8 000 m3耙吸式挖泥船动力定位系统时域模拟与模型试验

朱一鸣， 王 磊， 张 涛， 刘翰林

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室, 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海 200240)



·实验技术·

8 000 m3耙吸式挖泥船动力定位系统时域模拟与模型试验

朱一鸣， 王 磊， 张 涛， 刘翰林

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室, 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海 200240)

针对耙吸式挖泥船动力定位系统，以某8 000 m3耙吸式挖泥船为研究对象，分析其动力定位系统在模拟海况下的定位能力与特点,构建出动力定位时域模型。对挖泥船在各种海况下的实时运动进行时域模拟分析，得到该挖泥船的偏移半径时历和功率消耗时历，并进行相关模型试验。时域模拟与模型试验结果表明,该挖泥船动力定位系统仅可在较小艏向角范围内完成有效定位，由于舵转角的限制，螺旋桨无法在较大艏向角的情况下提供足够的转船力矩完成定位。通过模型试验与时域模拟结果的分析与比较，为动力定位时域模拟程序进一步优化提供参考。

耙吸式挖泥船； 动力定位系统； 时域模拟； 模型试验

0 引 言

耙吸式挖泥船通常装备有耙头挖掘机具以及水力吸泥装置，是一种装仓式自航挖泥船，具有自挖、自载、自卸等特点，航行性能优良[1]。其优点主要表现在机动灵活、效率高、操作简单、经济性好等方面。鉴于耙吸式挖泥船的诸多优点，现代疏浚与围海造田等大型工程已广泛采用耙吸式挖泥船，具有广阔的应用前景与市场需求[2]。

随着国际疏浚市场的不断发展，动力定位系统逐渐地应用在工程船舶上，对配备有动力定位系统的耙吸式挖泥船的需求也越来越大。动力定位系统是通过推进器产生的推力，使得海洋结构物在海上保持一定的位置和艏向角的一种先进的定位系统。其基本原理是通过获取船舶的位置误差数据，由控制系统计算所需的推力，并传递到推力系统以产生推力，以此达到抵抗海洋外部环境载荷，从而减少、消除位置误差的目的[3]。

目前一些主要的生产和使用厂家都一致认可动力定位能力曲线是评价船舶动力定位能力的有效工具[4]。动力定位能力曲线是一种静态的动力定位能力分析方法，该方法将推力系统理论上产生的推力与静态环境载荷相平衡，精度不高，可在初步设计阶段中使用。更加精确地分析定位能力需采用动态的时域模拟分析以及模型试验等方法。动态时域模拟与模型试验方法能够考虑到动态载荷，获得实时位置偏移数据，能较为可靠地反映动力定位状态下的海洋结构物在各种海况下的定位状态，从而验证动力定位系统的有效性，并可为动力定位控制系统进一步优化提供试验依据和指导，相比于静态的动力定位能力曲线能更加直观地评价系统的定位能力，是更为理想的研究方法[5]。

目前，挖泥船动力定位系统研究较少，大多处于对挖泥船动力定位系统的理论研究或模型试验的研究阶段[6-7]，尚未将两者很好的结合。本文针对耙吸式挖泥船这一特殊船舶，采用时域模拟以及模型试验两种方法进行动力定位系统研究，最终确定该耙吸式挖泥船的最优作业方案，为工程实践提供借鉴。

1 理论基础

动力定位时域模拟是建立时域运动模型，分析海洋结构物在动力定位系统控制下的运动与受力，时域模拟能较好地模拟真实海况，模拟结果更加精确，并获得定位精度、功率消耗等定位信息，为动力定位控制系统的进一步优化提供借鉴。耙吸式挖泥船动力定位时域模拟基本原理及各个模块如图1所示，主要包括环境载荷计算模块、低频运动方程模块、控制模块以及推力分配模块[8]。

1.1 风载荷计算

风载荷是海洋结构物所承受的外载荷中很重要的一部分，其常见的估算方法为模块法，也是本文采用的估算方法，即把整个海洋结构物离散分类，得到若干个标准模块，分别估算载荷，将各个模块载荷叠加获得总载荷。风载荷的计算表达式为[9-10]：

