過程中測量裝置的誤差有一定的聯系，但是總體趨勢吻合較好。

5 結 語

本文針對研究較少的耙吸式挖泥船動力定位系統，以某8 000 m3耙吸式挖泥船為研究對象，從定位精度和功率消耗兩個角度出發，采用模型試驗與時域模擬兩種方法對動力定位系統進行研究。通過構建動力定位時域模型，對挖泥船在各種海況下的實時運動進行時域模擬分析，得到該挖泥船的偏移半徑時歷和功率消耗時歷，并進行模型試驗，將模型試驗與時域模擬結果的分析與比較，得到該挖泥船定位能力與相關信息，為實船動力定位系統提供參考與優化空間，并為將來工程實踐應用提供必要的理論與實踐指導。

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Numerical Research and Model Test on the Dynamic Positioning System of a 8 000 m3Drag Suction Dredger

ZHUYi-ming,WANGLei,ZHANTao,LIUHan-lin

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The research focuses on the dynamic positioning system on a 8 000 m3drag suction dredger and builds the model of low frequency motion equation and model of thruster system which leads to a time domain simulation for analyzing the dynamic position system. The environmental loads include wind, wave and current. By these, the horizontal offset and power consumed as well as their statistic values can be analyzed. At the same time, model test is also conducted to verify the results The computed results agree well with test data. The results of simulation and model test show that the dredger can keep its state in certain environment. The distribution of thrusters may not provide enough moment to help the vessel keep its state. The result can be easily introduced into engineering practice and provide designers with useful information when one is designing a dynamic positioning system on a drag suction dredger.

drag suction dredger; dynamic position system; time domain simulation; model test

2016-01-26

國家自然科學基金項目(51179103)； 國家重點基礎研究發展計劃項目(2013CB036103)

朱一鳴(1991-)，男，江蘇淮安人，碩士生，從事動力定位系統研究。Tel.:18221372875； E-mail:zym262513@sjtu.edu.cn

王 磊(1971-)，男，安徽蚌埠人，副教授，從事動力定位系統研究。Tel.:021-62932025； E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn

P 751

A

1006-7167(2016)09-0004-06