船舶水面拖航系统运动性能研究进展

2018-09-10刘艳敏

船舶与海洋工程 2018年4期

刘艳敏，邢福，周佳

（1. 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082；2. 深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082）

0 引言

随着船舶工业、海上工程和港口建设等不断发展，与其相关的海上装置的数量不断增多、规格不断增大，半潜式起重船等工程船、海上浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）和海洋平台等浮式结构物需通过拖航进行运输，海上拖带业务日益频繁[1]。海上船舶在遇险之后需尽快通过拖航拖至安全海域、港湾或修船厂。根据日本相关机构对其近海海域的海难事故所做的调查报告，该海域需救助的遇难船舶日益增多，其中中小型船舶占70%左右，货船和油船每年占20%～30%[2-3]。

拖航作业需求不断增多，拖航风险和拖航事故发生率不断提升。根据世界近海事故数据库（WOAD）所作的北海区域1980—1989年无动力船舶近海事故详细报告，拖航事故约占风险总量的10%，属于高频事故[4]。

影响海上拖航安全的主要因素[5]包括：主拖缆断缆导致的拖船和被拖船操纵失控；被拖船过度偏荡导致的拖带失控；主拖缆缠绕螺旋桨导致的带缆失败及拖船失控。

国际上导致大型移动装置全损的首要原因是断缆（约占20%），其中拖具原因经验百分比达38%。就断缆发生部位来看，拖船船尾经验百分比达30%，弹性尼龙绳经验百分比达28%，拖缆中部经验百分比达7%[6]。

为保证拖航作业顺利开展，尽量降低拖航风险，船舶拖带航行运动性能研究受到广泛关注。近年来，相关学者从拖航力计算方法、拖航系统水池试验技术、拖带船舶水动力载荷与运动特性和拖带系统操纵运动模拟方法等方面着手，开展了大量研究工作。本文按照经验公式与图谱研究法、水池试验研究法和数值计算模拟研究法等3种方法进行分类，综述船舶水面拖航系统运动性能研究现状，为后续拖航系统运动性能研究提供参考。

1 经验公式与图谱研究法

中国船级社于1997年颁布《海上拖航指南》（以下简称《指南》）[7]，并于2011年对其进行补充完善[8]。《指南》中给出海上拖航阻力估算方法，按摩擦阻力、剩余阻力和空气阻力对拖航阻力进行分类，通过经验公式对3种类型的阻力合成进行拖航阻力估算。文献[9]按照《指南》中的方法对打桩工程船进行拖航阻力计算，并绘制拖航阻力曲线；文献[10]根据《指南》中的方法计算工程船海上拖航阻力，对选择合适拖力的拖船拖航进行指导；文献[11]对半潜驳船拖航沉箱施工中的拖航阻力进行计算，有效选择匹配的拖船进行施工，降低沉箱拖航施工成本。

《美国海军拖航指南》[12]指出，拖带缆绳极限张力由稳态拖缆张力、偏航运动引起的拖缆张力和在波浪中运动引起的拖缆张力等 3部分叠加而成。《美国海军拖航指南》对多种拖带航行工况进行计算统计，包括2种拖船类型（T-ATF 166 舰队拖船和ARS 50 打捞救生船），5种被拖船类型（FFG 1 导弹护卫舰、YRBM 潜艇修理停泊及食宿驳船、DD 963 驱逐舰、AE 26 弹药船和LHA 1 直升机登陆突击舰），4种风速（15kn、20kn、25kn和30kn），4种有义波高（1.22m、2.19m、2.77m和5.00m），3种拖带航速（3kn、6kn和9kn），5种拖缆长度（300m、360m、450m、540m和630m），4种浪向角（0°、60°、120°和180°），计算在上述工况下拖缆的极限张力，并给出拖缆平均张力与极限张力的关系图谱曲线。文献[13]对比分析《指南》与《美国海军拖航指南》中有关拖航阻力和动态缆绳张力计算的内容，以3000吨级多功能渔船拖航计算为例，说明船舶海上拖航缆绳张力的计算方法。

经验公式与图谱研究法可用来计算拖带力，但存在一定的局限性：

1) 《指南》中仅给出拖航阻力的计算方法，并没有计及波浪的影响；而经验公式和图谱都是在现有常规船型实际拖航数据的基础上总结归纳得出的，对新兴船型拖航的适用性有待考究。

