智能搜救艇航行安全分析

2022-02-03林玉璋刘森林

机电设备 2022年6期

舒展，高慧，林玉璋，刘森林

（天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612）

0 引言

海面上发生船舶遇险损毁事故时，需要在现场应用特种救生救助装备开展海上救助作业。而在高海况下，有人驾驶的搜救船舶难于开展正常作业。无人搜救艇开展海上救生救助是安全可靠的选择，但由于该搜救作业在高海况下开展，无人艇在高海况中的瞬时运动及安全问题需要进行分析研究。本文就此安全问题进行数值模拟和计算分析，评估其作业安全性。

1 智能搜救艇概况

智能无人搜救艇船型参数如下，艇总长Loa＝6.25 m，型宽B＝2.15 m，型深D＝1.265 m，吃水d＝0.607 m，排水量Δ=2.863 t，浸湿面积S=10.8 m2。具体主尺度见表1。基于型线图和型值表，艇体三维建模见图1。

图1 3D 模型图

表1 无人搜救艇船体参数表

2 技术思路

由于智能无人搜救艇在高海况下进行作业，高海况下的运动响应是典型的强非线性水动力学问题，传统的势流方法对这种强非线性的艇体和波浪相互作用勋在局限性。因此需要借助计算流体力学手段开展直接数值模拟。综合应用基于静力学的静水和波浪中稳性计算评估，和基于动力学的频域势流、时域黏流耐波性计算评估。首先，对稳性计算评估，基于静力学方法计算最不利工况下的艇体横摇复原力臂，评估艇体在静水和波浪中的稳性。其次，对耐波性计算评估，先基于传统的频域势流切片法预报艇体运动响应幅值算子和6级海况下的运动谱，根据频域结果搜索最不利的波浪环境，确定时域计算波浪参数和工况；再基于时域黏流的计算流体力学方法，建立数值波浪水池模拟强非线性海面波浪环境、艇体运动方程，并在时域计算分析艇体运动响应。最终通过静力学和动力学方法，分析无人搜救艇在高海况下的稳性、耐波性，评估航行安全性能。

3 智能搜救艇稳性分析

无人搜救艇吃水d=0.6 m，排水量Δ=2.86 t，重心高度0.66 m。满载吃水下，计算静水和波浪环境下的初稳性高、稳性复原力臂，最后根据法规要求评估其稳性，同时评估其自扶正功能[1]。图2为艇体模型图。

图2 艇体模型图

此智能搜救艇体需在高海况下作业，由于风浪联合作用，艇体受到外力干扰，使其产生倾斜，这样就破坏原来正浮时的平衡状态，外力消失，船体由倾斜状态自动恢复至平衡状态，这样的能力为船舶具有足够稳性[2]。艇体在波浪中具有参数横摇特性，考虑艇体处于波峰位于船中、波长等于船长的迎浪情况，相对于静水正浮状态，此时船体水线面损失最大，容易发生波浪中失稳得最不利状态。考虑波长为船长6.25 m，在极限波陡为八分之一的条件下，波高取为0.78 m，波峰位于船中，此时艇体强制横摇180°，计算波浪中不同横摇角度的稳性力臂值，分析其稳性特征。

图3为智能无人搜救艇在0～180°横倾下的复原力臂图。表2为稳性力臂表。

表2 稳性力臂表

图3 复原力臂图

由计算结果可知，在静水、波；浪环境中无人搜救艇，初稳性高为0.461 m，最大复原力臂对应角为54.5度，最大复原力臂值为0.319 m；在0～180°倾斜角度范围内，除了初始状态为平衡位置，在116.9°也为平衡位置，即船体倾斜到～114°，船体复原力臂为0，在此状态，若稍给外力矩，则艇体会快速自动复原至正浮状态，此能力称之为具有自扶正功能。

根据法规对稳性的要求：1）初稳性应不小于0.15 m；2）横倾角30度处的复原力臂应不小于0.02 m；3）船舶最大复原力臂所对应的横倾角应不小于30°[3]。由静水稳性计算结果对比，可知智能无人搜救艇静水及波浪中稳性满足规则要求。

4 耐波性计算工况搜索

计算海况为六级海况，对应有义波高为6.0 m、波谱峰周期为9.993 s，选用JONSWA波浪谱。无人搜救艇以4.0 kn的航速航行。

为分析无人搜救艇在6级海况下的艇体运动响应特征和安全性能，首先需要快速的评估分析其在各种浪向下的运动特性。选用经典的有航速艇体运动响应预报的频域切片方法，考虑90°、120°、150°和180°等4种浪向，快速预报4 kn航速艇体的运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）、给定海况下的艇体运动谱，获得六级海况下各波浪频率成分对应的艇体运动幅值和峰值频率。相应的计算工况参数见表3。

