叠船运输方式下的半潜船耐波性分析.pdf

第52 卷第1期2024年2 月文章编号：10 0 0-38 7 8(2 0 2 4)0 1-0 0 35-0 8造船技术Zaochuan JishuDOI:10.12225/j.issn.1000-3878.2024.01.20240106叠船运输方式下的半潜船耐波性分析Vol.52 No.1Feb.,2024王辉1，罗文嘉1，汤晓勇1，马艳琳1，徐嘉爽1，李志勇（1.中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都6 10 0 9 5；2.大连中远海运物流供应链有限公司，辽宁大连116 0 0 1)摘要：以叠船运输方式下的半潜船为研究对象，采用CATIA软件进行三维建模。基于AQWA软件计算在规则波中不同浪向、不同航速和不同吃水下的响应幅值算子（Response AmplitudeOperator，R A O)，分析在不规则波中不同海况条件下货物绑扎设计关键点的加速度变化，发现浪向、航速和吃水等因素对RAO的影响规律。研究结果可为叠船运输方式下的半潜船安全运输提供运动预报，为货物绑扎设计提供依据。关键词：半潜船；叠船运输方式；耐波性；响应幅值算子；AQWA中图分类号：U661.32+4文献标志码：ASeakeeping Analysis of Semi-Submerged Shipunder Ship-Stacked Transport ModeWANG Hui,LUO Wenjia,TANG Xiaoyong,MA Yanlin,XU Jiashuang,LI Zhiyong?(1.Southwest Company,China Petroleum Engineering&Construction Corporation,Chengdu 610095,Sichuan,China;2.COSCO Shipping Logistics&.Supply Chain Management(Dalian)Co.,Ltd.,Dalian 116001,Liaoning,China)Abstract:Taken the semi-submerged ship under ship-stacked transport mode as the research object,athree-dimensional model is built with CATIA software.Based on AQWA software,the Response AmplitudeOperator(RAO)under different sea directions,speeds,and drafts in regular waves is calculated,theacceleration changes of key points of cargo lashing design under different sea conditions in irregular waves areanalyzed,and the law of the influence of wave direction,speed,and draft on RAO is found.The researchresults can provide the motion prediction for the safe transport of semi-submerged ship under ship-stackedtransport mode,and provide the basis for cargo lashing design.Key words:semi-submerged ship;ship-stacked transport mode;seakeeping;Response Amplitude Operator(RAO);AQWA甲板，但由于半潜船装载的结构物体积大、质量0引言大、重心高，因此整船受风面积大，易受风浪影近年来，随着海上油气资源的开发利用，催生响。若船舶运动幅值过大或加速度过大则导致甲板对大型海洋结构物的巨大需求，而这些大型海洋结上的货物绑扎强度不够，稍有不慎可能会造成货物构物具有超大、超重和形状不规则等特点1，使其移位甚至倒塌的严重事故，因此，半潜船运输过程海上安全运输需求不断提高。