風電設備對系泊狀態下養殖工船穩性的影響分析

張春濤，蔡金延，丁仕風，周 利*

(1.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海200092) (2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，鎮江 212100)

近年來，海洋牧場成為海洋工程領域的新熱點，養殖工船長期遠離大陸作業，需要大量的電力維持養殖系統運轉.風電裝置作為綠色能源，是養殖工船能耗問題的最佳解決方案之一.在養殖工船原有設計基礎上添加風電設備，會額外增加設備重量，并產生較大的風電載荷，必然會影響船舶穩性，開展風電設備對系泊狀態下養殖工船穩性的影響分析非常重要.

完整穩性是船舶安全性的重要標準，在設計船舶和建造船舶時需要重點考慮的關鍵性因素.但仍然會有大量船舶由于穩性校核不嚴謹，出現嚴重事故.正是如此，國際海事組織(IMO)從上世紀中后期就開始修訂各種船舶的完整穩性規范，發展到目前為止，起草了《2008年國際完整穩性規則》，即第一代完整穩性規則[1].

早在18世紀，首次提出了穩心的概念，并定義了穩心半徑和初穩性高的概念，從19世紀90年代開始陸續出現學者對橫搖現象展開研究，文獻[2]對船舶在突風及規則波共同作用下的非線性橫搖運動方程展開研究；文獻[3]針對船舶在靜水中的穩性計算方法與波浪中穩性的計算方法進行區別，對規則波中的船舶穩性展開研究；文獻[4]闡述了國內外波浪中船舶穩性的最新進展，以及完整穩性的幾種失效模式的研究狀況和發展方向；文獻[5]研究了完整穩性與過度加速度薄弱性衡準草案理論方法,并進行了大量的樣船計算.文獻[6]基于經驗公式的Level 1衡準和波浪中物面非線性關系影響GZ曲線特征的Level 2衡準方法，對38條不同船型穩性喪失衡準敏感性進行了研究.文獻[7]根據工信部完整穩性衡準相關研究成果，介紹了5種失效模式薄弱性能衡準和直接評估的最新進展.文獻[8]結合了二代完整穩性5種失效模式特點，提煉并形成了模型試驗方法.文獻[9]根據第二代完整穩性4種穩性模式的計算分析，研究第二代穩性的實施對大型集裝箱船的穩性影響.文獻[10]基于波浪補償技術條件下對第二代完整穩性衡準中參數橫搖失效模式進行數值模擬，計算出船艇產生參數橫搖時保持穩定平衡的波浪補償量.文獻[11]采用第二代完整穩性衡準中薄弱性衡準方法對2種不同尺度的極地破冰船設計方案開展動穩性敏感性評估，指出了未來優化研究的方向.文獻[12]對二代完整穩性中5種失效模式的研究進展進行了綜述，同時給出了5種穩性失效模式的第一層薄弱性衡準、第二層薄弱性衡準以及直接評估方法.文獻[13]基于二代完整穩性，采用一種離散的船舶轉動慣量通用計算方法, 研究了過度加速度薄弱性衡準和穩性直接評估數值模擬方法對于轉動慣量計算精度的敏感性.文獻[14]發布了二代穩性衡準標準臨時指南.目前《2008年國際完整穩性規則》中尚未考慮附加載荷的影響.而風機作用可能產生橫傾力矩，從而對船舶穩性安全產生負面影響，目前這方面研究學術界和工業界都沒有開展過.

文中首次基于現行穩性衡準的力學背景，定量研究風電載荷對養殖工船的影響.通過分析影響系泊狀態下船舶穩性的參數，基于COMPASS軟件，構建船舶模型，計算不同風電安裝位置下，風電設備工作時，對船舶穩性造成的影響，并分析造成影響的原因以及穩性衡準值的變化范圍，核算安裝風電設備之后是否還滿足法規要求.然后借助COMPASS_WALCS波浪運動和載荷直接計算軟件，計算由于波浪作用產生的橫搖角，將結果與經驗公式相比較，進行不同計算方法對波浪引起橫搖角的敏感性分析.

