5万吨级半潜船航行耐波性

刘 旭, 陈晓明, 蔡连财

(1.中远海运特种运输股份有限公司， 广州 510623； 2.中国船舶重工集团国际工程有限公司， 北京 100024 )

半潜船主要通过一系列下潜、上浮操作或码头滚装的方式来装卸和运输不可分割的超大型设备[1-2]，是重要的新型海洋工程特种运输船型，目前最大载重吨已发展到11万t，承运的单件货物最大重量也达到6.4万t。半潜船船宽与船长、型深、吃水的比值明显大于常规运输船。半潜船运输的特大型设备和海洋平台类别繁杂，每次航行过程中货物的绑扎状态都相差较大，船舶运动响应变化也较大，稍有不慎，很容易引起货物移动、倾倒，甚至引发全船舶倾覆等安全事故。[3-4]在航运过程中，为确保航行安全，半潜船每一次运载特大件货物时均需要针对具体的运载状态进行耐波性分析，并依据计算结果进行牢固绑扎。因此，全面掌握半潜船在不同运载航行状态下的水动力特性和耐波性规律是非常有必要的。

作为一种高技术高附加值的特种船型，半潜船设计难度很大，2006年之前仅有荷兰具备完整的建造设计能力，近些年，我国通过引进吸收的方式也逐渐具备一定的设计能力，但仍与世界先进水平存在巨大差距。迄今为止半潜船还没有统一的技术要求，国内外半潜船的关键技术资料、研究报告和文献资料极少，针对半潜船耐波性的研究数量更少，白鑫等[5]、杨索贤等[6]分别利用HydroStar软件预报半潜船的波浪载荷，得出规范公式无法对波浪载荷做出合理的评估而采用直接算法较为合理的结论。莫瑞芳等[7]利用Sesam/PatranPre软件进行零航速耐波性分析，研究浪向对垂荡、横摇的响应规律。目前，公开的文献缺少半潜船耐波性试验分析及数值模拟与试验的对比分析等方面的研究，不利于半潜船技术的发展。

基于此，本文以5万吨级半潜船为研究对象，开展模型试验和实船试验、数值模拟方法在半潜船耐波性分析领域的应用研究，且通过对比分析探讨半潜船航行状态下的水动力规律，为同类型半潜船耐波性分析提供有益参考。

1 耐波性试验

半潜船耐波性试验方法包括模型试验和实船试验。耐波性模型试验主要包括静水试验、规则波试验、不规则波试验和瞬态波试验。[8]其中,不规则波模型试验主要通过船舶模型在不规则波中的运动响应试验，以确定船体在不同状态下各种频率响应函数及加速度等。耐波性实船试验项目包括船舶运动响应及垂向加速度等测试。[9]不规则波模型试验和实船试验能较真实地反映天然海浪作用下的船舶运动规律，前者是船舶设计期间确定船舶耐波性的重要依据，后者是评价和检验船舶耐波性优劣的最终依据。本文分别考虑了半潜船的这两种试验情况。

1.1 试验参数和试验条件

为得到半潜船准确的水动力特性，给后续绑扎设计提供依据，需要开展半潜船的耐波性试验研究。目标船型为我国开发的某5万吨级半潜船，目标船型的实际尺寸参数和试验条件见表1。

耐波性模型试验在荷兰MARIN水池进行，采用先进的摇板式多单元造波系统及消波系统。根据船舶与海洋工程模型试验原理和相关规范[8,10]，模型试验模型缩尺比取1∶49.5，见图1。

图1 5万吨级半潜船模型

表1 半潜船模型参数

描述轻载工况满载工况实船工况(空载工况)排水量/t54 461.0869 191.4450 275.50型长/m216.70216.70216.70型宽/m434343艉吃水/m8.009.817.50艏吃水/m8.009.817.00初稳心高值/m9.254.9218.28横摇转动半径/m17.2021.5012.97

1.2 不规则波试验方法分析

(1)

