重大件貨物駁運波浪運動響應預報分析

劉燕星++陳曉明+江峰

摘 要：通過駁船載運重大件貨物時，需要對其進行適當的系固綁扎。駁船航行時處于復雜的波浪環境，其在波浪中的運動加速度響應值可作為船上貨物系固有效性的校核依據。本文基于水動力頻域分析和波浪譜分析方法，采用水動力計算軟件分析駁船載運橋吊的重大件貨物載運系統在波浪中的運動響應，對橋吊載運綁扎系統在波浪中的運動加速度進行短期預報，作為綁扎方案安全性評估的技術依據。本文分析思路可為同類重大件貨物駁運系固方案的校核提供參考。

關鍵詞：重大件貨物駁運系統；系固綁扎；運動加速度；短期預報

中圖分類號：U661.32 文獻標識碼：A

Short-term Predictions of Heavy and Lengthy Cargo-barge Systems Motion Response in Wave

LIU Yanxing， CHEN Xiaoming， JIANG Feng

（ CSIC Architecture Design & Research Institute Co.， Ltd. Beijing 100024 ）

Abstract： When heavy and lengthy cargo is transported by barge， they should be secured and lashed appropriately. When sailing in wave， the barge will encounter complex wave loads. The barges acceleration of motion response in wave can be used for evaluating the securing plan. Based on the hydrodynamic frequency domain analysis method and wave spectrum analysis method， a barge carrying three bridge cranes is selected to analyze its motion response in wave by the hydrodynamic software. Short-term predictions of the motion acceleration for the heavy and lengthy cargo-barge system are the basis of the safety evaluation of the system.

Key words： Heavy and lengthy cargo-barge system； Securing and lashing； Acceleration； Short-term prediction

1 前言

重大件貨物通常指單件重量或尺寸過大的貨物。由于重大件貨物具有體積大、重量重、形狀復雜等特點，普通的散貨船及集裝箱船難以承擔其運輸任務。國際上用于重大件貨物載運的船舶主要是具有超大甲板和特殊穩性系統的駁船和專用重件運輸船，其中又以駁船運輸最為普遍。駁船在航行途中要承受復雜的波浪環境載荷，在三維空間上發生不規則搖蕩運動，由此引起船上貨物的縱、橫和垂向三個方向的加速度，使貨物發生或可能發生位移、傾覆或損傷。如果不對重大件貨物進行適當的系固綁扎，輕則造成貨物損毀，重則造成船毀人亡的海難事故。船舶加速度值作為校核船上貨物系固有效性的重要依據，各國船級社和研究機構通過對實船和模擬船的加速度測試和數據分析，提出了對海船在設定的惡劣海況下確定其加速度值的計算方法。這類計算方法大部分對所載貨物的類型有所規定，且是以基于規則本身所設定的惡劣海況為條件的，無法綜合考慮具體船舶的實際航行情況。

本文基于水動力頻域分析和波浪譜分析方法，考慮珠三角相關航線海域最高海況，采用AQWA水動力計算軟件分析某駁船載運橋吊的重大件貨物載運系統在波浪中的運動響應，對橋吊載運綁扎系統在波浪中的運動加速度進行短期預報，作為綁扎方案安全性評估的技術依據。本文應用水動力方法計算求取重大件貨物載運系統在波浪中的運動加速度幅值，對于校核綁扎方案可靠性、保障重大件貨物載運安全、避免事故發生具有重要的參考價值。

2 船舶波浪運動響應分析方法

船舶在波浪作用下會產生6個自由度的運動：縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖、搖首，并引起相應運動方向上的加速度。其中，船舶在某時刻重心G （ XG，YG，ZG ）處的運動為：

（1）

若將運動船舶視為剛體，則其上任一點 P（ xp， yp，zp）的線加速度為：

（2）

利用譜分析方法預報船舶在波浪中的運動響應是目前主流的研究方法，本文采用該方法分析船舶波浪運動響應。

在實際工程中，波浪的統計特性均采用波浪譜來表示。根據航行海域情況采用JONSWAP譜，其波浪譜密度函數表達式為：

（3）

式中：Tp為譜峰周期，s；

Hs為有義波高，m；

γ為譜峰提升因子，本文取γ = 3.300；

σ為峰形參數：當ω≤ωp，σ = 0.07；當ω> ωp，σ = 0.09。

船舶無航速時，波浪譜中的ω表示波浪的自然頻率；而航行船舶具有航速和波向角，此時自然頻率應換算成船舶的遭遇頻率 。設航行船舶以航速V和遭遇浪向角θ在規則波中航行，則

遭遇周期： （4）

遭遇頻率： （5）

遭遇波浪譜： （6）

響應譜和波譜均服從統計學原理，所以當描述船舶在隨機波浪作用下產生的響應時可以用響應譜函數的方式。航行船舶以一定的速度在波浪中航行，其運動也是不規則的，并且每個運動模態都有其響應譜，可表示為：endprint

