絞吸挖泥船三纜定位系統設計

馮永軍，陳 城，陳新權，歐陽義平，楊 啟，4

(1.上海交通大學，海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3.上海交通大學，高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；4.上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司，上海 200231)

對于絞吸挖泥船，定位設備在施工作業能力和船舶安全性方面都有著重要影響。絞吸挖泥船常用定位方式有2種：1)鋼樁臺車定位，該方式定位精度較高，但作業水深和土質環境受限；2)此方式相對鋼樁臺車定位而言，三纜定位作業水深范圍更廣，可以在大水深、大風浪、各種軟、硬土質下實現船舶定位，但在定位精度方面較鋼樁臺車方式低?，F代大型絞吸挖泥船多配備鋼樁定位系統，但為了擴大作業范圍、適應深遠海作業需求，一些大型絞吸挖泥船在配備鋼樁臺車的同時往往也配備了三纜定位系統，以彌補鋼樁臺車定位方式的不足，輔助實現定位作業、避風等操作，如“天麒號”“天麟號”“天鯤號”“新海旭”等均是如此[1-3]。

本文從三纜定位系統的設計角度出發，通過對相關的系統構成、工作原理、外部荷載以及纜繩、筒體受力等方面進行分析，并在此基礎上歸納總結，以期對絞吸挖泥船三纜定位系統的設計與評估提供參考。

1 三纜定位系統組成及工作原理

三纜定位系統主要由定位主體、絞車和定位錨等3個部分組成[4]。在絞吸挖泥船拖航或航行時，三纜定位錨回收至絞吸挖泥船的錨架上。通過三纜定位絞車的副卷筒收緊提升鋼絲繩，使三纜定位筒體(及安裝在筒體底部的固定插銷、導向裝置等)沿筒體提升導向裝置，向上提升直至整體高于船體基線為止，并通過固定橫桿及頂部固定結構固定，避免船舶造成不必要的阻力及安全隱患。在絞吸挖泥船抵達施工區域之后，抽出固定橫桿，三纜定位絞車的副卷筒釋放提升鋼絲繩，使三纜定位筒體沿導向裝置降落，直至固定插銷插入底部固定平臺，然后固定橫桿及布置在船體之上的頂部固定結構，最后進行拋錨等作業。

三纜定位主體結構由筒體、頂部導向裝置、頂部固定結構、提升滑輪、底部導向裝置、底部固定插銷、底部固定平臺、筒體提升導向裝置等共同組成，見圖1。

圖1 三纜定位主體構成

三纜定位系統配備3臺定位絞車，布置在船體甲板上，為定位系統提供維持力及提升所需的起升力。

三纜定位系統配備3只定位錨，每只定位錨配備1根鋼絲繩。鋼絲繩一端固定在定位絞車的卷筒墻板上，在絞車卷筒繞一定的圈數后引至三纜定位主體的頂部導向裝置，之后向下穿過筒體，并經底部導向裝置引出，最后與定位錨連接。在施工時定位錨延伸至對應錨點呈放射狀拋設，其中1只錨沿船長方向向船尾拋設，其他2只錨分別向船首左右兩舷拋設，相互之間夾角在120°左右。

工作狀態下，3臺絞車分別收緊鋼絲繩，可以確定唯一的點，即筒體中心線的位置，從而實現船體定位。當挖泥船需要向前移位時，連接船長方向定位錨的定位絞車放松鋼絲繩，而左右兩舷定位錨的定位絞車收緊鋼絲繩，同時船首橫移絞車的鋼絲繩也適當收緊，從而實現船體向前移位。

2 三纜定位系統的設計要點

2.1 設計模型

首先要確認絞吸挖泥船船體在挖泥作業和避風工況所承受的外部荷載，并在此基礎上，選擇滿足拉力要求的纜繩(以及相應的定位錨、定位絞車等)，并根據纜繩和受力進行三纜定位主體及相關固定結構的設計。

以某絞吸挖泥船為例，對其在挖泥作業和避風兩種工況下三纜定位的纜繩張力進行計算，通過分析得出相應規律，供三纜定位系統設計參考。挖泥船主尺度為：船體長98 m、寬20.3 m、型深6.6 m，設計挖泥吃水4.8 m。