不规则波试验的RAO主要通过不规则波试验获得半潜船在白噪声波谱中的运动响应，应用谱分析技术将相应的时域信号进行傅里叶变换，得到频域响应，再进行平滑处理，最终计算得出船舶在不同浪向角下各自由度的RAO。

2 数值模拟

2.1 水动力分析数值方法

水动力分析数值方法是船舶耐波性分析的基本技术手段。与之前的研究仅数值模拟不同[5-7]，本文将三维绕辐射势流理论的OCTOPUS计算程序对半潜船的耐波性预报结果与模型试验和实船试验结果进行对比分析，以此验证数值模拟方法的合理性。在计算过程中，流场的求解基于频域格林函数边界元法进行，一阶问题采用基于Korvin源势法，二阶采用Molin法。OCTOPUS水动力数值方法具体的实现原理见图2。

实际海况是不规则且随机的，谱分析法可给出特定不规则波海况下船体的运动响应。[11]本文计算采用JONSWAP 波浪谱，其定义为

(2)

图2 OCTOPUS水动力数值方法具体的实现原理

航行船舶的响应谱的谱矩可表达为

(3)

式(3)中：Sζ(ω)为海浪谱密度函数;ω为波浪圆频率。

2.2 计算模型

水动力计算模型包括湿表面模型和质量模型。湿表面模型是基于半潜船的肋骨型线图中的50个典型肋位，其中：艉部1/4船长包含15个剖面；艏部1/4船长包含15个剖面；舯部包含20个剖面。为保证计算精度，计算区域长度和宽度方向均实取船宽的5倍。船体的网格沿船长方向约55个，船宽方向约20个，在型线变化比较大的地方网格密度适当加大，四周自由液面的网格与船体网格相匹配。船体水动力计算模型见图3。

图3 半潜船水动力计算模型

3 模型与实船试验工况及结果分析

3.1 不规则波模型试验与实船试验工况

为完整考察半潜船的航行耐波性特性，分别测试以下典型工况。其中，定义从艉部方向传来波浪入射角为 0°，艏部方向传来波浪入射角为180°。

1) 轻载工况1(吃水=8 m)，Hs=6.50 m,Tp=9.00 s，浪向90°/180°，航速10 kn。

2) 轻载工况2(吃水=8 m)，Hs=6.50 m,Tp=12.50 s，浪向为90°/180°，航速为10 kn。

3) 满载工况1(吃水=9.81 m)，Hs=6.50 m,Tp=9.00 s，浪向为90°/180°，航速为10 kn。

4) 满载工况2(吃水=9.81 m)，Hs=6.50 m,Tp=12.50 s，浪向为90°/180°，航速为10 kn。

5) 实船工况(吃水=9.0 m)，Hs=1.5～4.0 m,Tp=10～12 s，浪向为-35°/-45°/-60°，航速为9.0～11.8 kn。

3.2 模型试验横摇和垂荡运动分析

半潜船模型试验的横摇、垂荡运动情况见图4、图5、图6和图7。

图4 RMS横摇运动幅值图5 横摇RAO

图6 RMS垂荡运动幅值图7 垂荡RAO

由图4与图5可知：

1) 在尾斜浪和横浪之间区域的海况下，由于波浪的遭遇频率接近于横摇运动自然周期，船舶处于共振区，因此半潜船的横摇激励最大，横摇响应最为剧烈。这与之前的结论是一致的。[9]