2) 拖带航行是较为复杂的海上活动，拖带力与风浪条件、拖航时间和装具新旧等都有一定关系，经验公式与图谱研究法很难准确给出上述参数的变化对拖带力的影响。

2 水池试验研究法

国内拖带航行运动性能水池试验研究方法多为按照一定的缩尺比以几何相似（包括船体线型相似，拖缆的直径、长度、安装位置和龙须角相似等）和力学相似（包括拖缆轴向刚度相似等）为条件，在拖曳水池开展规则波和不规则波试验，研究环境条件参数和拖缆配系参数等对拖航稳性、拖航系统动力学响应和拖缆张力的影响。

黄祥兵等[14]在华中科技大学拖曳水池对某型船单缆拖带运动进行试验模拟，探讨拖带方式、被拖船系缆点位置、系缆方式、缆绳质地选择、拖缆长度和拖带速度等拖带配系参数的改变对船舶动力学响应和系缆力的影响。试验结果表明：被拖船在水平面内的振转运动（见图1和图2）具有强烈的非线性特征；拖带速度越大，被拖船系缆点位置越远离船的重心，船舶越易出现振转运动；缆绳的弹性系数是单点拖带系统抗冲击力的关键因素之一。

图1 被拖船模静水状态的振转运动

图2 被拖船模迎浪状态的振转运动

文献[15]～文献[20]以某筒型基础系缆平台为原型，在拖曳水池中采用1:20比例的模型开展规则波与随机波工况下的拖航试验，研究拖点位置、拖缆长度、系缆龙须角、航速、水深和波浪方向对筒基平台拖航稳性、耐波性及拖缆张力的影响。筒基平台拖航模型入水情况见图3；试验中采用拉力传感器、压力（气压和水压力）传感器和加速度传感器，传感器布置情况见图4；试验中拉力传感器固定于拖车上，其中拖车上的拉力作用点距离水面30cm，作用点处安装有滑轮，拖缆经过滑轮将结构模型和拉力传感器连接起来。

图3 筒基平台拖航模型入水情况

图4 传感器布置情况

赵战华等[21]在中国船舶科学研究中心深水拖曳水池中开展半潜式自航工程船拖航模型试验，在水池一端布置16单位摇板式造波机模拟长峰不规则波，用细钢丝绳模拟拖缆，进行有呆木和无呆木工况下的静水横摇衰减试验、静水中的拖航试验和波浪中的拖航试验。试验结果表明：半潜式工程船在波浪中航行时，呆木可明显减小船的摇摆运动，对稳定其航向有明显的作用；有无呆木对拖缆力的影响不大，在波浪中拖航时，波浪对改变拖缆力的大小起主要作用。

由于试验设备和条件的限制，上述拖航试验模型都以单一被拖船为研究对象，将拖缆一端系固于拖曳水池中的拖车上来模拟拖航运动，而实际上海上拖航作业是拖船、拖缆和被拖船组成的系统的无约束运动，且三者之间的运动是相互关联的。戚心源等[22]借助自航航向稳定装置使拖船和驳船的6个自由度均处于无约束状态，以2600马力（约1912kW）拖船、“重任702”驳船和拖缆联结后的状态为研究对象，在中国船舶科学研究中心大型耐波性水池中完成不规则波工况下的拖航试验，有效模拟拖航系统的海上拖航，探讨缆长、浪向和航速等对拖航系统运动响应和拖缆力的影响。

文献[23]～文献[27]用1:100缩尺比的船模模拟类似“开拓者”号受损时的船体拖航状态。在船模两舷设置模拟破损的开口，舷侧开口处可通过口盖保持水密状态；在船尾下方设置箱状居住室，在此基础上模拟倾覆状态。试验时在经船模中心线单点连接的拖缆与连接弹簧之间加入拖缆张力仪，由拖车拖曳航行。试验中模拟横倾、艏纵倾、艉纵倾、倾覆和破损状态；拖缆张力通过环归测试；摇荡通过设置于船体横向、船体上方和艉部的3台PSD摄像机，对船体上的3个非接触发光二极管传感器信号进行采集、分析。试验结果表明，有海水进入破损船体内的拖航阻力基本上与速度呈三次方关系。