為了計算該絞吸挖泥船各種計算工況下的外荷載，首先根據其型線圖建立船體濕表面模型(圖2)，在Ansys軟件的AQWA模塊中進行頻域分析，得到船體受到的波浪荷載；根據風速、流速情況，通過經驗公式計算得到作用在船體上的風、流荷載；結合絞刀作業工況，利用經驗公式計算得到絞刀荷載[5]。

圖2 絞吸挖泥船濕表面模型

2.2 計算工況選取

三纜定位系統所適用的工況主要有挖泥作業工況和避風工況。

挖泥作業工況下，絞吸挖泥船尾部依靠三纜系統定位，船首部依靠兩根橫移纜拉動橋架、絞刀擺動進行挖泥作業。此時挖泥船頂浪作業，在180°荷載方向下對挖泥船的纜繩張力進行計算，具體布置及荷載情況見圖3a)。具體計算中，假定風、浪、流同向。

此外，挖泥作業過程中，絞刀會分別向左舷和右舷方向產生約30°的擺角，相應外荷載的方向將隨之產生變化。本文以180°荷載方向下的挖泥工況為例進行相關介紹，其他工況計算過程與之類似，可以參照進行。

避風工況下，挖泥船順浪定位，船首部橫移纜繩不工作，僅依靠船尾三纜系統實現船舶定位，在0°荷載方向對挖泥船的纜繩張力進行計算，見圖3b)。

注：①～⑤分別為左側邊纜、艉纜、右側邊纜、左側橫移纜、右側橫移纜；箭頭方向表示計算浪向范圍。

2.3 外部荷載計算

絞吸挖泥船所承受的外部荷載主要有風、流、波浪荷載，以及作業時產生的絞刀荷載(避風工況時為零)。系泊浮體在波浪上的時域運動方程可以表達為[6]：

F1w(t)+F2w(t)+FWI+FCU+FMR+FC

(1)

在實際工程應用中，波浪荷載可以根據選定波浪類型和設置的波浪參數由軟件計算得出，風、流、絞刀荷載均由經驗公式計算得到。

2.4 纜繩張力分析

2.4.1頂風作業工況

三纜定位系統屬于錨泊定位范疇，因此纜繩張力是體現定位能力的重要標志，在所需纜繩張力超出現有定位系統的張力極限時，定位系統失效。分別對頂風作業和避風工況下的纜繩張力進行計算與分析。計算所得的頂風作業工況下不同波高和波浪周期對應各纜繩張力見表1。

表1 頂風作業工況纜繩張力

由表1可見，在波周期較小時，纜繩②⑤會出現持續松弛的現象(張力為零)。波周期較大時，纜繩松弛現象消失；且①②③的三纜張力明顯高于橫移纜④⑤，某些海況下三纜最大張力可為橫移纜最大張力的2倍，是限制定位能力的主要因素；波周期較小時，不考慮纜繩②⑤的松弛，剩余3根纜張力水平接近。可見，頂浪作業時，決定纜繩張力情況是否滿足安全要求的主要為三纜鋼絲繩，工程實際中可以從材料選擇上提高三纜鋼絲繩張力極限，進而提高定位能力。

此外，對5根纜繩張力變化情況對比分析發現，所有纜繩變化規律基本一致，即纜繩張力隨風速增大而增大，并且波高越大，則風速的影響越顯著。

2.4.2避風工況

計算所得的避風工況下不同波高和波浪周期對應各纜繩張力見表2。

表2 避風工況纜繩張力

由表2可見，三纜在避風工況、0°荷載方向時沒有出現纜繩松弛的現象；纜繩②張力高于纜繩①③ 2倍左右，限制了船舶定位能力，由于張緊式系泊的纜繩張力與纜繩長度密切相關，所以在艉向荷載時，可以考慮對艉纜加長等操作提高船舶定位能力。

此外，3根纜繩張力隨環境因素變化的規律極為一致，即纜繩張力隨風速增大而增大；纜繩張力隨波高增大而增大；纜繩張力隨波周期增長而增大，周期15 s附近，纜繩張力出現極大值。

2.4.3纜繩選取

纜繩的選取需要綜合考慮多種因素：絞吸挖泥船的施工作業、避風工況要求、纜繩對三纜定位系統及絞車規格的影響等。纜繩張力過大，必然引起三纜定位系統的構件尺寸及質量加大，相應三纜定位絞車的能力、尺寸、質量也需要增大，在船上所需的布置空間、結構加強等會發生變化，甚至會影響原有的總布置，可見纜繩的選取是一個綜合、平衡的過程。