半潜船是运输大型海中的耐波性研究显得尤为重要。洋结构物的特种工程船，通过调整自身压载水改变有关半潜船的耐波性研究主要集中在如下各方船舶浮态，使大型结构物可顺利到达半潜船的装货面：零航速或非零航速下的半潜船响应幅值算子作者简介：王辉（19 8 2 一），男，高级工程师，主要从事炼油化工及石油天然气装置管道设计与装置模块化研究36(Response Amplitude Operator，R A O）曲线；航行工况条件下的半潜船运动幅值和监测点的加速度计算；半潜船参数横摇的影响因素；龙骨对半潜船横摇的影响规律等。刘旭等2 通过耐波性模型试验、实船试验和三维水动力数值模拟方法研究某50000.00t半潜船在不同海况条件下的水动力运动响应，获得处于非零航速状态的船体RAO和2 个参考点的垂向与横向加速度统计有义值。宋华宁31和尹艳等4运用SESAM软件对目标半潜船零航速下的运动响应进行短期预报。杨洪所5研究不同波高、不同浪向下的半潜船六自由度运动RAO，并计算关注点的加速度。魏枭等6 利用AQWA软件研究不同水深、不同浪向和不同航速下的纵向多联浮体耐波性。于本福等7 研究波浪周期和浪向对半潜船运动响应的影响。吴波等8 和李军等9 研究半潜船在不同海况条件下的运动响应和加速度规律。李晓君10 和李晓君等11针对装载重大件货物的半潜船在长波海浪中航行时具有发生参数横摇的风险，构建半潜船的运动模型，运用变参数分析法定量计算分析波浪长度、波浪高度、初稳心高和航速变化等关键因素对半潜船航行安全的影响程度和作用规律，找出诱发半潜船参数横摇的关键因素。蔡连财等12 研究船龙骨参数对半潜船横摇响应的影响。综上所述，半潜船由于运输货物的特殊性和运输时间长、风浪环境多变，因此在每次运输前均需要根据所载货物和途经航线等进行具体的耐波性计算分析。叠船运输方式，即半潜船甲板承载双驳船浮托的井口平台，具有更大的挑战性与危险性。以叠船运输方式下的半潜船为研究对象，采用AQWA软件，基于势流理论，对该船在不同航速、不同吃水和不同海况条件下的运动响应规律进行研究，并计算相关参考点运动幅值和加速度，为半潜船货物的安全绑扎提供设计依据。1理论基础1.1叠船运输方式下的半潜船运动响应假定叠船运输方式下的半潜船在一定航速下的流场为无黏性、无旋转和不可压缩的理想流体，则流场的运动可采用三维势流理论描述，浮体结构在波浪中的波浪激振力Fu由人射波和绕射波引起，其表达式门为Fu=Fug.+Fugid=Re(fujh+fusia)Je ku(1)造船技术第52 卷第1期式中：j为第i阶运动模态，在j=1,2，,6时F分别为纵荡力、横荡力、垂荡力、横摇力矩、纵摇力矩和摇力矩；Fuj.和fuj,k为第j个自由度的弗劳德克雷洛夫力；Fui.和fuj.d为第j个自由度的绕射力；Re门为取门内复数变量的实部。apin;dsfuji=piwlln;dS+pUSoSdDfruj.d=piwllopn,dS+pUds3So式中：为浮体所处流场中的流体密度；S为浮体结构表面面积：S。为浮体结构在水中的湿表面面积；r为人射波速度势；PD为绕射速度势；n;为浮体各自由度的法向量；U为航速。由辐射势引起的辐射力F,的表达式为式中：w为波浪频率；i为第l阶运动模态的复数运动幅值；l=1,2，6 为运动模态；uj.为附加质量矩阵中的元素；入;.为附加阻尼矩阵中的元素。uj,和入j,的表达式为ui+i=-i。式中：r为物体激荡的辐射势。浮体的频域运动方程为(m+u)x+入x+kx=Fw式中：m为浮体的质量矩阵；u为以uj,为元素的附加质量矩阵；入为以入，为元素的附加阻尼矩阵；k为静水恢复力矩阵；x为浮体的运动响应幅值算子列阵；F为浮体所受的以F，为元素的波浪激振力列阵。求得式（4）的附加质量与附加阻尼和式（1)的波浪激振力，代人式（5），即可求得叠船运输方式下的半潜船运动响应。1.2叠船运输方式下的半潜船短期最大值预报对于一个给定的波浪谱S），叠船运输方式下的半潜船水动力载荷的波频运动响应谱SR（）的表达式131为Sr(w)=RAO?S(w)根据响应谱得到的第n阶矩的表达式为mR=wSr(w)dwJO式中：mmR为运动方差。一般认为短期海况符合窄带瑞利分布，浮体的(2)(3)ds(4)(5)(6)(7)试验值王辉，等：叠船运输方式下的半潜船耐波性分析波频运动近似认为同样符合瑞利分布。