（7）

式中：Tz為平均跨零周期，s，可根據波浪譜與譜峰周期相互換算；

Hs為有義波高，m；

θ為航行的浪向角，rad；

Sζ（ωe | Hs ， Tz）為短期海況分布 （Hs ， Tz） 下的波浪譜；

Si（ωe | Hs ， Tz ， θ）為運動響應譜；

RAOi（ωe | θ）為運動響應幅值因子（RAO），包括位移、速度、加速度等；

下標i表示運動的6 個自由度方向。

作為波浪譜與響應譜之間的轉換因子， RAO描述的是船舶在單位規則波作用下的運動響應幅值，可采用水動力頻域分析方法計算獲得。

根據響應譜可以得到每個頻率下的運動響應幅值的短期預報，其中：

運動響應幅值： （8）

平均跨零周期（對應平均跨零率，服從泊松分布）：

（9）

響應值均方根： （10）

有義響應幅值： （11）

運動響應極值短期預報：

（12）

mj是相應運動響應譜的j階譜矩，也即響應譜下的j階面積矩；

T為運動持續的時間周期，通常取T = 3 h。

3 駁船橋吊載運系統在波浪中運動響應計算模型

3.1駁船橋吊載運系統簡介

駁船橋吊載運系統總布置圖如圖1所示，其載運工況主要參數見表1。

3.2數值計算模型及運動加速度響應輸出位置

船舶在波浪中運動響應計算的水動力模型采用船舶的濕表面和橋吊上用于輸出計算結果的特征位置進行水動力建模，其坐標原點設在尾柱靜水面處，如圖2所示。

在計算模型中設置特定位置輸出運動加速度響應值，主要包括3臺橋吊的重心及主要綁扎位置。根據3臺橋吊各自放置位置所在區域對應載運船的位置，將3臺橋吊分別記為：橋吊 I、橋吊 II和橋吊 III。其中，由于3臺橋吊的重心均可視為位于載運船中線面上，且橋吊III 重心距舯大于橋吊I 重心距舯，橋吊III 運動中的加速度應大于橋吊I ，因此對于主要綁扎位置選取橋吊III 靠載運船尾部的框架上，共選取 6 個綁扎位置，如圖3所示。

3.3 環境參數

（1） 浪向角

考慮載運船舶為對稱船型，計算浪向角可取值為0? ～ 180?。對浪向角計算步長取為30?，計算浪向角取θ = 0? 、30? 、60? 、90? 、120? 、150?。

（2）波浪參數

珠三角相關航線海域最高海況條件的波浪參數為：有義波高HS = 9.0 m；平均跨零周期TZ = 10.0 s。

4 計算結果及分析

4.1 駁船橋吊載運系統重心的響應幅值因子（RAO）

采用水動力頻域分析的3D面元法計算單位規則波中駁船-橋吊載運系統重心的RAO，并按3.3節所取的6個浪向角輸出各個RAO的幅值，如圖4所示。圖中橫坐標為波浪周期，其范圍為 2.0 ～ 20.0 s；縱坐標為單位波幅響應值（m/m，?/m）。

4.2 駁船橋吊載運系統運動加速度響應短期預報計算結果

按上述短期預報方法計算船–橋吊重心和各個綁扎點的運動響應，獲得重心及各個計算點在各個浪向中的運動加速度響應統計值。其中，根據系統重心的RAO 以及重心與各個綁扎點的空間位移關系，可推算出各個綁扎點的運動加速度RAO。根據該計算結果，對于每個輸出運動加速度的特征位置，分別選取各個浪向中的最大值作為該特征位置在既定載運工況下的最大運動加速度響應值，以此作為綁扎方案安全性評估的技術依據，并記錄相應的浪向角，所得結果見表2。

必須注意，運動加速度響應值的最大值選取是整組選取，綜合比較不同浪向角下的計算結果，并以每組加速度中最大加速度分量為比較的優先指標。

表2 駁船橋吊載運系統波浪中運動加速度響應短期預報最大值統計

4.3 計算結果分析

由上述計算結果可知，駁船橋吊載運系統運動加速度響應最大值既與浪向有關，在橫浪和接近橫浪時會產生較劇烈的運動加速度響應；又與校核點的位置有關，距離系統重心越遠，橫搖加速度響應越劇烈；距離舯縱剖面越遠，產生的垂向加速度響應也越劇烈。在系固方案校核時，應根據系固綁扎點的具體位置，著重校核其加速度響應較劇烈的方向上的系固綁扎強度。同時在運載過程中，應盡量避免船舶遭遇橫浪情況。

5 結論

本文根據珠三角相關航線海域最高海況條件，采用水動力頻域分析方法和波浪譜分析方法，計算駁船橋吊載運系統在波浪中的運動響應，輸出所選取特征位置的運動加速度響應值，為橋吊載運的綁扎方案評估提供技術依據。通過水動力方法直接計算重大件貨物載運系統在波浪中的運動加速度響應，對于校核系固綁扎方案、保障載運安全，具有重要的參考意義。

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