潜水作业支持船锚泊定位数值分析与模型试验研究

2016-04-10郑宏亮范井峰

广船科技 2016年4期

关键词：锚泊模型试验船体

郑宏亮范井峰

（1.海军驻广州广船公司军事代表室；2.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室）

潜水作业支持船锚泊定位数值分析与模型试验研究

郑宏亮1范井峰2

（1.海军驻广州广船公司军事代表室；2.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室）

采用准动态方法对潜水作业支持船开展锚泊定位分析，并和模型试验结果比较。通过对数值计算结果和模型试验结果分析可知，数值模拟结果是可靠性，潜水作业支持船锚泊定位系统满足工程应用需求。

潜水作业支持船锚泊定位分析准动态方法

0 引言

潜水作业支持船（Diving Support Vessel，简称DSV）是专门为潜水人员服务设计，支持潜水人员完成水下安装、检查、维修等作业的工程船。随着海洋石油工业的快速发展，海上应急打捞作业及其他突发事件不断增加，潜水作业支持船的作用日益突出[1]。

DSV在海上特定海域作业时船体运动需限制在一定范围内，其常用的定位方式有两种：动力定位和锚泊定位。采用动力定位方式的DSV具有机动性强和定位精度高等优点，但动力定位成本较高。当DSV作业水深相对较浅时，采用锚泊定位方式即能够达到定位精度，又能够节省成本。因此，浅水中DSV的定位方式多采用锚泊定位。

DSV锚泊定位系统需依据作业海况下船体运动和锚索受力等设计。锚泊定位数值分析和模型试验对锚泊定位系统的设计至关重要。本文采用准动态方法对作业水深为100米的DSV开展锚泊定位数值分析，并根据模型试验的结果验证数值结果的可靠性。在此基础上开展了水深为80米和60米时锚泊定位数值分析，研究了水深对DSV锚泊定位系统的影响。

1 数值方法

准动态方法首先根据三维频域势流理论计算船体水动力系数、一阶波浪力、二阶波浪力和运动幅值响应传递函数（RAOs），然后求解船体时域运动。在求解船体时域运动时每一个时间步内低频运动（纵荡、横荡和首摇）和波频运动（垂荡、横摇和纵摇）分别计算。低频运动响应通过求解时域运动方程得到，船体低频

运动求解方程如下：

[]2

在低频运动位置和船体首摇角基础上，根据频域计算得到的运动幅值响应结果，结合波浪时历，从而得到波频运动响应时历。

准动态方法考虑了船体附加质量和二阶波浪漂移力，忽略了船体阻尼、一阶波浪力和锚索自身拖曳力和惯性力的影响。

2 模型试验

DSV锚泊定位模型试验在上海交通大学海洋工程深水试验池开展。根据DSV船体主尺度参数、锚索长度、作业海况和试验设施，选定模型和实体之间缩尺比为1:40。DSV等浮式海洋结构物在波浪中运动的相似率问题，忽略粘性的影响，保持模型与实体间的Froude数和Strouhal数相等，满足两者的重力相似和惯性相似[3]，即

式中V，L和T分别为速度、特征线尺度和主要周期，下表m和s分别表示模型和实体。DSV锚泊定位模型试验包括静水衰减试验、水平刚度试验和风浪流试验。静水衰减试验测量了船体自由漂浮和带锚索状态下的运动固有周期和阻尼系数；水平刚度试验测量了锚泊系统纵向和横向水平刚度；风浪流试验测量了作业海况下DSV船体六自由度运动和锚索受力时历。

2.1 船体和锚泊系统模型

本文所研究的DSV主尺度参数见表1。根据DSV主尺度参数和型线图，采用玻璃钢等材料制作船体模型。模型的制作除满足相应的精度要求外，其排水量、重心位置、纵摇和横摇惯性半径通过通过添加和改变模型内压铁的重量和位置进行调整。

表1 DSV船体主尺度参数

DSV采用4根与船长方向呈45°夹角的锚索组成。受水池宽度影响采用了截断系泊系统。锚索布置如图1所示。锚索采用直径为56 mm钢丝绳，具体参数如表2。

图1 DSV锚泊系统布置

2.2 环境条件

DSV作业水深100 m，作业海域环境条件为三级海况，具体参数见表3。在进行模型试验时，风采用API风谱，流采用定常流，波浪谱采用JONSWAP谱，试验模拟的能量谱与目标谱之间的对比如图2所示。

表3 环境条件

图2 波浪谱测量值与目标值比较

3 结果与分析

3.1 水平刚度试验结果

将DSV锚索预张力调整到目标值。在模型重心位置系上细钢丝绳，并使其保持水平状态。钢丝绳拉动船体至某一位置，测下此时锚泊系统回复力。通过测量一系列位置对应的回复力，获得特定角度下锚泊系统的水平刚度。目标DSV锚泊系统纵向和横向水平刚度如图3和图4所示。从图中可以看出，试验测量得到的锚泊系统水平刚度与目标值吻合较好，试验精度可靠。

表2 锚索参数

3.2 数值分析与模型试验结果比较

采用BV船级社基于准动态方法开发的ARIANE软件计算了DSV作业海况，迎浪、首斜浪和横浪时，船体运动偏移和锚索受力。数值分析结果和模型试验结果进行比较见图5和图6。

图5描述了迎浪、首斜浪和横浪下船体运动偏移数值计算结果和模型试验结果比较，图6描述了导缆孔处锚索最大受力数值计算结果与模型试验结果比较。三种浪向下均为第2根锚索受力最大。从图5可以看出，迎浪和首斜浪下船体所受到的风、浪、流等环境力较小，船体运动偏移较小，数值计算结果和模型试验结果相差较小。横浪时船体运动幅度较大，数值计算结果和模型试验结果偏差较大，但仍在误差允许范围内。从图6可以看出，迎浪时最大锚索受力较小；首斜浪时主要是第2根锚索受力，受力较大；横浪时所受环境力较大，锚索受力较大。三种浪向下，数值计算的结果均比模型试验结果偏低。这主要是由于准动态方法忽略了船体阻尼系数和锚索动力的影响，并且准动态方法在计算是每一时间步长内锚泊力作用到了船体上，船体运动未引起锚索受力变化。考虑到准动态方法的特点，B V船级社规范NR493[4]规定，准动态方法锚索张力安全系数不小于1.75，确保准动态方法计算的结果在工程应用中是可靠的。从锚泊定位模型试验结果可以看出，DSV运动偏移最大为5.62，满足作业需求；锚索受力最大为641.22kN，锚索破断强度为1830kN，锚索安全系数为2.85，满足工程要求。