对于短期海况时间t，浮体波频运动次数为t/TiR次，出现的最大值所对应的超越概率为发生次数的倒数TiR/t，则浮体运动最大值Rmax为Rmax=1R2moR1.3叠船运输方式下的半潜船加速度预报叠船运输方式下的半潜船货物绑扎设计监测点的三向加速度表达式9 如下：纵向加速度为alongi=(ypy)十(zp)gsin(9)横向加速度为atrans=(pc)十yG(zp&)gsin(10)垂向加速度为avert=-(p-c)o+(yp-yc)+z式（9）式（11）中：、和分别为垂荡、横摇、纵摇和摇的幅值；G、YG 和G分别为叠船运输方式下的半潜船重心G的纵向、横向和垂向坐标；p、y p 和p分别为货物绑扎设计监测点P的纵向、横向和垂向坐标；g为重力加速度。2AQWA软件可靠性验证为保证AQWA计算耐波性结果的可靠性，采用具有公开试验数据结果的DTMB5512标准模型14进行耐波性计算，包括纵摇运动和垂荡运动，计算工况为规则波中零航速下的迎浪状态。DTMB5512标准模型主尺度如表1所示。采用CATIA软件建立DTMB5512的三维模型，如图1所示。将三维模型导人AQWA，设置浮体质量、阻尼和水动力计算参数并进行网格划分，对三维模型进行水动力计算，计算结果如图2 所示。由图2可知：AQWA计算值与试验值曲线的趋势基本一致且相对误差较小，验证AQWA软件计算耐波性的可靠性和有效性。3计算模型和载况叠船运输方式下的半潜船具体载况如下：2 艘驳船（自部开始，分别为驳船1与驳船2）浮托1个井口平台（坐落于双驳船上）组成联合体，该联合体叠放在半潜船甲板上。叠船运输方式下的半潜船三维模型如图3所示。AQWA系统计算的坐37表1DTMB5512标准模型主尺度主尺度垂线间长/m水线宽/m吃水/mt(8)T1R(11)数值3.0480.4090.132排水体积/m0.0826重心纵向位置/m1.536重心垂向位置/m0.162图1基基于 CATIA的 DTMB5512 三维模型1.00.80.60.40.200.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8波浪频率/Hz(a）垂荡RAO曲线1.0试验值0.8AQWA计算值0.60.40.2000.2 0.4 0.6 0.81.0 1.21.4 1.61.8波浪频率/Hz（b）纵摇RAO曲线图2 DTMB5512三维模型水动力计算结果标系如图4所示，其中，坐标原点位于船舶中纵剖面与水线面交线和垂线的交点处，自原点指向部为轴正向，左舫为轴正向，水面垂直向上为之轴正向。半潜船主尺度如表2 所示。该船与装载货物（2 艘驳船和1个井口平台）的质量重心和惯性半径如表3所示，其中，Ra、R 和R分别为对应各坐标轴的惯性半径。由于该船的最大载重量为60000.00t，而装载货物总质量约19 30 0.0 0 t，因AQWA计算值38图3叠船运输方式下的半潜船三维模型(a）侧视图X(b）俯视图图4坐标系定义表3半潜船与装载货物的质量重心和惯性半径项目质量/t半潜船72.772.80驳船18427.89驳船27 876.52井口平台3000.00表4半潜船装载工况吃水/重心纵向重心横向重心垂向排水量/m位置LaG/m位置 Tcc/m位置Vc/m9.600116.0298.600116.7527.600117.4944壹叠船运输方式下的半潜船运动响应4.1叠船运输方式下的半潜船RAORAO等于浮体六自由度运动幅值与输人波幅比值的平方，表示在线性波浪作用下浮体的运动响应特征。计算在满载吃水9.6 0 0 m时浪向和航速对叠船运输方式下的半潜船RAO的影响，找出最危险浪向，在此基础上研究不同吃水的影响。RAO计算工况如表5所示。造船技术第52 卷第1期此在搭载货物后该船的吃水仍具有较大裕量。为研究吃水对耐波性的影响，设计3种吃水工况，分别为9.6 0 0 m、8.6 0 0 m 和7.600m，通过COMPASS软件对该船进行配载，得到3种吃水对应的排水量和重心位置，如表4所示。将半潜船CATIA三维模型导人AQWA，根据表3和表4的数据进行系统参数设置和网格划分，即可进行系统的水动力求解，其中，网格最大单元尺寸为5.000mX5.000m，单元总数为49 6 6 个。