2) 横摇运动对装载状态非常敏感，在轻载工况下船舶的最大横摇角幅值远大于满载工况，主要原因是该装载工况下船舶固有周期13.6 s更加接近波浪遭遇周期。

由图6和图7可知：

1) 在横浪的海况下，半潜船的垂荡运动响应最大，其中满载工况垂荡RAO达到1.18，较为危险，其他浪向垂荡性能相对较好。

2) 在满载工况下垂荡运动大于轻载工况。显然装载状态对垂荡运动存在一定影响。

3) 在小于0.7 rad/s波浪频率范围内，垂荡受波浪高度影响较大，对波浪遭遇周期不太敏感。

3.3 试验与数值模拟的结果对比

3.3.1自然横摇周期对比

模型试验与数值模拟的自然横摇周期差异非常小，自然横摇周期对比见表2。在3%以内。该差异是船舶的尺度效应所致，因此可忽略。

表2 自然横摇周期对比 s

3.3.2运动响应传递函数对比

半潜船不规则波纵摇RAO的模型试验结果和OCTOPUS预报结果比较见图8。由图8可知：

1) 半潜船纵摇对装载状况不太敏感。

2) OCTOPUS预报结果非常接近于在模型试验中测量到的纵摇RAO，故本文采用的数值方法可行，计算结果的精确度较好。

3) 半潜船模型试验成本较高，且试验数据非常有限，难于完整描述半潜船耐波性规律，尤其在高频和低频区间。OCTOPUS则可给出相对准确的纵摇RAO高频和低频计算结果，有助于实际工程应用。

图8 纵摇RAO模型试验结果和OCTOPUS预报结果

3.3.3加速度预报对比

为进一步验证在不同工况下船舶运动响应的预报精度，选择半潜船驾驶台和主甲板上2个参考点进行观测，坐标分别为驾驶台：X=198.40 m，Y=0.00 m，Z=42 m；主甲板：X=0.00 m，Y=21.50 m，Z=13.00 m；图9～图12分别给出了轻载工况(吃水=8 m)，Hs=6.50 m,Tp=12.50 s在不同浪向情况下的驾驶台和主甲板参考点数值模拟和模型试验的垂向加速度和横向加速度值对比结果,见图9～图12。

图9 驾驶台处垂向加速度值对比结果图10 驾驶台处横向加速度值对比结果

图11 主甲板处垂向加速度值对比结果图12 主甲板处横向加速度值对比结果

由图9～图12可知:驾驶台和主甲板参考点的垂向加速度和横向加速度值数值计算曲线与模型试验曲线的趋势基本吻合，数值模拟结果略为保守:在顶浪和艏斜浪的海况下，驾驶台和主甲板处垂向加速度下相对较大，表明纵摇运动起着重要的作用，垂向加速度和浪向有关；在艉斜浪和横浪的海况下，驾驶台处横向加速度最大，横向加速度同时受浪向和所处位置的影响。半潜船在实际绑扎分析时需要全面考虑加速度处于最不利的情况。

3.3.4实船试验与数值模拟横摇运动对比分析

对在某海域实际营运中的半潜船进行实船耐波性试验, 实测该船航行过程中的横摇运动特性，并与OCTOPUS数值模拟结果进行对比，从而检验数值模拟方法的可靠性和实用性。两者对比结果见图13。

由图13可知：实船试验的横摇RAO值与数值模拟在同等海况下的计算值是比较接近和吻合的，数值模拟结果具有较高的准确性，可用于实船耐波性预报。但两者也存在一定差别，主要原因是试验时的海洋环境条件存在一定的不确定因素，而数值模拟的数学模型基于一定假设条件，无法完全真实模拟实际海况。在实际工程应用中，数值模拟应考虑一定安全裕度。

4 结束语

本文结合实例分析，利用试验方法和数值模拟方法研究某5万吨级半潜船的耐波性，得出以下结论，可对同类型半潜船的开发设计提供一定的参考：

1) 半潜船横向加速度与浪向、所处半潜船垂向位置相关。半潜船垂向加速度则与浪向相关。

2) 半潜船横摇、垂向和纵摇运动响应与装载状态和浪向相关。在轻载工况下的船舶横摇自然周期接近于一般航行海域的波浪遭遇周期，半潜船最大横摇角发生在轻载艉斜浪工况；半潜船最大垂荡运动发生在满载横浪工况。这证明在大风浪运载航行的情况下，半潜船应该尽可能避免顶浪和横浪航行，

根据实际营运经验，尽可能保持船舶与浪向在20°夹角的情况下航行。

3) OCTOPUS数值模拟结果的分布规律与模型试验、实船试验相符合，且能够提供更为完整的预报结果，说明数值模拟方法对于计算半潜船耐波性是一种有效的工具，可作为半潜船的货物绑扎分析主要技术手段。