船舶曳引系統沖擊力穩定性分析與驗證

陳文博，高 嵐，潘志翔，李 遲

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

烏江地形地質條件復雜，烏江航道1 000 DWT運輸船標準船型體態較大，由于長距離隧洞內光線暗、船-岸富余距離較小，對航行的穩定性有較高的要求，因此采用一種船舶曳引系統來通過隧洞。這種應用于隧洞中的曳引系統，通過應用于船塢中的引船系統改進而來[1]，由驅動機構、導向機構、傳動機構、供電系統、控制系統等組成，設置在船塢兩側的牽引系統帶動牽引車隨船運行，并為船舶提供牽引力與橫向拉力。

引船系統在國內外較寬航道中已經有較多的應用，如國外巴拿馬船閘[2]，國內的齊俊麟論證了這種引船技術在三峽船閘的應用前景[3]。當前的研究表明，此類牽引系統在正常通航環境下，能夠有效維持船舶進出穩定性，而對于此類牽引系統在受到側面沖擊力等突發情況時，船舶穩定性的相關研究是缺乏的。因此本文通過模擬曳引系統運行過程，探究了船舶受到沖擊力時特殊條件下的運動情況，重點研究了纜繩內部預緊力以及牽引速度對船舶偏移量的影響，其相關結論可為船舶曳引系統在隧洞中的應用提供理論支持。

1 船舶曳引系統運動學分析

1.1 船舶曳引系統仿真分析

引船系統設計研究表明，當牽引絞車沿引船軌道運行時，除承受縱向拉力外，還要承受橫向回復力[4]，圖1為被牽引船(船模)離散體模型。

圖1中，x為船模在t時刻發生的橫向位移，f(t)為船模在t時刻受到的沖擊力，k為模擬牽引繩彈性系數，c為阻尼系數。

圖1 被牽引船(船模)離散體模型

理論上，牽引繩等效拉力可近似看作彈簧恢復力。關于船模橫向平移問題，曳引系統收放牽引繩橫向偏移時，由于偏移位移相對于船體寬度來說較小，且伺服電機響應速度較快，牽引外力可看作突加載荷。通過黏性阻尼器和無質量彈簧等效的牽引繩不會在橫向位置減少自由度，且根據計算的單根牽引繩的等效剛度和等效阻尼，可以對不同受力情況下的阻尼和剛度進行定義。根據水的黏性阻力系數與標準船型下的船模濕水面積，從STARCCM+模擬得出阻尼比為0.7。單側纜繩總等效剛度為280 N/mm，以牽引角度30°為例，每根牽引繩等效剛度為162 N/mm。

建立曳引系統三維模型，確定模型中柔性連接處以及船體接觸處庫倫摩擦代換等效參數，將模型連接處進行布爾操作，傳動機構和電機等關鍵部位在ADAMS仿真軟件內進行參數化建模并給予替換。ADAMS導入模型后，根據實驗室實驗需求和環境要求，從STARCCM+中算出轉化為ADAMS相關等效參數進行模擬分析。經過相關參數和運動副的設定，在建模過程中對除計算域外的結構做出簡化，并進行曳引系統運動學仿真。船舶曳引系統模型見圖2。

圖2 船舶曳引系統模型

1.2 外部沖擊載荷對船舶穩定性的影響

曳引系統在運行之前，內部載荷大小對穩定性的影響可以從2方面考慮：一方面纜繩預緊力大，船模所處的位置就相對固定；另一方面如果纜繩預緊力過大，外部激勵作用下的響應速度也就相對要快，對船體和牽引車都產生較大的沖擊力，同時對牽引繩強度和耐用性要求較高。根據模擬沖量相似的方案[5]，仿真時分別設置纜繩對船舶的預緊力為20 N和10 N，并設定作用于船模質心x軸正方向、大小為1 800 N和3 200 N的作用力在第2秒施加力達到峰值之后，立刻在第3秒消失。不同預緊力時，1 800 N和3 200 N沖擊力下船模質心位置橫向偏移分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同預緊力時，1 800 N沖擊力下船模質心位置橫向偏移