表2 半潜船主尺度主尺度数值总长/m239.600型宽/m48.000型深/m13.500设计吃水/m9.600最大下潜吃水/m22.500载重量/t60000.00重心纵坐标/m重心横坐标/m重心垂坐标/m116.0300.12078.1900.590143.3000.870114.530-2.050t0.1180.1030.0851.8240.0873.447R/m0.10014.4607.19025.7707.17025.77029.31011.670表5RAO计算工况项目数值吃水/m9.600/8.600/7.60092 077.20波浪频率/(rad.s-1)81 568.90浪向）71 355.60航速/kn4.1.1浪向和航速对RAO的影响在满载吃水9.6 0 0 m时，计算3个航速下的六自由度RAO，如图5所示。六自由度RAO的最危险情况如表6 所示，其中，横摇最大达5.8 38，纵摇最大达0.8 0 4，垂荡最大达1.159 m。最危险浪向下的不同航速对RAO的影响如图6 所示。由于横摇、垂荡和纵摇对叠船运输方式下的半潜船影响更大，因此重点分析这3个自由度在最危R/m66.10011.4108.34014.5200.401.200180（间隔45，共5个浪向）0/5/10R/m67.06028.07026.97015.400王辉，等：叠船运输方式下的半潜船耐波性分析1.41.410kn5kn04590135180浪向/）(a)纵荡6.0()/5.02.01.000表6 RAO最危险情况六自最危险浪向名称最大幅值由度浪向/（）纵荡0横荡90垂荡90横摇90纵摇135摇451.40.80.60.40.28.40.60.8 1.01.2角速度o/(rads-)(a)纵荡6.0F10kn5.0(0)/1.08.40.6角速度o/(rads-)(d)横摇39/1.20r10kn.5kn00.80.60.40.233583F10kn.5kn4590135180浪向/）(d)横摇顺浪1.345 m横浪1.274 m横浪1.159 m横浪5.838斜浪0.804舰斜浪0.47410kn5kn5kn00.81.010kn1.155kn1.101.051.000.954590135180浪向/）(b)横荡F10kn.5kn00.50.40.3.20.1图5不同航速下的六自由度RAO与浪向的关系险浪向下和不同航速下的RAO幅值变化规律。最大幅值（1）横摇：横摇RAO幅值最明显，基本不随对应航速/kn航速变化，这与浪向为9 0 时波浪频率等于自然频10率、波浪频率不随航速变化的规律一致。10（2）垂荡：在角速度8.95s时，航速增大，垂荡RAO幅值随之有0所减小，其他频段垂荡RAO幅值不随航速变化。10（3）纵摇：角速度w1010.50s时，航速增大，纵摇RAO幅值随之有所增10大，其他频段随航速增大，纵摇RAO幅值减小。1.41.2-10kn1.25kn1.00.80.00.40.28.40.6角速度o/(rads-l)(b)横荡1.0r10kn(o)/O-5kn0.800.60.40.21.28.40.60.81.0角速度o/(rads-1)(e）纵摇图6 最危险浪向下的不同航速对RAO的影响0(0)/0.50.40.30.20.104590浪向)(e）纵摇0.81.01.21.245浪向/)(c）垂荡10kn:5kn013518090135180045浪向/）(f)摇10kn1.0.5kn0.800.60.40.28.40.6角速度o/(rads-l)(c）垂荡0.5rF10kn()/Ov0.40.30.20.18.40.6角速度o/(rads-)(f)摇901351800.81.0.5kn00.81.01.21.2404.1.2吃水对RAO的影响根据表6，计算在最危险浪向下和最大幅值对应航速下不同吃水工况（分别为9.6 0 0 m/1.40.80.28.40.60.8 1.0角速度o/(rads-)(a)纵荡7.09.600m(o)/V6.05.04.03.02.01.08.40.60.81.01.2角速度o/(rads-)(d)横摇图7最危险浪向和最大幅值对应航速下的不同吃水工况对RAO的影响（1）横摇：横摇RAO幅值变化最大，在角速度=0.6 2 rad/s（即周期T=10.13s）时达最大值，且吃水增大，横摇RAO幅值减小；其他频段横摇RAO幅值对吃水变化不敏感。（2）垂荡：在角速度w8.95s）时，吃水增大，垂荡RAO幅值随之增大；在角速度w0.70rad/s时，吃水增大，垂荡RAO幅值减小。