大型非自航绞吸挖泥船极限海况单锚系泊设计

(上海交通大学，a.船舶海洋与建筑工程学院，b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，c.海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

近年来远海造岛工程对大型非自航挖泥船的抗风浪性能提出了新的要求。大型非自航绞吸挖泥船一般采用单锚系泊的方式定位于作业水域附近，在设计系泊系统时，主要依据规范计算舾装数作为选取锚及锚链设备的参考。当台风来临时，绞吸挖泥船往往来不及撤退至安全锚地，需要在临时锚地系泊，因此承受着极端恶劣的海洋环境载荷。已有研究对风浪流联合作用下绞吸挖泥船船体运动和系泊系统承载能力进行评估[1-2]，但是针对浅水区域的绞吸挖泥船运动研究还比较欠缺。由于浅水中浮式结构物受到波浪诱导的低频纵荡运动响应显著[3-4]，因此考虑通过SESAM软件进行数值模拟，基于压力积分法[5]计算作用于船体的二阶波浪力的传递函数，利用全QTF法得出二阶波浪力谱，结合时域动力分析法对某大型绞吸挖泥船运动响应和锚泊线张力进行计算和比较分析。

1 数值模型

基于三维势流理论，总的速度势Φ分为入射势、绕射势和辐射势，对浮式结构物湿表面压力积分，得到结构物所受到的总的流体作用力，包括波浪激励力、波浪辐射力和静回复力。同时，通过辐射速度势得到浮体的附加质量和势流阻尼系数。

1.1 绞吸挖泥船运动方程

绞吸挖泥船时域运动方程用下式来表示[6-8]。

(1)

式中：m为绞吸挖泥船的质量矩阵；a(∞)为频率无穷大的附加质量矩阵；ξ为绞吸挖泥船六自由度矩阵；K是静水恢复力矩阵；D1和D2分别为线性和二次阻尼矩阵；Fwave，Fcur和Fwind分别代表由波浪，海流和风引起的载荷；Fext表示其他作用力，如系泊张力、固定力等。

延迟函数h(τ)为由于自由面存在而产生的记忆效应，通过附加质量矩阵a和势流阻尼矩阵c得出。

(2)

1.2 低频纵荡运动阻尼

由于振荡频率低，波浪辐射阻尼可以忽略，低频纵荡阻尼主要包括静水阻尼和波浪慢漂阻尼。

静水阻尼系数与黏性有关，一般根据静水衰减试验结果计算得到[9]。

(3)

式中：δ由无因次纵荡衰减曲线计算得到，

(4)

其中：N为纵荡衰减次数；Xi为第i次纵荡运动幅值。

波浪慢漂阻尼是由波浪引起的，纵荡运动的波浪慢漂阻尼系数可通过平均波浪力的二次传递函数计算得到[10]。在迎浪条件下，波浪慢漂阻尼系数随着水深的减小而增大，与静水阻尼系数相比要小得多，不超过总阻尼系数的5%[11]。

2 绞吸挖泥船及环境条件

2.1 船体模型

该非自航绞吸挖泥船船长118 m，型宽28 m，型深8 m，设计吃水5.5 m，设计排水量15 931 t。锚链布置于船艉处，拖航时采用倒拖方式，因此，艉锚实际为艏锚，并配备有档锚链1根，长度330 m、直径68 mm，等级为AM3。锚链在空气中质量为101.3 kg/m，拉断负荷为3 500 kN，轴向刚度为467 024 kN。

在右手螺旋坐标系下建立绞吸挖泥船频域计算模型见图1。面元网格大小约为2 m，共计划分1 382个面单元。二阶自由表面模型见图2。利用全QTF计算获取二阶波浪力的传递函数。该自由面模型是一个圆域，半径为5倍船长，随着远离圆心的距离增大，面元尺寸不断增大。

图1 船体面元模型

图2 二阶自由表面模型

2.2 环境条件

为研究极限海况下绞吸挖泥船在波浪中的纵向运动和锚链张力变化情况，确定4种工况，见表1[12]。取风、浪、流方向相同，均为0°，即从x轴负方向到正方向，研究锚链的最大张力变化情况，风、流载荷按照定常载荷确定，不规则波浪采用JONSWAP谱，谱峰因子取为1.6[13]。同时，绞吸挖泥船临时锚地水深约为10 m，流为均匀流，流速为1 m/s。

表1 海洋环境条件

3 数值分析

3.1 静力分析

其中风、流载荷按定常力考虑，按照中国船级社《海上移动平台入级规范》[14]中给定的风载荷和流载荷计算方法进行计算。绞吸挖泥船所受纵向风载荷和流载荷见表2。

表2 风载荷和流载荷 kN

将风、流载荷施加于船体上，该船会偏移到新的平衡位置。依据悬链线方程[15]，考虑锚泊线的弹性伸长，计算不同工况下锚链的悬挂长度、拖底长度以及该船纵向回复力系数，并由此估算该船在纵荡方向上的固有周期，见表3。