1 穩性分析力學模型

1.1 風電載荷力學模型

風電設施在發電工作時可以視為作用在船舶甲板上安裝點位置處的一個任意方向的力矢量.這個力矢量的大小可以在30～50噸力范圍內浮動，安裝點位置可以是甲板上任意位置，力矢量的指向可以是指向天空的任意方向，F(x,y,z)為風電設備合力矢量；α為合力F與xoy平面的夾角；β為合力F與xoz平面的夾角；Fx，Fy，Fz分別為合力投影到各個坐標上的分量.

1.2 風電載荷基本假定

基于靜力學的穩性衡準對于船舶穩性評估的基本假定為：假定船舶在靜水當中忽略波浪對于自由表面的影響，采用自由縱傾原理(即運動自由度僅考慮吃水和縱傾)計算不同橫傾角下的GZ曲線值，校核風力載荷和波浪載荷影響下船舶的穩性是否滿足衡準要求.靜力學中對船舶運動自由度僅考慮橫傾縱傾和升沉3個自由度.

我國現在船舶穩性衡準要求是按照中華人民共和海事局頒布的《國際航行法定檢驗技術規則(2008)》附則3[1]中關于國際海事組織文件包括的所有船舶的完整穩性規則進行計算和校核.其中對漁船單獨做出衡準要求：

(1) 初重穩距要求

在各種裝載工況下經自由液面修正后的初穩性高度應不小于0.15 m.

(2) 復原力臂曲線下的面積要求

除另有明文規定外，在任何裝載工況下，復原力臂曲線(GZ曲線)下的面積應滿足下列要求：

至橫傾角φ=30°時，應不小于0.055 m·rad；

至橫傾角φ=40°或進水角φf(如φf<40°)時，應不小于0.090 m·rad；

在橫傾角30°～40°或30°與φf(如φf小于 40°)之間，應不小于0.030 m·rad；其中，φf為船體、上層建筑或甲板室的開口不能迅速關閉成風雨密而開始進水時的橫傾角.

(3) 氣象衡準值要求

船舶抵抗橫風和橫搖聯合作用的能力曲線如圖1.

圖1 突風與橫搖

船舶受到垂直于其中心線的一個定常風壓的作用，產生一個定常風傾力臂lw1，假定由于波浪作用假定由于波浪作用船由平衡角φ0向上風一側搖至一個橫搖角φ1，在定常風作用下的橫傾角)應不大于16°或甲板邊緣浸水角的80%，取較小者，然后船舶受到一個陣風風壓，產生一個陣風傾側力臂lw2，在此情況下，面積b應該大于等于面積a，即氣象衡準值應該大于1.

根據船舶完整穩性衡準的制定背景，船舶完整穩性衡準基于單一風險源分析原則，僅考慮船舶在水中受到風浪作用下時是否具備充足的抵御外載荷導致傾覆的能力.因此，現有法規中對于船舶完整穩性的規定，一般不直接在GZ曲線施加的傾覆力臂中考慮額外的載荷.在目前規則制定過程中，允許考慮初始橫傾角的影響，但對于外載荷則僅考慮風和浪對船體的直接作用.因此，從衡準制定的本源出發，應將風機載荷視為初始橫傾角的一個影響因素更合適.

考慮到風電工作載荷在作用點安裝位置、載荷空間力矢量方向和載荷大小上存在較大的不確定性，因此有必要研究各種可能情況下風電載荷對于船舶穩性的影響.根據完整穩性衡準的制定原則，可以將風電載荷等效轉化為作用在船上的若干力和力矩，并最終轉化為若干質量配載的形式進行等效處理.

因船舶進行穩性分析時視為剛體，船舶受到力矢量作用后，可以根據理論力學原理，將其等效為對于船舶重心施加的若干力和力矩的作用.現定義坐標系：坐標系原點與船舶裝載工況的重心重合.x軸與基線平行，由原點指向船首，y軸由原點指向船舶左舷，z軸由原點指向天空，坐標系定義滿足右手定則.