（3）纵摇：在角速度w0.50rad/s（即周期T12.56s）时，吃水增大，纵摇RAO幅值减小；在角速度w0.50rad/s时，纵摇RAO幅值不随吃水变化。4.2叠船运输方式下的半潜船在不规则波中的短期预报4.2.1航线环境条件与计算工况运输航线为自中国某港口至中东某港口，根据航线与全球航区划分，途经2 8、41、40、6 2、6 1、60、50、39 和38 航区。根据GWS全球海洋波浪统计数据库，各航区10 a最大有义波高如表7所示。根据上述资料，该航线10 a最大有义波高为8.800m，设置3个不同海况，即3个不同的有义波高（H），计算工况如表8 所示。计算货物绑扎设计关键点的加速度，监测点位置分别为双驳船的造船技术第52 卷第1期8.600m/7.600m）的RAO幅值变化规律，如图7所示。1.4F9.600m1.28.600m7.600m1.28.600m7.600m1.29.600m.8.600m1.07.600m0.80.60.40.28.40.6角速度o/(rads-)(b)横荡1.0r9.600m(o)/OVY0.80.60.40.28.40.60.81.0角速度o/(rads-1)(e）纵摇重心处和井口平台重心处，具体数值如表3所示。表8 计算工况项目数值吃水/m9.600波浪谱JONSWAP谱海况/mH,=8.800/5.000/2.000谱峰因子3.3航速/kn10浪向/（）0180(每隔45取值)谱峰周期 T,15V13HT,V30H.F9.600m/1.00.80.60.40.20.81.08.600m7.600m1.2表7 各航区10 a最大有义波高航区10 a最大有义波高/m282.800413.700404.900622.900615.200605.600508.800396.300381.300.8.600m7.600m1.28.40.6(o)/0.50.4030.20.108.40.6角速度o/(rads-)(c）垂荡F9.600m8.600m7.600m0.60.81.0角速度o/(rads-)(f)）摇0.81.01.21.2王辉，等：叠船运输方式下的半潜船耐波性分析根据文献15，对于带有穴余推进系统的自航式半潜船，对不同浪向下的有义波高进行折减，如表9 所示。不同有义波高下的环境组合工况如表10 所示。表”波高折减表浪向/（）有义波高在设计海况中的占比/%030100(3060)10080线性插值6080(6090)8060线性插值土9 060(90120)6080线性插值12080(120150)80100线性插值(150180)100表10环境组合工况有义波高/浪向/折减系数m()0458.800901351800455.000901351800452.000901351804.2.2在不规则波中的运动响应根据表10 的环境组合工况进行计算，得到重心处六自由度运动响应最大值，如表11所示。随着有义波高增大，横摇运动幅值变化最大，每增大单位有义波高，横摇角平均增大2.8 8；其次是垂荡运动，每增大单位有义波高，垂荡幅值平均增大410.850m；最后是纵摇运动，每增大单位有义波高，纵摇角平均增大0.7 9 表11不同有义波高下的重心处六自由度运动响应最大值有义波高/my/mz/m ra/()ry/()r/()m8.8006.145 3.7675.25418.70455.0922.8455.0001.7331.2722.45010.0482.5261.5832.0000.5510.4660.1831.3750.3470.499货物绑扎设计监测点在上述海况条件下的横向、纵向和垂向加速度，如表12 和图8 所示。由图8 可知：对于半潜船和2 艘驳船，垂向加速度随有义波高变化最敏感，纵向加速度变化幅度最小；井口平台重心较高，变化最大的是横向加速度。一般在干拖运输航行过程中，对船舶横向加速度比较关注。海洋工程要求干拖运输在较大波浪条件下的最大横向加速度为0.5g8。叠船运输方式下的半潜船在不同海况的计算结果中，货物绑扎设计监测设计有义谱峰周期/s波高/m1.08.8008.5813.980.97.9000.65.3000.97.90012.4417.541.08.80014.2019.401.05.0000.94.5000.63.0000.94.5001.05.0001.02.0000.91.8000.61.2000.91.8001.02.000点横向加速度的最大值为3.6 38 m/s，小于0.5g，符合要求。