因此，在進行三纜系統纜繩選取之前，首先要明確本船的施工作業、避風工況的極限要求，超過此要求將移船規避。根據此極限工況下所需的纜繩張力，在考慮一定安全系數的基礎上選定纜繩規格，并根據拋錨距離確定纜繩的長度。纜繩的規格反映和決定了絞吸挖泥船的定位能力。

2.5 筒體結構受力分析

2.5.1結構有限元建模

三纜定位系統的纜繩張力最后作用在系統及定位絞車上。定位絞車可根據纜繩拉力、直徑、繩長等規格進行選型。作為特種作業設備的三纜定位系統則須進行特別設計，在實現功能性要求的前提之下，整個系統的強度是設計中的難點與重點。因此，針對絞吸挖泥船及其所需的三纜定位系統纜繩張力，進行了三纜定位系統的有限元建模與計算。一般而言，三纜定位的設計前提是在纜繩斷裂的情況下，三纜定位系統及絞車、船體等仍是安全狀態。因此，計算過程中施加的纜繩拉力為破斷荷載。

三纜定位系統的設計是一個迭代的過程，即根據經驗初步完成三纜定位系統的設計之后，進行有限元建模，對其關鍵部位和構件進行受力計算和校核之后，相應修改設計，并根據修改后的設計重新建模計算，直至滿足設計要求為止。下面以某種荷載下三纜定位系統的設計與計算的迭代過程為例，對三纜定位系統與結構強度方面有關的設計加以介紹。

三纜定位筒體的有限元模型見圖4。坐標系oxyz的x正向朝船首，y正向朝左舷，z正向垂直朝上。

圖4 三纜定位筒體有限元模型

2.5.2邊界約束及荷載施加

三纜定位主體主要由船上的頂部和底部固定裝置固定。在具體計算過程中，筒體頂部被“抱住”部分施加x和y向約束；筒體底部由兩個固定插銷x和y向約束；連接固定插銷的水平板為z向約束，如圖5所示。

圖5 計算模型

進行加載計算分析時，底部滑輪所受水平荷載通過多點約束傳遞至固定滑輪的兩個軸孔，垂向荷載通過多點約束施加于固定滑輪的頂部軸孔。頂部滑輪的荷載通過多點約束傳遞至固定滑輪的耳板上。

2.5.3結構受力計算和結果分析

三纜定位筒體受力有多種可能工況，從纜繩數量角度可以分為承受1、2或3根纜繩拉力，而每種數量纜繩作用下，隨著絞刀頭的擺動尚有風浪流作用角度的區別，本文選取兩種典型的受力工況進行計算和分析，其他受力情況下過程與之類似。

受力工況1為船尾部單根纜繩水平拉力達到破斷荷載，方向沿x負向；此時為絞刀頂浪工作。三纜定位筒體的受力工況1見圖6，主要受力部位應力云圖見圖7。

圖6 三纜定位筒體受力工況1

圖7 受力工況1主要受力部位應力云圖

受力工況2為船尾部單根纜繩水平拉力達到破斷荷載，方向與x負向呈30°夾角，此時為絞刀擺至30°狀態斜浪作業。三纜定位筒體的受力工況2見圖8，主要受力部位應力云圖見圖9。

圖8 三纜定位筒體受力工況2

圖9 受力工況2主要受力部位應力云圖

綜合2種受力工況可知：1)各種工況下筒體本身的應力水平比較低，但筒體固定結構以及頂部導向裝置部分的滑輪固定結構的應力較大。2)船體轉動30°后，纜繩拉力不經過筒體中心，導致底部導向滑輪支撐裝置的中間支柱承受額外扭矩，應力相應變大。這些部位在結構設計中須重點考慮與加強。

3 結論

1)在挖泥作業工況和避風工況下，纜繩變化規律基本一致，即纜繩張力隨風速增大而增大，并且波高越大，則風速的影響越顯著。

2)在同等風浪條件下，處于挖泥作業工況和避風工況的三纜定位系統纜繩張力區別較大，設計過程中要綜合兩個工況進行考慮。

3)在三纜定位筒體及相關裝置的設計過程中，除了考慮其功能性的實現外，還應根據不同部位的受力特點，對于底部固定裝置、底部導向滑輪支撐裝置肘板、中間支柱和頂部固定裝置等受力較大部位進行特殊考慮與重點加強。