圖4 不同預緊力時，3 200 N沖擊力下船模質心位置橫向偏移

從圖3和圖4知，針對10 N和20 N的預緊力，在同樣施加1 800 N或3 200 N的作用力下，雖然橫向偏移大小相差無異，但是預緊力為10 N時曲線出現了整體的偏移。在預緊力不變的情況下，船體產生整體偏移并逐漸趨于穩定，但是卻整體偏離航道中心線，在沖擊力作用下船模處于偏航運行。船模運行開始階段可以發現，預緊力為10 N時整體的橫向振蕩較大，這是由于預緊力較小，系統之間的結構力不足，牽引車運作時船模響應遲緩造成的船體偏移，雖在正常運行后基本處于平衡，但依然出現整體偏移，不滿足長距離通航的要求。

從仿真結果中可以看出，牽引初期曳引系統預緊力偏低會導致船舶穩定性降低，因此設置牽引繩預緊力為20 N。

2 船舶曳引系統沖擊力實驗分析

根據實際通航隧洞環境、通航建筑物之間的連接渠道和渡槽等特殊限制性航道的特征，船舶在長距離封閉水域條件下運行時，航速應低于2 m/s。結合船舶寬度、吃水與航道尺度的關聯性模型，對長距離通航隧洞曳引系統進行試驗分析。設置航寬0.8 m，水深0.25 m，速度分別為0.335 m/s、0.313 m/s、0.219 m/s時的橫向偏移量，探究船舶在運動中受到沖擊力時的系統穩定性。

通過等比例縮小船舶與曳引系統，按照相似準則構建與實際相符合的船體結構、隧洞通航環境與曳引系統，并對船模數據進行采集，反映曳引系統的各種性能。實船速度與船模速度對比如表1所示，通航隧洞實際尺寸與模型尺寸對比如表2所示。

在運動過程中，船模始終在中軸線附近前進；受到波動影響后，由岸壁位置傳感器和拉力傳感器雙變量反饋迅速調整船體姿態，使船模重新穩定。在第一個位置受到沖擊力后，船模質心偏移波動并不大。在第二個位置受到沖擊力時，船模質心的偏移量短時間內發生多次響應，這是由于牽引繩吸收了大部分能量，由相對松弛到迅速張緊，達到了牽引繩所能形變的最大值，牽引繩內張力迅速激增，并伴隨船體震蕩，在水中阻尼力和牽引繩拉力維持船體穩性的過程中，牽引繩多次受到逐漸減小的沖擊力帶來的脈沖作用力，直至橫向激勵帶來的能量耗散完畢，船模質心恢復航線位置。不同速度下，船模最大偏移量見表3。

表1 實船速度與船模速度對比 m/s

表2 通航隧洞實際尺寸與模型尺寸對比 m

表3 不同速度下，船模最大偏移量

船模在不同速度下受到橫向激勵后，曳引系統都能夠快速做出響應，使船模質心重新恢復到航線位置。在受到沖擊力以外區域，船模橫向運動處于動態平衡狀態，預緊力數值保持基本恒定。由于船模在0.313 m/s時相對于另外2個速度下偏移量更為明顯，因此進一步分析船模在0.313 m/s速度下的縱向位移和橫向位移。圖5為速度為0.313 m/s、1 800 N沖擊力時，船模位移；圖6為速度為0.313 m/s、3 200 N沖擊力時，船模位移。

圖5 速度為0.313 m/s、1 800 N沖擊力時，船模位移

圖6 速度為0.313 m/s、3 200 N沖擊力時，船模位移

由圖5、圖6知，船模受到沖擊力作用前，離岸距離為正常航行狀況，受到側向沖擊力作用下，船模橫向位移有限，整體船模在牽引車牽引下運行平穩。可以得出在不同航速下，船模均可抵抗橫向沖擊力，其中當引船速度為0.335 m/s時，受沖擊力影響較小，且能夠更快通過隧洞。

3 結束語

基于動力學計算進行仿真研究發現，在受沖擊力作用時，若曳引系統預緊力偏低會導致船舶穩定性降低，合理的提高牽引預緊力有利于提高船舶穩定性。通過模型分析可以看出，船舶曳引系統能夠承受一定量的外部沖擊力，但是對于其能承受的最大沖擊力還需進一步的研究。