图1 挖泥船动力定位时域模拟原理

(1)

式中：Fxw,Fyw,Mxyw分别为纵向、横向与艏摇风力；ρw为空气密度；Cxw(φwR),Cyw(φwR)和Cxyw(φwR)分别为纵向、横向与艏摇风力系数；AT，AL分别为艏向与侧向受风面积；LPP为两柱间长；vwR为海平面上方10 m相对风速。

1.2 流载荷计算

海洋洋流的存在，流载荷也是环境载荷的一部分，由于挖泥船的实时运动，故需考虑船与海流相对速度的影响，与风载荷类似，流载荷计算表达式为[11-12]：

(2)

式中：Fxc,Fyc,Mxyc即为纵向、横向和艏向流力；ρc为海水密度；Cxc(φcR),Cyc(φcR)和Cxyc(φcR)分别为纵向、横向和艏向流力系数；vcR为船体与海浪相对速度；d为船舶平均吃水。

1.3 波浪载荷计算

波浪载荷可以分为一阶波浪载荷和二阶波浪载荷。一阶波浪载荷主要使海洋结构物在平衡位置产生波频运动，不会发生漂移；而二阶波浪载荷则会使海洋结构物发生缓慢的漂移。二阶波浪载荷主要由平均、差频和合频三部分组成，在常规的计算中一般只考虑差频力部分和平均力部分，而忽略合频力部分。平均波浪力和差频波浪力合称波浪漂移力，其大小与入射波波高的平方成正比，频域下其比例关系用二次传递函数表示。由二次传递函数P(ω1,ω2)与Q(ω1,ω2)经傅里叶变换，可得到时域脉冲响应函数[13-14]：

e(iω1τ1-iω2τ2)dω1dω2

(3)

(4)

若给定波浪时历ζ(t)，则有波浪漂移力时历：

ζ(t-τ2)dτ1dτ2

(5)

式中，i=1,2，…，6。

1.4 低频运动方程

挖泥船在风、浪、流以及推力等共同作用下产生的运动可分解为波频运动和低频运动。波频运动由一阶波浪力引起，其幅值较大，推力器产生的推力不可能完全抵消。同时高频波浪载荷引起的高频运动仅表现为在平均位置处的周期性振荡运动，所以低频运动是动力定位系统所要抵抗的主要运动，运动时域模拟中也仅考虑低频波浪力的作用。

挖泥船自由度低频运动方程为[15-16]：

(6)

式中:u,v,w为线位移速度；p，q，r为角位移速度；m为挖泥船质量，包含附加质量；Ixx，Iyy，Izz，Izx为挖泥船惯性矩，包括附加质量矩；X，Y，Z分别为x，y和z方向的外力；K，M，N分别为x，y和z方向的外力矩。

2 挖泥船动力定位时域模拟

2.1 挖泥船模型

本船舱容约8 100 m3，双机双桨复合驱动，用于沿海疏浚和吹填作业。主要船型参数如下：总长LOA=134 m,型宽B=22 m,型深D=9.2 m,设计吃水d1=6.8 m,作业吃水d2=8.2 m,排水量(设计吃水)T=15 700 t,排水量(作业吃水)T=19 379.4 t。

该船采用2个主推力器与1个电驱动艏侧推来控制挖泥船的定位，主推力器直径3.4 m，最大功率4 500 kW，艏侧推直径2 m，最大功率600 kW。同时该船还配备有2个半平衡半悬挂舵，最大舵角35°。推力器具体安装位置如图2所示。

