超寬“海上漁場”海運砰擊數值模擬與分析

李軍

(廣州打撈局，廣州 510260)

船舶在惡劣的海況下航行時，船艏或其他外飄結構會離開水面并再次入水，此時船艏底部及其他受砰擊部位會產生非常大的水動力載荷。砰擊會導致船體結構受損甚至會引起船舶折斷，因此準確預報和模擬船舶受到的砰擊載荷是水動力學研究的前沿課題之一。目前學者們研究方向主要是在船舶航行中船艏底部或海洋平臺作業中結構物底部所遭受的砰擊載荷模擬及計算[1-3]，而對于貨船運輸懸垂貨物外飄部分結構所受波浪的砰擊，比如半潛船運輸超大、超寬貨物，貨物主體結構外飄半潛船舷側幾十米，其因船舶橫搖、垂蕩，以及波浪產生的砰擊，則鮮有文獻報道。為此，考慮利用勢流理論及半潛船運輸超寬懸垂貨物砰擊控制條件的數值模擬方法，以迄今為止世界規模最大半潛式“海上漁場”從中國青島海上運輸至挪威為例，應用OCTOPUS軟件對海運過程的砰擊進行數值模擬，分析海況、船舶吃水及航速等參數變化對船舶縱橫搖、砰擊發生概率及砰擊載荷的影響，以獲得最優海運方案。

1 懸垂外飄貨物砰擊控制條件

當外飄船舷側部分結構物某關注點到水面的距離小于0的時候，浸沒就會發生。

s>f

(1)

式中：f為船舶干舷；s為關注點的相對上下幅值：

s=δ-z+xθ+yφ

(2)

其中：δ為波浪幅值；z為垂蕩幅值；x為關注點相對系統重心位置在船長方向差值；y為關注點相對系統重心位置在船寬方向差值；θ為縱搖角；φ為橫搖角。

為了進行統計分析，式(2)可寫成響應幅值因子的模式。

Hsδ=Hδδ-Hzδ+xHθδ+yHφδ

(3)

由于關注點的上下幅值s服從瑞利分布，因此關注點相對幅值大于干舷(即s>f,發生浸沒)的概率為

(4)

式中：mos為響應譜曲線下的面積。

(5)

(6)

每小時發生砰擊次數為

(7)

在獲得關注點的相對速度后，根據以下經驗公式計算砰擊載荷。

(8)

為了保障超寬懸垂貨物不被砰擊損壞，需要減小甚至是消除砰擊發生概率及載荷。

2 工程實例及計算模型

2.1 工程實例

“海上漁場”是迄今為止世界上規模最大的半潛式智能海上漁場，是一個巨大的圓柱體結構，總高69 m、直徑110 m、外徑122.6 m，四周共有12個柱子，底面還有6個圓錐形壓載艙，最下面有6個圓柱，圓柱與圓柱之間是漁網連接起來，整體容量超過250 000 m3?？沾|量為7 720 t，可抗12級臺風，其外觀見圖1。

圖1 “海上漁場”外觀

使用L×B×D=182.2 m×43.6 m×11 m的半潛船“華海龍”從中國青島經好望角將“海上漁場”運輸至挪威?！叭A海龍”裝載該“海上漁場”后，貨物外飄懸出船舷兩側各39.5 m，且遠洋航行15 500多n mile，這樣極限的主體結構超寬外飄海運在半潛船運輸的史上也是首次。針對此超寬懸垂以及極易發生在橫搖時的踏水及砰擊問題，根據貨物特點和半潛船的有效甲板面積，采用在漁場底部增加支撐梁的方式，增大“海上漁場”距水面空隙(air gap)，裝載布置三維模型見圖2。

圖2 配載三維模型示意

雖然支撐梁的使用增大了漁場到水面的air gap，但由于懸垂外飄的總寬度達半潛船船寬的1.8倍，在船舶橫搖約6°時，“海上漁場”就開始踏水。因此,海運過程中的砰擊分析就成為能不能成功運輸“海上漁場”的關鍵。

2.2 計算模型

根據上述的配載方案，采用OCTOPUS軟件建立建立半潛船的三維運動響應計算模型，見圖3。完成建模之后經過與船模試驗耐波性的RAO進行了分析對比，確認了半潛船模型模擬的準確性，隨后將半潛船裝載“海上漁場”后的工況信息(如吃水、初穩性、轉動慣量及砰擊關注點坐標等)，加入到計算模型中。

圖3 砰擊數值模擬的水動力模型

對于“海上漁場”、半潛船及壓載水(包含漁場壓載艙及半潛船壓載艙)的轉動慣量，根據實際工況給予正確定義，否則模擬結果將會失真。

3 砰擊的數值模擬與分析

3.1 砰擊分析總體思路

根據最易產生砰擊點的外飄結構物，建立砰擊分析關注點，以減少甚至是消除外飄結構的砰擊為目的，模擬海運過程中不同海況、航行吃水及航速情況下，船舶橫搖、縱搖、垂蕩、“海上漁場”砰擊發生概率及砰擊載荷的變化情況。