在上述坐標系下，假定船舶上的力矢量作用點坐標為(x,y,z)，力矢量分量為(Fx,Fy,Fz).則作用在重心處的等效力為(Fx,Fy,Fz)，等效力矩為(Mx,My,Mz).

Mx,My以及Mz的計算為：

Mx=Fz·y-Fy·z
My=Fx·z-Fz·x

Mz=Fy·x-Fx·y

(1)

根據分析，等效載荷可以進一步等效為施加在船舶上的等效質量配載：

Fz可等效為在重心位置配載的正/負質量；Mx可等效為在重心左/右舷配置一對正/負質量；My可等效為在重心前/后舷配置一對正/負質量.

等效質量可分為3個部分：

(1) ΔM1=Fz/g，坐標為重心處，定義坐標系下坐標為(0,0,0)；

(2) ΔM2=±Mx/2yg=±(Fz·y-Fy·z)/2yg，坐標為重心處，定義坐標系下坐標為(0,?y,0);

(3) ΔM3=±My/2xg=±(Fx·z-Fz·x)/2xg，坐標為重心處，定義坐標系下坐標為(±x,0,0).

計算時需要將不同方向上的等效力(Fx,Fy,Fz)按照上式，進行部分裝載，再與各個工況進行組合，形成不同的裝載工況，在COMPASS的SRH14的計算模塊中進行穩性計算，可得出在ld03工況下，安裝在(5,5,21.5)位置上的風機對船舶整體穩性的影響情況.

2 風電載荷對穩性影響分析

2.1 船體模型

采用Compass-Rules軟件，Compass-Rules海船規范計算系統作為船級社COMPASS工程計算軟件系統一個重要的子系統，廣泛應用于船舶審圖、規范科研、輔助設計、航海安全評估規范計算和審圖計算等領域.涵蓋了船舶結構、性能、輪機和電氣4個專業的計算模塊.此次對船舶穩性計算就是使用了其中的船舶性能模塊，根據船舶型線圖對船舶進行建模.由型線圖可知船長為241 m、型寬45 m的漁船，其型深為21.5 m，吃水為12 m，然后在COMPASS中建立船體模型，如圖2.

圖2 船體建模

然后根據總布置圖在船左舷空曠位置選取6個位置(右舷同理)，安裝風電設備：

FJ11，坐標(120,20,21.5)；

FJ12，坐標(120,16,21.5)；

FJ21，坐標(5,5,21.5)；

FJ22，坐標(5,0,21.5)；

FJ31，坐標(277,4.7,21.5)；

FJ32，坐標(277,0,21.5).

文中主要以空載出港(LD1)、滿載出港-結構吃水(LD3)、滿載出港-設計吃水(LD5)、養殖工況-結構吃水(LD7)4個工況為典型工況，并對其展開計算研究.

2.2 計算模型精度驗證

在COMPASS的SRH10模塊中對目標船舶進行建模并檢驗計算模型的正確性.用SRH11模塊計算不同裝載工況下的浮心縱向位置DLCB、橫穩心高HKMT以及排水量的值，主要與LD1、LD3、LD5與LD7工況下的裝載手冊中的值進行誤差分析，如表1.

表1 建模誤差分析

由表可以看出，KMT的誤差小于2%，LCB的誤差小于±1%，排水量的誤差小于±0.3%，都滿足國際船級社協會(IACS)對于穩性建模誤差的標準.

在確認計算模型精度滿足后，在SRH14模塊中按照裝載手冊不同裝載工況對模型進行配載計算，對計算所得到的吃水值、縱傾以及橫穩性初高HGM與裝載手冊上的對應值進行誤差分析，如表2.

表2 吃水值、縱傾以及HGM誤差分析

通過誤差對比分析，發現模型船和目標船在不同工況下的吃水、縱傾以及HGM都在可以接受的誤差范圍，再次確認模型船的可行性.

各項分析對比結果表明，建模具備良好的精度，用于后續風電載荷影響分析所獲得的結果將是可信的.