图2 推力器安装位置示意

2.2 动力定位时域模拟

本动力定位时域模拟主要利用上海交通大学海洋工程国家重点实验室的软件DPSIM进行计算。根据该船用途以及作业环境要求，模拟风速15 m/s，最大流速1.029 m/s，波浪模拟采用JONSWAP波浪谱，其有义波高3 m，谱峰周期6 s，取风浪流同向联合作用。由于动力定位更关注挖泥船在水平面的运动偏移，故时域模拟仅对挖泥船水平面的3个自由度运动进行控制，即：横荡、纵荡和艏摇。根据船体推力系统配置的特点，无法在船体艏向与外界环境力方向夹角过大的情况下进行有效定位。故在时域模拟中艏向角自0°～20°每隔5°进行计算，包含不同流速下工况的对比，其中流速分别为1和2 kn。通过不同工况的时域模拟，最终得到挖泥船动力定位状态下的水平偏移和总功率消耗的时历曲线及其统计值。

2.2.1 偏移半径计算结果

定位精度的评估方式是通过测量船体上控制点与目标位置水平方向偏差实现的，同时要兼顾艏向角的偏差。水平方向的偏移半径公式如下：

(7)

偏移半径统计值时域模拟结果如表1所示。挖泥船在不同艏向角、不同流速下的水平偏移时历曲线如图3所示。

根据以上时域模拟的结果可以发现，在相同偏移角度情况下，随着流速的增加，定位精度下降。当流速增加到2 kn以上时，无法进行有效定位。在相同流速情况下，随着艏向角的增加，定位精度下降。由于舵转角的限制，无法提供更大的Y向力及偏转扭矩，当艏向角增加到20°以上时，无法进行有效定位(见图4)。

对于动力定位系统，普遍允许的偏移量为水深的2%～4%，对于本船工作状态下的水深40 m而言，允许平均偏移量为0.8～1.6 m，从结果上看，仅当艏向角为0°流速为1 kn的工况是符合要求的。

表1 挖泥船偏移半径统计值 m

2.2.2 功率消耗计算结果

时域模拟计算结果的消耗功率统计值如表2所示。挖泥船在不同艏向角不同流速下的功率消耗时历曲线如图5所示。

表2 挖泥船功率消耗统计值 kW

根据以上数值模拟的结果可以发现，在相同艏向角情况下，随着流速增加，动力定位消耗功率增加，包括平均功率、最大功率及最小功率。在相同流速情况下，随着船体偏转角度增加，消耗总功率总体呈增加的趋势。当艏向角为20°，流速为2 kn时，两个主推进器及艏侧推并没有接近于满负荷工作，而再增加偏转角度或者流速时却无法进行有效定位。说明无法定位的原因不是推进器无法提供足够的推力，因为在保证偏移半径尽可能小的前提下，同时要兼顾艏向角尽可能小的扰动，由于舵转角的限制，无法提供足够的偏转扭矩使艏向角保持在目标角度，使得船体无法在目标位置平衡，从而偏离目标位置，无法进行有效定位。

3 动力定位模型试验

模型试验是研究动力定位系统的重要方法之一，通过在上海交通大学海洋工程国家重点实验室海洋工程水池开展挖泥船动力定位模型试验，获得该船相关定位信息，包括运动、受力以及消耗功率等。根据试验的条件与要求，模型缩尺比λ=50。模拟的环境载荷如表3所示。

有义波高/m谱峰周期/s风速/(m·s-1)流速/(m·s-1)风浪流方向实际值模型值实际值模型值实际值模型值实际值模型值同向30.0660.849152.1211.0290.145

动力定位更关注挖泥船在水平面内的3自由度运动，故本试验主要测量分析挖泥船纵荡、横荡及艏摇的运动时历。模型分别在0°、10°艏向角下进行实验，共有2个实验工况。最终，艏向角为0°时，挖泥船具有一定定位能力。各个螺旋桨功率消耗在一定范围之内，10°艏向角时，挖泥船定位并没有成功，推力器功率并未达到峰值，说明挖泥船所布置的3个推进器和2个舵不足以合理分配抵抗外环境力。

将模型试验数据换算成实船数据，试验结果见表4和表5。图6、7给出了已换算为实船的挖泥船模型试验数据的时历曲线。

表4 0°艏向角下的位置统计分析

表5 0°艏向角下的功率消耗统计分析

对于动力定位系统，普遍允许的偏移距离为水深的2%～4%，对于本船工作状态下的水深40 m而言，允许平均偏移量为0.8～1.6 m，从结果上看，偏移半径的统计平均值是符合要求的。本试验设计海况对挖泥船比较恶劣，因此当遭遇大风大浪时，出现最大漂移半径较大并且平均漂移半径靠近允许范围的极限值的情况。