表3 锚泊线参数

3.2 频域分析

在Hydrod中，不考虑锚泊线的作用时，对自由漂浮状态下的绞吸挖泥船进行频域计算，得到该船在纵荡方向上的附加质量、运动响应的传递函数和一阶波浪力的传递函数。主要参数设置见表4。

表4 频域计算主要参数设置

当浮体在理想的流体中运动时，所受到的力与力矩由速度、加速度以及附加质量与阻尼系数决定[16]。由于绞吸挖泥船在艏部均有很大的开槽来布置桥架和台车，其水动力性能受到开槽的影响较大。0°浪向角下的纵荡附加质量系数见图3。在频率为0.1～0.8 rad/s范围内，随着波浪频率的增加，纵荡附加质量系数呈现下降的趋势，在频率为0.7～0.8 rad/s的范围内附加质量系数迅速下降，甚至出现了负值的情况。

图3 0°浪向纵荡附加质量系数

0°浪向角下的纵荡阻尼系数见图4，在小于0.8 rad/s的范围内先不断增加，大约在0.8～1.2 rad/s的范围内有所减小，之后又呈现上升的趋势。

图4 0°浪向纵荡阻尼系数

绞吸挖泥船0°浪向下纵荡和纵摇运动RAO分别见图5、6。

图5 0°浪向纵荡运动RAO

图6 0°浪向纵摇运动RAO

绞吸挖泥船受到的一阶波浪力由弗劳德-克雷洛夫力(F-K力)与波浪绕射力构成。0°浪向一阶波浪力传递函数RAO计算结果见图7。

图7 0°浪向纵荡波浪力RAO

随着波浪频率的增加，一阶波浪力传递函数RAO呈现波动下降的趋势，在波浪角频率为0.25 rad/s和0.8 rad/s附近时有峰值，在波浪角频率为0.55 rad/s和1.1 rad/s附近时有谷值。

极限海况下，需要重点关注绞吸挖泥船在浅水中的运动，绞吸挖泥船在水平面上共振的低频运动将会显著影响到锚泊线的性能。由于全QTF法更加适合于浅水环境下计算二阶波浪力谱[11]，采用全QTF法来揭示绞吸挖泥船的浅水运动响应。见图8。

图8 10 m水深纵荡波浪力QTF矩阵(0°-0°)

由图8可见，纵荡二阶波浪力的传递函数(QTF)在对角线区域出现较大的响应，并集中在低频区域出现峰值，由此推断将会产生非常大的纵荡波浪力。

3.3 时域分析

依据DNV规范，进行多次(10～20次)3 h的时域模拟，统计每次模拟结果的最大值，再求取统计的极大值的均值作为此次锚泊线张力的最大值，确定锚泊线张力的最大值。

采用DeepC软件，对绞吸挖泥船船体、锚泊线进行时域耦合数值计算分析，通过改变环境参数中波浪的随机种子参数，对0°浪向下4种工况分别进行了10余次的计算，得到绞吸挖泥船锚泊线张力见表5。

表5 时域计算统计结果

由表5可知，4种工况下，绞吸挖泥船的船体纵向位移最大幅值约为2.00 m，工况1～3下的安全系数满足规范所要求的1.5，工况4下的锚泊线张力最大值已经达到3 514 kN，超出了锚链的破断强度。由此判断，绞吸挖泥船的锚链配备可以满足工况1～3的安全需求，而工况4则无法满足DNV规范要求。

考虑船体低频运动的锚泊线张力与仅考虑船体波频运动的锚泊线张力的对比见图9，极限海况下，在考虑船体低频运动后，绞吸挖泥船锚泊线张力发生巨大的增长。随着波浪参数波高和谱峰周期的增大，锚泊线张力的增长趋势逐渐变大，二阶低频波浪力对于浅水系泊下的绞吸挖泥船锚泊线张力的影响更大。

图9 锚泊线张力值对比示意

4 结论

1)依据DNV规范对锚泊线张力时域数据的统计分析处理，得出锚泊线的最大张力值，并由此评估目前的锚链等级在极限工况4下不能够满足系泊安全要求，需要更换更高等级的锚链。

2)极限海况下，风、流环境载荷的增加将会改变绞吸挖泥船的初始平衡位置，增大锚链的预张力，随着波浪参数波高和谱峰周期的增加，锚泊线张力的增大幅度也迅速提高。

3)由于存在的二阶波浪力作用，将会对绞吸挖泥船纵荡运动幅值产生巨大的影响，从而诱导锚泊线张力迅速增大，对于极限海况下绞吸挖泥船系泊产生极为不利的影响。在实际工程应用中，对绞吸挖泥船的单锚系泊设计需重点考虑。