2.3 不考慮風電載荷作用條件下船舶穩性計算

通過計算，驗證了模型的精度后，開始對模型船進行風電設備質量配載和穩性.當風電設備不工作時，僅作為靜止的質量計入船舶配載，按照上述假定的六個位置作為安裝位置，質量計為5 t.則此時可將上述受力分析簡化為在(x,y,z)處受力Fz.通過計算得出氣象衡準值和穩定風作用下的橫傾角，并與裝載手冊上未安裝風電設備時的衡準值進行比較，如表3.

表3 LD3工況下安裝風電設備后衡準和橫傾角的變化值

從表中可以看出，在安裝風電設備之后，船舶穩性計算結果均滿足完整穩性規則，且與未安裝風電設備時的穩性計算結果相比較，變化值在可接受的范圍內.因此，在該位置安裝的風電設備對船舶完整穩性影響較小，能夠符合法規的要求.

2.4 多方向風電載荷作用條件下船舶穩性計算

當風電設施工作，計入(Fz,Mx,My)的影響，假設在以LD3工況(滿載出港-結構吃水)為例，選擇最靠近外側的3個位置安裝風電設備，坐標分別為：① FJ1：(120,20,21.5)；② FJ2：(5,5,21.5)；③ FJ3：(277,4.7,21.5).力矢量(Fx,Fy,Fz)的合力大小在為50 t，力矢量的指向方向在xoy平面上應360°等間距分布，分布間隔60°一個.力矢量的指向方向在xoz平面上應90°等間距分布，分布間隔為60°.按照式(1)進行等效質量計算，然后對模型進行等效質量裝載，計算得出初穩性高度HGM、氣象衡準值以及穩定風作用下的橫傾角，如表4.

表4 LD3工況下風電設備工作時的船舶穩性計算結果

由表4可知，在風電設備工作的情況下，只有穩定風作用下的橫傾角與原先未安裝風電設備時的橫傾角相比變化較大，其余值變化不超過10%.且在(120,20,21.5)位置時，各個穩性計算值變化更小.

這表明，由于風向改變導致的風力載荷方向的變化確實會對船舶完整穩性的安全水平產生不等的影響.但總體上各項穩性參數改變的絕對值較小，對于穩性安全裕度的改變不大，因此風向的影響總體較小.

2.5 典型環境工況下風電載荷對船舶穩性的影響

在計算了LD3工況之后，進一步研究風電載荷對于其他典型裝載工況的影響.選擇在LD5工況(滿載出港-設計吃水)下進行同樣的裝載計算，并與裝載手冊中未裝載風電設備時的穩性計算結果相比較，如表5.

表5 LD5工況下風電設備工作時的船舶穩性計算結果及變化值

由表中可以看出，在LD5工況下安裝風機電設備后，風電設備工作狀態下的船舶穩性計算結果依然滿足穩性衡準要求.總體上，考慮不同典型環境工況下的風電載荷對于本船典型裝載工況的穩性產生了一定的負面影響，削弱了船舶抵抗風浪的能力，但本船仍具備重復的穩性安全冗余，能夠滿足現行法規中對于完整穩性的有關技術要求.

3 波浪引起橫搖角敏感性分析

3.1 計算模型

3.1.1 經驗公式計算橫傾角

在COMPASS中計算橫傾角的經驗公式為：

(2)

式中：X1、X2、k以及s為系數，通過查表可知[2]，r=0.73+0.6(KG-d)/d；其中d為船舶平均吃水，m；KG為貨物重心，m.

由于COMPASS中計算波浪作用向上風一側的橫搖角是采用經驗公式計算[15]，對于不同的船型存在著不確定的誤差，所以文中又采用WALCS軟件，針對船舶在不規則波中的系泊狀態時的橫傾角進行精確計算，然后將計算所得的橫傾角替換COMPASS軟件計算所得的GZ曲線中的橫傾角，在定義域范圍內進行積分，計算GZ曲線下方的面積，根據公式算的衡準值k[16].