ZAN等[28]在马来西亚理工大学海洋科技中心的拖曳水池（长120m，宽4m，深2.5m）用日本广岛大学的驳船模型（长1.219m，宽0.213m）对3种不同拖缆布置方式进行静水中的拖航试验，拖带航速为0.5m/s。试验中用跟踪管理器（QTM）记录被拖船模6个自由度方向上的运动。试验结果表明：对于“直线型”拖缆，随着缆绳长度的增加，被拖船的横荡运动位移增加；对于“V型”拖缆，随着V型部分夹角的减小，被拖船的横荡运动位移减小；对于“虎口”型拖缆，被拖船的横荡位移几乎为零，但从拖点开始有较大的偏航角，同时对应的受力要大于另2种拖缆。

3 数值计算模拟研究法

3.1 国内数值模拟研究

3.1.1 基于三维势流理论的拖航模拟

基于三维势流理论、波浪的辐射/衍射理论，可应用水动力分析软件AQWA中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT模块，对拖航系统进行频域和时域内的数值模拟与计算。AQWA软件不仅可解决风、浪、流联合作用下的拖带航行运动问题，还可考虑船体之间的水动力干扰，对多船拖航进行数值模拟分析。

石丽娜[29]对拖航系统进行风、浪、流载荷作用下的时域运动仿真，研究拖航速度、拖缆长度、吃水、纵倾和环境条件等参数对拖航系统的运动状态和拖缆力的影响，探讨多船拖航方案和拖航参数的优化配备问题。唐振新[30]对时域内风、浪、流综合作用下自升式平台-拖缆-拖船组成的系统在静水和水流中的拖航进行拖带运动分析，研究各主要因素（拖缆长度、拖航初始速度、平台吃水情况及环境）对平台拖航稳性的影响。朱纬龙[31]预报自升式储卸油平台六自由度运动响应及其典型剖面的垂剪力和弯矩值，研究拖缆长度、拖航速度、艏倾、艉倾、浅水效应、风载荷、流载荷和风浪流的联合作用对拖航系统的影响。

基于三维势流理论对拖航系统进行数值模拟尚存在一定的局限性，拖航系统是由拖缆、拖船和自升式平台组成的非线性系统，复杂的非线性和相互作用的边界条件将是进一步研究时需考虑的问题；同时，AQWA软件只能模拟直拖，若考虑拖航系统的回转性能，还需编写外部程序，通过接口与软件相连接。

3.1.2 基于被拖点位置匹配法的非线性拖航模拟

文献[32]～文献[34]基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程，提出被拖点匹配方法，构建拖船-拖缆-被拖船整体的非线性拖带动力学方程。该方法采用PD控制方法模拟拖船航向改变的运动过程；被拖船采用水平面四自由度运动方程，并引入风、浪的作用力和力矩；拖缆张力采用被拖点匹配技术确定。

通过模拟由5000t拖船和3000t被拖船组成的系统发现，结合拖点匹配技术的拖船-拖缆-被拖船整体的非线性拖带动力学方程在时域内能有效模拟拖带运动。此外，得到以下结论：

1) 波浪载荷、风载荷是拖航的扰动因素，其作用导致拖带航向的稳定性降低。

2) 若拖带航向稳定，则横向稳性能得到保持；若拖带航向不稳定，则可能导致横向不稳定。

3) 具有航向稳定性的船舶的拖带稳定性仅与拖点位置有关，拖点位于水力作用点之前即可使拖带航向保持稳定。

4) 增加拖缆长度或选择弹性大的拖缆能有效抑制拖缆张力的高频振荡。

5) 改变拖带航速对拖带航向稳定性无影响，但增大拖带航速会加快拖带航向的响应，同时会增加航向角的超调量。

上述研究对开展拖航作业具有一定的指导意义，但有待进一步深入研究，主要体现在以下3方面：

1) 仅对具有航向稳定性的船舶进行波浪作用下的拖带运动数值计算，需进一步对不具备航向稳定性的情况进行研究；

2) 研究中拖缆与被拖船通过被拖点位置匹配，计入拖缆与被拖船的相互作用，但未考虑拖船与拖缆之间的相互作用；

3) 数值计算中拖船采用水平面三自由度运动方程，即考虑3个平动运动自由度，被拖船采用水平面四自由度运动方程，在3个平动运动自由度的基础上增加横摇运动方程，有待进一步研究。

