駱寒冰， 盛世民， 白曉東， 羅 曉

(天津大學(xué) 船舶與海洋工程系， 天津 300350)

0 引 言

起重船在海上吊裝海洋平臺上部組塊施工作業(yè)時，在風(fēng)、浪、流作用下，系泊-船體-吊物系統(tǒng)耦合運動特性復(fù)雜。鑒于海上施工成本高昂，準(zhǔn)確預(yù)報吊物的運動響應(yīng)、判斷能否正常施工，可有效減少待命時間，提高作業(yè)效率和經(jīng)濟效益，并有助于避免危險事故的發(fā)生。開展系泊狀態(tài)下起重船吊裝組塊耦合運動響應(yīng)特性研究、探究起重船可作業(yè)的海洋環(huán)境條件，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

董艷秋等[1]采用數(shù)值模擬方法研究波浪中起重船-吊物非線性運動特性，分析吊物運動和吊索張力的變化。李躍等[2]針對躉船-吊物系統(tǒng)，應(yīng)用多體動力學(xué)理論，分析吊物運動軌跡。王學(xué)林等[3]建立錨泊起重船動力學(xué)模型，分析規(guī)則波下船體的簡諧運動及吊物的運動特性。顧永寧等[4]應(yīng)用SESAM軟件預(yù)報波浪下藍(lán)疆號起重船-吊物系統(tǒng)運動響應(yīng)，研究吊索附加動力載荷。汪娟娟等[5]通過MOSES軟件對系泊起重船-吊物系統(tǒng)的運動進行模擬，分析吊物和船體的運動規(guī)律。HAM等[6]針對起重船-吊物系統(tǒng)，利用多體動力學(xué)理論，采用離散歐拉-拉格朗日方法，開展數(shù)值模擬研究。為有效驗證數(shù)值模擬結(jié)果，指導(dǎo)實際施工，駱寒冰等[7]和朱紹華等[8]對系泊藍(lán)鯨號起重船-吊物的耦合運動響應(yīng)進行數(shù)值模擬和模型試驗對比，分析起重船與吊物的耦合運動規(guī)律，討論吊物參數(shù)變化對系統(tǒng)耦合運動的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對起重船及吊物的運動響應(yīng)開展的數(shù)值模擬較多，但物理模型試驗研究較少。針對我國特定海域下典型起重船與吊物的耦合運動響應(yīng)研究較少，對于起重船在我國海域作業(yè)的可行性及適用范圍缺乏深入了解，難以有效指導(dǎo)起重船實際吊裝作業(yè)。本文針對藍(lán)疆號起重船在東海某海域?qū)嶋H施工情況，探究藍(lán)疆號在作業(yè)工況下的運動特性，通過模型試驗和數(shù)值模擬的方法，對系泊起重船-吊物系統(tǒng)耦合運動特性開展研究。結(jié)合我國東海海況特點，依據(jù)起重船作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范，考慮到實際作業(yè)通常選擇頂浪海況，對藍(lán)疆號在頂浪下吊裝作業(yè)的適用性進行分析，對指導(dǎo)藍(lán)疆號起重船吊裝安全施工具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬方法和水池模型試驗

1.1 數(shù)值模擬方法

根據(jù)三維勢流理論求解系泊起重船-吊物系統(tǒng)的頻域運動特性，建立時域運動方程為

(1)

數(shù)值模擬應(yīng)用MOSES[9]水動力軟件，其中二階波浪力分析采用Newman近似法[10]。系泊起重船-吊物系統(tǒng)的模型如圖1所示。系泊系統(tǒng)布置如圖2所示，圖2中P1～P4為左舷系泊纜，S1～S4為右舷系泊纜。

圖1 起重船-吊物系統(tǒng)數(shù)值模型

圖2 系泊系統(tǒng)布置數(shù)值模型

1.2 水池模型試驗

試驗在天津大學(xué)港口與海洋工程水池進行，水池長寬深尺寸為55.0 m×24.0 m×1.8 m?？s尺比為1∶60，試驗水深為1.33 m，對應(yīng)原型水深為80 m。起重船和上部組塊參數(shù)如表1所示。模型試驗現(xiàn)場如圖3所示。

表1 起重船和上部組塊主要參數(shù)