图6 偏移半径时历曲线

图7 推进器消耗功率时历曲线

图8 艏摇角时历曲线

当艏向角为0°时，大部分风浪流力可以由主推进器直接抵抗，当艏向角有一定偏移时，可通过艏侧推进器进行调整来保持一定的定位位置。本试验中，当艏向角偏移一定角度时，无法进行有效定位，螺旋桨并未达到最大功率，说明推力不足不是无法定位的原因，由于舵转角的限制，无法提供足够的偏转扭矩使艏向角保持在目标角度，使得船体无法在目标位置平衡，从而偏离目标位置。由试验结果不难发现，在试验设计的海况下，挖泥船总体定位较好，若出现恶劣海况，仍会出现定位失败的情况，因此，挖泥船在实施作业过程中最好避免上述模拟以及试验海况。

4 结果分析

本文通过数值时域模拟和模型实验的方法从定位精度和功率消耗两个角度对比分析挖泥船的动力定位系统，得到以下结论：

(1) 在相同艏向角度情况下，随着流速的增加，动力定位的定位精度下降，且消耗功率增加。当流速增加到2 kn以上时，无法进行有效定位。

(2) 在相同流速情况下，随着艏向角的增加，动力定位的定位精度下降，且消耗功率有增加趋势。由于舵转角的限制，无法提供更大的偏转扭矩使艏向角保持在目标角度，使得船体无法在目标位置平衡，从而偏离目标位置。

(3) 模型试验的结果与时域模拟计算得到的结果共同表明，该挖泥船仅能在艏向角为0°，流速较小(小于2 kn)的情况下，具有一定的定位能力。

(4) 模型试验的结果与时域模拟计算得到的结果存在一定的偏差，与试验过程中测量装置的误差有一定的联系，但是总体趋势吻合较好。

5 结 语

本文针对研究较少的耙吸式挖泥船动力定位系统，以某8 000 m3耙吸式挖泥船为研究对象，从定位精度和功率消耗两个角度出发，采用模型试验与时域模拟两种方法对动力定位系统进行研究。通过构建动力定位时域模型，对挖泥船在各种海况下的实时运动进行时域模拟分析，得到该挖泥船的偏移半径时历和功率消耗时历，并进行模型试验，将模型试验与时域模拟结果的分析与比较，得到该挖泥船定位能力与相关信息，为实船动力定位系统提供参考与优化空间，并为将来工程实践应用提供必要的理论与实践指导。

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Numerical Research and Model Test on the Dynamic Positioning System of a 8 000 m3Drag Suction Dredger

ZHUYi-ming,WANGLei,ZHANTao,LIUHan-lin

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The research focuses on the dynamic positioning system on a 8 000 m3drag suction dredger and builds the model of low frequency motion equation and model of thruster system which leads to a time domain simulation for analyzing the dynamic position system. The environmental loads include wind, wave and current. By these, the horizontal offset and power consumed as well as their statistic values can be analyzed. At the same time, model test is also conducted to verify the results The computed results agree well with test data. The results of simulation and model test show that the dredger can keep its state in certain environment. The distribution of thrusters may not provide enough moment to help the vessel keep its state. The result can be easily introduced into engineering practice and provide designers with useful information when one is designing a dynamic positioning system on a drag suction dredger.

drag suction dredger; dynamic position system; time domain simulation; model test

2016-01-26

国家自然科学基金项目(51179103)； 国家重点基础研究发展计划项目(2013CB036103)

朱一鸣(1991-)，男，江苏淮安人，硕士生，从事动力定位系统研究。Tel.:18221372875； E-mail:zym262513@sjtu.edu.cn

王 磊(1971-)，男，安徽蚌埠人，副教授，从事动力定位系统研究。Tel.:021-62932025； E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn

P 751

A

1006-7167(2016)09-0004-06