3.1.2 波浪誘發橫搖的數值模擬

波浪對于橫搖的誘發可以采用耐波性試驗和數值模擬兩種方法進行研究和評估，耐波性實驗又主要包括靜水實驗、規則波試驗、不規則波實驗和瞬態實驗[17].其中，不規則波模型試驗主要通過船舶模型在不規則波中的運動響應試驗，以確定船體在不同頻率下的橫搖角及運動加速度[18].文中采用水動力數值分析方法，基于經典勢流理論，針對船舶在不規則波中系泊狀態時的運動響應進行試驗，從而確定在不規則波中的船舶橫傾角變化曲線.不規則波模型試驗能較真實地反映天然海浪作用下的船舶運動規律，船舶設計期間確定船舶耐波性的重要依據.

選取在COMPASS中計算所得，衡準值較小，即穩性狀況較危險的8個工況進行橫傾角計算，如表6.

表6 COMPASS中計算結果

3.1.3 船體模型

首先從COMPASS中導出船體模型，在WALCS中建立船體模型，自動劃分網格，如圖3.

圖3 WALCS中船體模型

然后設置根據設置的質量參數生成浮態網格，如圖4.

圖4 浮態網格

3.2 不同計算方法對比研究

利用建立好的船舶模型，在不規則波中進行耐波性計算，獲得不同頻率下的運動響應幅值，計算環境是無限水深，主要參數包括浪向角θB、入射角度等.其中入射波周期Ts設置為1.5～18.5 s，間隔1 s.有義波高Hs分別為9、11、12.5 m，浪向角設置為0～180°.在波浪條件下進行計算，得出不同參數下的橫搖θR響應數據，如圖5.

圖5 有義波高12.5 m時不同浪向角下的橫搖響應

根據上圖，比較不同浪向角下橫搖響應曲線的峰值點，將其作為最大初始橫傾角進行穩性校核，其中當入射角達到90°時，此時的最大初始橫搖角達到最大值0.326 rad，說明浪向角對于橫搖角有較大影響，且達到垂直入射時，橫搖角最大.

比較相同浪向角下，不同有義波高Hs對橫搖角的影響，如圖6.

圖6 浪向角為90°時不同有義波高下的橫搖響應

根據圖6，比較不同有義波高下的橫搖響應曲線的峰值點，發現有義波高越大，船舶模型的最大初始橫搖角越大，由于COMPASS軟件是在風速為26 m/s的情況下進行穩性計算，對照普氏風級表以及海況等級表，在該風速下的有義波高為9～12 m.所以選擇在有義波高12.5 m時，浪向角為90°時計算所得的橫搖角最大值，利用梯形積分法，按照公式計算氣象衡準值k，并與COMPASS的計算結果進行比較，如表7.

表7 兩種計算方式衡準值的變化值

由表可以看出，COMPASS中經驗公式計算得出的衡準值更加保守，在相同情況下，COMPASS校核的船在保證正常海況下安全行駛的同時，還能夠適應更加惡劣的海況，其穩性裕度更充足，安全性更高.

4 結論

(1) 以風電設備對系泊狀態下養殖工船穩性的影響為研究對象，借助COMPASS軟件，在不同工況下的裝載進行建模，針對不同風電設備的安裝位置，在風電設備靜止時對模型展開數值計算，發現安裝風電設備前后，穩定風作下的橫傾角增加了8.4%，其各項指標仍然滿足完整穩性規則的有關要求.

(2) 當風電設備工作時，載荷總體上對于船舶的完整穩性有一定的負面影響.但根據上述計算假定施加的風電載荷后，船舶完整穩性會減小10%左右，說明風電載荷總體上對于本船的完整穩性有一定的負面影響，但船舶削弱后的穩性裕度仍能滿足現有法規對于船舶完整穩性的有關技術要求.

(3) 通過WALCE進行大量計算，比較經驗公式計算與文中直接計算方法所得到的波浪載荷橫傾角結果，發現使用規范中的經驗公式計算波浪載荷對船造成的橫傾角會比直接計算法得到的結果小4%左右，說明經驗公式更加保守，這樣會使得完整穩性衡準值的富余量更加充足，設計的船舶更加安全.