利用NDI公司的OPTOTRAK Certus非接觸式光學(xué)系統(tǒng)測量船體和組塊兩個剛體的運動響應(yīng)，最高精度為0.1 mm。采用微型拉力傳感器測量8根纜繩的受力，傳感器安裝于纜繩與導(dǎo)纜孔間，量程為2 kg，精度為2 g。

圖3 藍(lán)疆號船模試驗現(xiàn)場

通過靜水衰減試驗得到系泊船舶典型自由度運動的固有周期，如表2所示。換算成實船結(jié)果的數(shù)值模擬與模型試驗系泊系統(tǒng)縱向剛度位移曲線如圖4所示。

表2 船體和組塊固有周期

圖4 剛度位移曲線

2 典型工況結(jié)果對比

對比不規(guī)則波下系泊船體和組塊運動數(shù)值與試驗結(jié)果。不規(guī)則波選取JONSWAP波浪譜，有義波高Hs為1.5 m，譜峰系數(shù)為1.0，譜峰周期Tp分別取8.5 s和11.5 s兩個頂浪波浪工況。選取3 000 t吊物組塊，組塊重心距離水面高度為25 m。

統(tǒng)計船體和組塊縱向運動的三一峰峰值，對比結(jié)果如圖5和圖6所示，兩者吻合較好。船體縱搖和垂蕩運動隨譜峰周期的變大呈現(xiàn)增加的趨勢，而船體縱蕩隨譜峰周期變大呈現(xiàn)減少趨勢；縱蕩在Tp=8.5 s時及縱搖在Tp=11.5 s時相差略大，約30%，其余結(jié)果誤差在20%以內(nèi)。組塊縱蕩和垂蕩運動隨譜峰周期的變大呈現(xiàn)增加的趨勢，相差在15%以內(nèi)。

圖5 船體運動試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖6 組塊運動試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

選取譜峰周期為11.5 s的典型工況，對運動時域結(jié)果進行頻譜分析，如圖7和圖8所示。組塊縱蕩運動頻譜中有2個運動頻率峰現(xiàn)象，其中：主要成分是高頻的，峰值頻率在0.087 Hz左右，這是波浪譜峰頻率，表明此時組塊縱蕩運動主要是由Tp=11.5 s的不規(guī)則波浪激勵引起的；另外一個成分是低頻的，峰值在0.012 Hz附近，查表2可知，這是系泊船體縱蕩運動固有周期的頻率，也就是由船體縱蕩二階運動引起的。與高頻成分相比，低頻成分對運動的影響較小。組塊垂蕩運動只有1個頻率峰，其頻率主要集中在波浪頻率0.087 Hz附近，也就是說垂蕩運動主要是由不規(guī)則波浪激勵引起的。圖7和圖8表明，數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果在譜峰周期、譜峰數(shù)值及其總體分布方面吻合較好。

圖7 組塊縱蕩和垂蕩典型試驗結(jié)果

圖8 組塊縱蕩和垂蕩典型數(shù)值模擬結(jié)果

3 起重船-吊物系統(tǒng)運動響應(yīng)敏感性分析

采用數(shù)值模擬方法對起重船吊物系統(tǒng)耦合運動響應(yīng)進行敏感性分析。取3種重量的吊物組塊，考慮到藍(lán)疆號起重船最大起重重量為3 800 t，取最大重量為3 000 t；3個不同吊高，其中，25 m為走船高度，35 m為從駁船起吊高度，45 m為套井口高度；結(jié)合東海波浪環(huán)境條件，不規(guī)則波譜峰周期選10個，有義波高選7個，具體參數(shù)選擇如表3所示，共630組工況。不規(guī)則波數(shù)值模擬時間長度為3 h。統(tǒng)計起重船和組塊的縱向運動，由于吊裝施工時最關(guān)心吊物運動，主要討論組塊運動響應(yīng)結(jié)果。

表3 敏感性分析工況參數(shù)

分析發(fā)現(xiàn)不同吊重的組塊在相同吊高下的運動規(guī)律相似，選取3 000 t組塊在不同吊高下結(jié)果進行分析，組塊運動百一幅值隨波高和周期變化的統(tǒng)計結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 3 000 t組塊縱蕩運動敏感性分析