表3 无人搜救艇频域计算工况参数

但以上分析在线性频域内实现的，并没有考虑到高海况实际波面的完全非线性特征，还需要开展时域非线性波浪环境的波面模拟和艇体运动响应计算分析。

因此，结合无人搜救艇以迎浪航行时最为不安全的实际情况，确定时域计算工况的非线性波浪参数。具体为：浪向为180°迎浪，波浪遭遇频率选取纵摇垂荡运动谱峰值频率、纵摇固有频率和波长等于船长的波频3个极端频率点，作为时域计算工况。具体参数列表如下，其中纵摇垂荡运动谱峰值频率0.81 rad/s的计算工况Case-T3，其波长达140 m，对6.25 m长的无人搜救艇而言，迎浪航行时将处于非常平稳的随波运动状态，虽然运动幅值大，但是运动周期长而且远离纵摇垂荡固有周期，因此运动比较平缓安全，频域运动预报结果比较合力可靠。反而是Case-T1波长为6.25 m、Case-T2波长为16.9 m，接近或与船体尺度一致；频率也都是等于或接近纵摇垂荡固有频率的状态，因此存在显著的波浪船体相互作用，故最终确定这Case-T1&Case-T2为时域模拟工况。无人搜救艇时域计算工况参数见表4。

表4 无人搜救艇时域计算工况参数

5 波浪中运动响应分析

基于刚性船体假定，应用频域势流理论的切片法确定船体水动力系数和波浪载荷，建立波浪中船体6自由度运动方程。频域势流分析基于切片法理论，切片法的基本思想是在船长方向划分出一系列横向切片，忽略切片之间的纵向相互干扰，即将三维船体的水动力振荡问题简化为横向平面的二维流场水动力问题，最后沿船长方向积分即可获得全船的水动力系数波浪载荷。但该艇需在高海况下的海洋波浪环境下作业，会存在波面破碎、翻卷等强非线性特征，船体在此种环境航行时，又会引发瞬态抨击、甲板上浪、首尾出入水等强非线性的波浪和船体相互作用问题，对此传统的势流方法无能为力。光滑粒子水动力学（Smooth Particle Hydrodynamics，SPH）方法在数值模拟强非线性水动力学问题的显著优势，本船体用该法开展数值水池造波、波浪和船体相互作用直接数值模拟[4]。

5.1 波浪中运动的频域势流计算分析

该艇体沿船长方向在水线下划分出40个横向切片。计算条件设置时，考虑无人搜救艇航速为4 kn；浪向角为从90°、120°、150°到180°；6级海况的波谱选为JONSWAP波浪谱，对应有义波高为6.0 m、谱峰周期为9.993 s；艇体横摇惯性半径为船宽的40%，纵摇和首摇惯性半径为船长的25%，见表5。

表5 各频域计算工况的结果统计表

由表5可知，横浪时横摇角有义值最大，为40.57°；迎浪时纵摇有义值最大，为7.61°；各种浪向下垂荡有义值基本一致；90°横浪向艇体运动幅值最大，是对安全性能最不利的情况，而180°迎浪艇体运动幅值最小，是对安全性能最有利的情况。

5.2 波浪中运动的时域计算分析

该艇体航速为4 kn，浪向角为180°迎浪，采用基于SPH方法的数值水池技术，水池左侧为推板造波机，可根据需求生成对应波频、波高的波浪；两个计算工况波浪参数分别为：Case-T1工况遭遇波周期1.2 s、波高0.62 m，Case-T2工况遭遇波周期2.41 s、波高1.69 m。应用SPH方法模拟波面、艇体时域运动响应，计算分析2个工况艇体运动响应。艇体时域运动响应，计算结果见表6。图4为Case-T1波浪和艇体典型时刻形态，图5为Case-T2波浪和艇体典型时刻形态图[5]。

图4 Case-T1 波浪和艇体典型时刻形态

图5 Case-T2 波浪和艇体典型时刻形态

表6 波浪中无人搜救艇时域运动响应计算结果

由图4、图5以及表6结果可知，各计算工况的波陡取为1/10，远超自然波浪的波陡范围，波面很快发生翻卷和破碎，波高衰减较快，因此艇体附近的实际波高已经明显小于理论波高，导致船体实际运动幅值较理论波高下的运动幅值明显减小。对比2种遭遇波频的计算结果，可知Case-T2频率较低时波长较长，波形较稳定，艇体产生了明显较大的纵摇和垂荡运动幅值。在6级海况下艇体处于不利波频时，保证艇体处于迎浪状态时，航行较为安全。