起重船在搶險救援行動中的應用技術研究

2021-09-08 08:58:12周園園

科技創新與應用 2021年24期

周園園，邵飛，高岳

（陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇南京 210007）

在執行搶險救災任務時，現有的舟橋器材雖然能夠做到快速出動，但受作業條件限制，還不能在近海海域中得到應用。隨著我國經濟社會的發展，浮式工程結構在搶險救災行動中受到廣泛關注。

當前，國內外對浮式工程結構研究廣泛。Kral和Kreuzer[1-2]對規則波浪中系泊起重船的運動進行了研究，將起重船視為由駁船和懸吊載荷組成的多剛體系統，給出動力學方程并進行了數值仿真和相軌跡分析。Ellerman等[3-4]在Kral工作的基礎上，對同一起重船模型的非線性動力響應進行了詳盡的試驗與理論研究，主要關注分叉行為和吸引子的存在等非線性現象。Kreuzer和Wilke[5]在研究錨泊浮體的波浪動力響應時，應用線性勢流理論計算浮體與波浪的相互作用，用改進的Morison公式計算錨鏈的水動力。沈慶等[6]給出了浮基多體系統自激運動響應的時域分析方法，考慮了多體系統內部的耦合以及浮基與流場的耦合，并根據多剛體動力學Huston方法建立了系統的動力學方程。Zhang等[7]介紹了海洋工程起重系統的發展和分類，對主要的近海起重船進行了分析，并給出了海洋工程起重系統優先研究方向和起重過程模擬的基本思路。

1 波浪基本理論

1.1 波浪的運動特性

波浪理論是揭示水波運動的內在本質，如波浪場中的水質點速度分布和壓力分布等。對于波浪作用的研究一般從兩個領域進行，一是從流體力學的角度，研究液體內部各質點的運動狀態，包括線性波浪理論和非線性波浪理論[8]；二是將海面波動看作是一個隨機過程，揭示海浪內部波動能量的分布特性，從統計意義上對液體內部各質點的運動狀態進行描述。水質點做振蕩運動時,波形的推進運動如圖1所示。

圖1 波形的推進運動

建立簡單波理論時，假定：流體是無黏性的理想流體，自由水面的壓力是均勻的且為常數，水流運動時無旋；海底水平、不透水；流體上的質量力僅為重力，表面張力和柯氏力可忽略不計；波浪屬于平面運動，即在x-z平面內做二維運動。

根據流體力學原理，在上述假定下的波浪運動為勢運動，這種波浪稱為勢波。其水質點的水平速度u和垂直速度w可由速度勢函數φ=（x，y，t）導出，即：

由流體的連續性方程：

將二式聯立可得勢波運動的控制方程，即拉普拉斯（Laplace）方程：

求解上述方程，需要確定邊界條件，二維波動滿足的邊界條件包括以下三種。

（1）在海底表面，水質點垂直速度應為零，即：

（2）在波面z=η處，滿足動力邊界條件，分別為：

（3）上、下兩端邊界條件。

從空間和時間上看，同一相位點上的波要素值是相同的，可以寫成：

式中，L、T分別為波浪的波長和周期。

1.2 質點運動軌跡

由以上假定可知，式（5）、（6）中的非線性項與線性項的比值是小量，可以忽略，方程中保留線性項。簡化后可分別表示為：

二式聯立可得：

對方程采用分離變量法，并利用邊界條件，可得到勢函數φ的解為：

此時，自由水波面曲線式（9）可得：

根據勢流理論，由式（12）可得流體內部任一點（x，z）處水質點運動的水平速度u和垂直速度w分別為：

假定水質點的運動速度都等于流場中（x0，z0）處的速度，將流速對時間t進行積分就可以得到水質點的遷移量：

得到水質點運動軌跡方程：

此軌跡為一封閉橢圓，水面處b=H/2，即為波浪的振幅。

1.3 微幅波的壓力場

根據線性化后的伯努力方程，可求波壓力的表達式：

將勢函數表達式代入，則有：

淺水情況下壓力表達式可以簡化為：

由上可以看出，淺水波的動水壓力沿水深是一個常數，它不會隨質點位置變化而改變。

2 起重船試驗模型建立及分析

2.1 建立起重船試驗模型

建立由躉船、配重、吊臂、荷載組成的起重船多剛體系統力學模型[9]，如圖2所示。躉船作為基座，一般為箱型結構[10]。取慣性坐標系o-xyz的原點與浮船靜止時的質心重合，x軸指向船首，y軸指向左舷，z軸豎直向上。配重和吊臂可作為一個整體在水平面內繞z軸回轉。吊臂與水平面的夾角稱為吊臂的仰角，用φ表示。荷載用鋼絲繩系于吊臂上端懸吊點。為便于計算轉動慣量，各部件形狀均取為規則的長方體。

圖2 起重船模型示意圖

由躉船的橫向尺寸（見表1），考慮附加轉動慣量并參照試驗數據資料[9]，求得浮船橫搖擺的固有周期T=1.55s，橫搖阻尼比為0.05s。海況為三級波浪，波長40m，波高0.5m，周期T=5.06s，最大波面角α0=2.25°。上部機構（配重、吊臂和載荷）的質量與轉動慣量遠小于躉船（見表1），忽略上部機構運動躉船橫搖運動的影響，并假定躉船的橫搖軸通過質心，橫搖固有頻率遠離波浪的激勵頻率，阻尼又較小，忽略阻尼對強迫橫搖運動幅值的影響。根據船舶在波浪中無阻尼橫搖的運動理論[11-12]，躉船在三級波浪作用下的橫搖角幅值θb方程為：