表12货物绑扎设计监测点的加速度8.5713.758.2812.598.0612.257.6511.626.249.497.6511.628.0612.255.107.754.847.353.956.004.847.355.107.75有义纵向监测点波高/加速度/加速度/加速度/m(ms-2)(ms-2)(ms-2)8.8000.622半潜船重心处5.0002.0008.800井口平台重心处5.0002.0008.800驳船1重心处5.0002.0008.800驳船2 重心处5.0002.0005结语对叠船运输方式下的半潜船进行水动力分析，分别计算重心处的RAO幅值和不规则波中的运动横向1.0211.7840.2400.5910.0430.2230.6723.6380.3822.0670.0920.3850.5041.3490.1810.7670.0470.2630.5041.4370.1820.8170.2510.260垂向1.0140.1442.0061.1400.1571.9331.0990.1561.8831.0700.19042图8 货物绑扎设计监测点的最大加速度幅值与加速度。为减小RAO幅值，可适当增大航速、增大吃水，浪向保持纵浪和45或135的斜浪比较有利。对不规则波中的运动和货物绑扎设计监测点的加速度进行短期预报，可为叠船运输方式下造船技术第52 卷第1期(c_s-U)/单(鲁重幕味的半潜船货物绑扎提供设计依据。2.01.8纵向加速度1.6一横向加速度1.4垂向加速度1.21.00.80.60.40.2234有义波高/m（a）半潜船重心处最大加速度(_s-w)/单(鲁重号口#4.0纵向加速度3.5横向加速度3.0+垂向加速度2.52.01.51.00.5023456789有义波高/m（b）井口平台重心处最大加速度(_s.w)/率(鲁重 2.01.8+纵向加速度1.6一横向加速度1.4垂向加速度1.20.2（c）驳船1重心处最大加速度(c_s.w)/率(鲁重2.0纵向加速度1.81.61.41.21.00.80.60.40.2（d）驳船2 重心处最大加速度参考文献廉静静，杨晓.半潜船及其在海洋工程中的应用.世界海运，2 0 16,39（12）：9-14.2刘旭，陈晓明，蔡连财.5万吨级半潜船航行耐波性J.中国航海，2 0 19,42(4)：2 9-32,37.67893456789有义波高/m横向加速度垂向加速度3456789有义波高/m3宋华宁.波浪对半潜船潜装作业安全影响的研究D.大连：大连海事大学，2 0 16.4尹艳，李春辉，吴晓源，等.大型上部模块运动响应短期预报J.海洋工程装备与技术，2 0 16，3（1）：2 5-30.5杨洪所.大型FPSO干拖运输稳性分析J.石油和化工设备,2 0 19,2 2(7):2 6-31.6魏枭，陈徐均，苗玉基，等.有航速纵向连接多联浮体频域特性分析J.舰船科学技术，2 0 19，41（2 1）：37-41.7于本福，闫相祯，蒋将，等.装载平台半潜驳船的运动响应和波浪荷载分析J.中国科技论文，2 0 17，12(19):2236-2240.吴波，赵珍强，程小明，等.浮式平台干拖式运输特性的数值模拟研究J.船舶力学，2 0 2 0,2 4（1）：6 3-6 9.9 李军，王阳刚，胡方，等.超大型结构物干拖运输特性数值模拟J.舰船科学技术，2 0 2 1，43（15）：47-52.10李晓君.半潜船装载和航行的安全理论及其应用研究D.大连：大连海事大学，2 0 16.11李晓君，谢新连，周然，等.纵浪中影响半潜船航行安全的因素及作用机理J.大连海事大学学报，2 0 18，44(3):9-14.12蔡连财，刘旭，霍浩杰，等.龙骨对半潜船横摇响应的影响J.广东造船，2 0 2 0，39（6）：2 7-30.13高巍.ANSYSAQWA软件人门与提高MI.北京：中国水利水电出版社，2 0 18.14IRVINE JR M,LONGO J,STERN F.Pitch and heavetests and uncertainty assessment for a surfacecombatant in regular head waves JJ.Journal of ShipResearch,2008,52(2):146-163.15中国船级社.半潜船载运手册编制指南：GD292020S.2020.