3.1.3 基于MMG分离式操纵模型的拖航模拟

梁康乐等[35]采用船舶操纵运动数学模型小组MMG（Ship Maneuvering Mathematical Model Group）的分离式操纵运动模型和拖缆悬链线模型构建拖船-拖缆-被拖船组成的拖航系统操纵运动模型，数值模拟拖航系统直航、改变航向和受到小扰动时的运动，并调整缆长、航速和拖点位置，观察拖航系统的航迹、航向角和拖缆张力的变化。同时，对水动力导数进行浅水效应修正，就浅水效应对拖航操纵性的影响进行初步分析和探讨。研究结果表明：增加拖缆长度能有效改善拖航系统的稳定性，并减小拖缆张力的振荡幅度；被拖船拖带点的位置越靠前，越能提高拖航系统抵抗外力扰动的能力，并使航向稳定性变好；浅水效应使拖航系统的航向稳定性变好、航向改变能力变差，在狭水道改向时应特别注意这一影响，选择适当的转向点；改变自动舵的PD控制参数能有效减小拖船的航向角振荡幅度，并能使系统由不稳定状态转变为稳定状态。

上述研究没有考虑被拖船情况对拖航系统偏荡的影响。洪碧光等[36]利用MMG分离型建模思想建立拖航系统运动数学模型，并通过仿真研究拖航速度、拖缆长度、水深、装载情况及风和流对被拖船偏荡的影响，得出可通过改变被拖船装载情况来抑制拖航过程中的偏荡的结论。然而，该研究只考虑船舶在水平面内的运动，即考虑进退、横移和转艏的3自由度方程，忽略了纵荡、横摇和垂荡运动及拖船与被拖船之间的水动力干扰对拖航结果的影响。

3.2 国外数值模拟研究

近年来国外学者在水面拖带航行系统运动性能计算模拟研究方面主要致力于解决以下问题：

1) 耦合拖船-被拖船-拖缆的非线性问题数值计算方法；

2) 对拖航过程中的回转运动特性、破损船舶的拖航稳定特性等进行仿真计算；

3) 将减小拖航系统运动响应和提升拖航稳性的方法（如使用有艉鳍的拖船、采用电流舵控制）的效果预报评估加入数值仿真计算内容中。

文献[37]和文献[38]将由模型试验测得的水动力加入操纵性方程中，假定拖缆为刚性缆，数值计算平载状态和艏艉存在吃水差状态的拖航系统的航向稳定性，并研究舵控系统对拖航系统操控的影响。结果表明，用电流舵可使拖航系统在没有大横荡和大艏摇的情况下保持航向稳定性。

FITRIADLY等[39-40]对定常风条件下被拖船的非线性回转特性进行分析，采用操纵性方程描述拖船和被拖船的运动，采用二维集中质量法求解耦合动态张力的缆绳运动，采用Newmark-beat法进行数值方程求解。研究结果表明：在风向为120°工况下，无艉鳍被拖船的航向角有所减小；在顺风和迎风工况下，有艉鳍被拖船（见图5）会产生较大角度的艏摇，尤其是在高风速下会增加被拖船的回转运动；在无风工况下，增加拖点位置与被拖船长的比值可减小回转运动。

FITRIADHY等[41]根据耦合拖船与被拖船运动的平稳转向运动理论提出松弛拖缆计算公式，对平稳转向拖航运动进行线性和非线性时域数值计算，同时在日本广岛大学的拖曳水池中进行测试（见图6）。研究结果表明：非线性时域计算结果与测试结果更接近；增加拖缆长度，艏摇运动响应增大，更易使拖缆在转向过程中进入缆绳松弛状态，从而造成拖航失控。

图5 有艉鳍拖船模型

图6 松弛拖缆拖航模型试验

中山喜之等[42]提出在迎浪条件下计算拖船和被拖船在波浪中运动的时域计算方法。该方法用二维集中质量法求解拖缆动力学方程，考虑拖缆的自重和流体阻力引起的拖缆变形。该时域方法计算不仅可计算拖船和被拖船在波浪中的运动，还可计算作用在拖点上的张力。为验证该方法的正确性，用双吊舱推进船模作为拖船，用SR108集装箱船模作为被拖船，试验验证在不同波长条件下拖船和被拖船在波浪中的运动及作用在拖点的张力。经与计算结果相比较，认为目前采用该方法可获取迎浪条件下拖船和被拖船在波浪中的运动及拖点张力。