3.2 海況變化對砰擊的影響

在保持航行工況固定的條件下，模擬船舶運動響應(主要為橫搖、縱搖及垂蕩)、外飄結構(因貨物及船舶左右對稱，關注點坐標只建左舷外飄點)砰擊發生的概率及砰擊載荷在不同有義波高和譜峰周期海況下的變化情況，計算結果見圖4～8。

圖4 海況變化對橫搖的影響

圖5 海況變化對縱搖的影響

圖6 海況變化對垂蕩的影響

圖7 海況變化對砰擊發生概率的影響

圖8 海況變化對關注點度垂向速度的影響

從圖4～8可知，橫搖和垂蕩隨浪向角的變化基本一致：在首浪和尾浪響應最小，在橫浪響應最大，均隨遭遇海況有義波高的增加而增加，且橫搖在橫浪時隨有義波高增加的幅度明顯；縱搖隨浪向角的變化則和橫搖基本相反，隨遭遇海況有義波高的變化基本呈線性；關注點垂向速度和發生砰擊的概率，在首浪和尾浪響應最小，在橫浪響應最大，均隨同側橫浪(左舷來浪，浪向角270°)有義波高增加增加顯著，且在有義波高小于4.0 m的情況下發生砰擊的概率均為零，大于4.0 m后的發生砰擊的概率，在同側橫浪下增加特別顯著。

3.3 航行吃水變化對砰擊的影響

航行吃水越小，船舶的干舷就會越大，相對而言外飄結構發生砰擊的概率就會降低；但是如果航行吃水太小，船舶排水量也會隨之變小，航行中船舶其他的運動響應可能會加劇，也可能會導致砰擊發生的概率增大。因此需要模擬船舶運動響應、外飄貨物結構砰擊發生的概率及砰擊載荷在不同船舶航行吃水工況下的變化情況，計算結果見圖9～13。

圖9 航行吃水變化對橫搖的影響

圖10 航行吃水對縱搖的影響

圖11 航行吃水對垂蕩的影響

圖12 航行吃水對坪擊發生概率的影響

圖13 航行吃水對關注點度垂向速度的影響

從圖9～13可知，橫搖、縱搖、垂蕩、關注點砰擊發生概率及垂向速度隨浪向角的變化規律基本和上節中不同海況情況一致；縱搖和垂蕩隨航行吃水變化而變化微小；橫搖和關注點垂向速度隨航行吃水的變大稍微有所增加，但是幅度很?。魂P注點發生砰擊概率則隨航行吃水增加而顯著增大。

3.4 航行速度變化對砰擊的影響

在遇到惡劣海況時，船舶通常利用調整航速的方式，來控制船舶的橫搖，由于外飄結構懸垂巨大，發生砰擊時除了有垂向的砰擊外，還有因船舶航行速度的拖拽力，因此模擬船舶運動響應、外飄結構砰擊發生的概率及砰擊載荷在不同航速工況下的變化情況，十分有必要，計算結果見圖14～18。

圖14 航行速度變化對橫搖的影響

圖15 航行速度對縱搖的影響

圖16 航行速度對垂蕩的影響

圖17 航行速度對抨發生概率的影響

圖18 航行速度對砰擊次數的影響

從圖14～18可知，橫搖、縱搖、垂蕩、關注點砰擊發生概率及垂向速度隨浪向角的變化規律和上述情況基本一致；橫搖和垂蕩隨航行速度的增大而增加；縱搖隨航行速度的變大而減??；關注點發生砰擊概率則隨航行速度增加變化不明顯。

4 結果驗證

根據OCTOPUS軟件模擬結果和分析進行海上運輸航行控制，即在滿足規范條件下，盡量減小航行吃水、減小船舶初穩性，同時進行航行海況和首向控制，即利用氣象導航控制遭遇海況有義波高不要超過4.0 m，盡量避免遭受橫浪，確保航行過程安全可控。

通過將實際航行數據與OCTOPUS模擬計算結果進行對比，在船體橫搖方面誤差在0.3°的范圍內，砰擊發生的概率情況也與本文計算結果高度吻合，證明數值模擬方法是合理可行的。

5 結論

通過對海上運輸超寬“海上漁場”航行過程

的砰擊進行數值模擬分析，研究海運過程中各種海況工況、航行吃水及航速下船舶響應及砰擊發生概率等變化情況，根據結果分析獲得最優運輸方案。數值的計算與分析表明：①在遭遇不同浪向角海況時，橫搖和抨擊發生概率在首浪和尾浪下最小，在橫浪時最大，且隨遭遇海況有義波高增加而增加顯著，尤其是外飄貨物同側橫浪，關注點發生砰擊的概率更為顯著，因此航行中必須進行航行的氣象導航和首向控制，減少遭受超過4 m有義波高及橫浪的發生；②關注點發生砰擊概率則隨航行吃水增加而顯著增大，因此減小航行吃水，增大干舷，發生砰擊的概率也會顯著降低；③橫搖和垂蕩隨航行速度的增大而增加，縱搖隨航行速度的變大而減小，而關注點發生砰擊概率則隨航行速度增加變化不明顯。