圖10 3 000 t組塊垂蕩運動敏感性分析

由圖9可知：當(dāng)不規(guī)則波譜峰周期Tp<12 s時，組塊縱蕩運動幅值相對較小，縱蕩隨波周期增大而顯著增大；當(dāng)Tp>12 s時，對于25 m和35 m吊高，隨周期增大組塊縱蕩變化不大，但是，吊高45 m時縱蕩隨周期增大仍然呈現(xiàn)顯著增大趨勢。對比不同吊高下的縱蕩運動，發(fā)現(xiàn)吊高越大組塊的縱蕩運動幅值越大。

組塊垂蕩運動隨譜峰周期呈現(xiàn)先增大后平緩變化的趨勢：當(dāng)Tp≤8 s時，垂蕩對周期變化較為敏感，垂蕩隨周期增大而顯著增大；當(dāng)Tp>8 s時，垂蕩對周期的變化不敏感，垂蕩隨周期增大變化不明顯。對比不同吊高下的垂蕩運動，發(fā)現(xiàn)組塊垂蕩運動幅值隨吊高增大變化不顯著，隨吊高增大而稍有增大。同時，對比不同波高下組塊縱蕩和垂蕩運動，發(fā)現(xiàn)組塊運動呈隨波高增大而線性增大的趨勢。

4 頂浪下藍(lán)疆號起重船吊裝適用性分析

基于第3節(jié)對藍(lán)疆號起重船-吊物系統(tǒng)運動響應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果，開展頂浪下的適用性分析。依據(jù)諾布丹頓浮式起重船操作指導(dǎo)性規(guī)范[11]，浮式起重船推薦可工作條件如下：組塊垂向運動最大位移幅值不超過±0.75 m，水平向運動最大位移幅值不超過±1.50 m。對1 000 t、3 000 t重量的組塊工作工況進行整理。

在組塊吊裝作業(yè)時，取縱蕩和垂蕩運動響應(yīng)的百一值幅值表示為其最大值，1 000 t、3 000 t組塊適用性分析結(jié)果分別如圖11和圖12所示，其中陰影部分表示該運動滿足諾布丹頓的要求。

圖11 藍(lán)疆號起重船起吊1 000 t組塊適用性結(jié)果

圖12 藍(lán)疆號起重船起吊3 000 t組塊適用性結(jié)果

通過上述分析，適用性結(jié)果如下：在譜峰周期在6 s以內(nèi)、有義波高小于2.00 m海況下，藍(lán)疆號起重船吊裝作業(yè)安全；當(dāng)譜峰周期在6～8 s時，可在有義波高小于0.75 m的海況下安全起吊組塊；當(dāng)譜峰周期在8～10 s時，可在有義波高小于0.50 m的海況下對組塊進行吊裝作業(yè)；當(dāng)譜峰周期大于10 s時，僅在譜峰周期為12～14 s的個別特殊海況和吊高下可對1 000 t組塊可作業(yè)，而對于3 000 t組塊則完全不可以作業(yè)，此時不推薦作業(yè)。

可見，起吊1 000 t和3 000 t組塊工況結(jié)果適用性類似，隨波浪譜峰周期的增大，藍(lán)疆號起重船頂浪下吊裝組塊的適用海況明顯減少，在施工作業(yè)時需特別重視長周期涌浪的影響。

5 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬和物理模型試驗方法，對比頂浪不規(guī)則波工況下藍(lán)疆號起重船吊物系統(tǒng)的耦合運動響應(yīng)特性，驗證數(shù)值模擬方法的可行性及其精度。通過大量數(shù)值模擬工作，討論起重船吊物運動對波高、周期、吊高和吊物重量變化的敏感性。

結(jié)合我國東海海況，根據(jù)浮式起重船作業(yè)規(guī)范，研究藍(lán)疆號起重船施工作業(yè)的可行性。藍(lán)疆號起重船頂浪吊裝時，波浪周期對作業(yè)影響非常明顯。當(dāng)波浪譜峰周期Tp≤6 s時，在有義波高Hs<2.00 m海況下，吊裝不同重量吊物作業(yè)安全；當(dāng)6 s10 s時，有義波高不大于0.50 m才能工作。波浪周期大于10 s時，不推薦作業(yè)。在吊裝作業(yè)時應(yīng)重視長周期涌浪的影響。研究成果可用于指導(dǎo)藍(lán)疆號起重船海上吊裝作業(yè)。