周博文 李善成 趙慶新

（海軍潛艇學院，山東 青島 266071）

0 引言

進行打撈和援潛任務時往往要進行救撈作業(yè)場布場。為了獲得比較穩(wěn)定的作業(yè)場，通常采用四錨定位，甚至在復雜海況下采取六錨或八錨定位。目前，對海洋平臺的運動響應和艦船單點系泊運動響應的研究較多[1-2]，但是對艦船多點系泊運動響應的研究較少[3-4]，尤其在探索布場參數(shù)變化對救撈作業(yè)場的影響方面研究較少，因此該文對布場參數(shù)對救撈作業(yè)場的影響進行了研究，對提高救撈作業(yè)場的穩(wěn)定性具有一定參考價值。該文以常見的四錨布設作業(yè)場為例，利用AQWA 軟件對其進行了錨泊分析，探索了錨泊參數(shù)對救撈作業(yè)場的影響，可為救撈作業(yè)場布設方案的分析和設計提供一定的參考依據(jù)。

1 研究對象及研究內容

1.1 研究對象

該文以救撈船布設的救撈作業(yè)場為研究對象，救撈船的主尺度見表1，該文根據(jù)母船船型為該船建立了用于仿真計算的幾何網(wǎng)格模型圖。

表1 救撈船主尺度

1.2 作業(yè)場基本參數(shù)

該文在分析中選用的坐標情況如下：船首處為坐標原點，船長方向為X軸，船艏為正；船寬方向為Y軸，右舷為正；型深方向為Z軸，向上為正。錨泊角規(guī)定和纜繩編號如圖1 所示。船艏處以錨鏈與船艏正方向的夾角為錨泊角Ψ，船尾處以錨鏈與船艏負方向夾角為錨泊角Ψ。船左、右舷錨泊纜對稱布置。

圖1 錨泊角設置示意圖

1.3 錨鏈參數(shù)

艦船的系泊纜為單一成分纜，選用的材質為76mm 直徑的鋼芯鋼纜，相關參數(shù)見表2。

在軟件中，通過輸入導纜孔的位置、錨泊點的位置以及纜繩的長度，可建立纜繩的懸鏈線方程，從而給出纜繩預張力。

1.4 浪向角及環(huán)境參數(shù)

救撈作業(yè)場在海上的運動響應的形式取決于艦船艏向與風浪流之間的夾角，簡稱浪向角。該文規(guī)定當風浪流與船艏方向一致時浪向角為0°，當風浪流與船艏方向相反時浪向角為180°。由于船舶結構是左右對稱的，該文僅考慮風浪流的同向作用，因此僅考慮浪向角0°~180°即可。

環(huán)境參數(shù)選擇四級海況，風浪流等環(huán)境參數(shù)見表3，波浪環(huán)境不規(guī)則波采用JONSWAP 譜，風環(huán)境采用NPD 風譜。

表3 海洋環(huán)境參數(shù)

2 頻域計算結果及驗證

不規(guī)則的海浪可以簡化為無數(shù)個頻率、方向和波幅不同的規(guī)則波疊加[5]，因此對艦船的靜水力結果和規(guī)則波中的頻域進行了計算，通過頻域分析可以得到模型在不同頻率規(guī)則波下的運動響應幅值算子，為后續(xù)時域錨泊計算做鋪墊[1]。

2.1 靜水力參數(shù)

該文對作業(yè)場進行了靜水力計算，計算結果見表4。計算排水量與實際艦船排水量誤差結果為2%，表明靜水力計算結果比較準確。

表4 靜水力計算結果

2.2 響應幅值算子

搖蕩響應幅值算子即單位規(guī)則波下艦船的運動幅值。AQWA 軟件對艦船的橫搖、艏搖、縱搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩6 個自由度下隨不同頻率規(guī)則波的搖蕩幅值算子定義如公式（1）所示[6]。

式中：Yyζ（ω）為艦船的響應幅值算子；ζA為波幅；YA（ω）為艦船的運動幅值。

救撈作業(yè)場在橫向載荷下（90°浪向角）的橫搖響應最嚴重，作業(yè)場在波浪作用下發(fā)生較大幅度或較高頻的橫搖運動，可能會加大船舶傾斜度和系泊纜繩受力，勢必會對作業(yè)場的作業(yè)效率和系泊安全造成不利影響，因此需要重點關注。作業(yè)場橫搖幅值響應幅值如圖2 所示。通過計算浪向角下艦船橫搖響應幅值算子隨周期變化可以得出艦船橫搖運動響應最大為3.56324°/m，對應的浪向角為90°，對應的周期為13.84s，與作業(yè)場實際周期誤差在0.7%，進一步驗證了計算的準確性。

圖2 橫搖角隨錨泊角變化

3 時域計算結果

取錨泊角為45°下，分別計算船舶在不同浪向角下作業(yè)場運動響應最大值和錨纜張力最大值，見表5 和表6。

表5 作業(yè)場運動響應最大值計算結果

表6 錨纜張力最大值計算結果

從表5 和表6 可以看出，船體的橫搖、艏搖、橫蕩運動在浪向角為90°時達到最大值，這是由于作業(yè)場橫向載荷的受力面積最大，導致了在橫向浪向下其運動響應最明顯。4 個纜繩受力中3 號和4 號纜繩受力較大，1 號和2 號纜繩受力較小。可以分析出風浪流在船體橫向作用下，使船體的橫蕩、橫搖和艏搖運動最劇烈，艦船布設作業(yè)場時需要重點考慮這點。因此艦船進行作業(yè)場的布置時，可以采用船體縱向對浪的形式，降低船體的橫蕩、橫搖和艏搖對作業(yè)場的影響，降低纜繩最大受力，從而提升作業(yè)場的穩(wěn)定性。

4 布場參數(shù)的影響

從上文可知，救撈作業(yè)場受橫向載荷時的運動響應最嚴重。為了分析錨泊布置參數(shù)對作業(yè)場穩(wěn)定性的影響，該文著重分析了不同浪向角時布場參數(shù)變化對作業(yè)場的橫搖與橫蕩的影響。

4.1 錨泊角變化的影響

該文針對錨泊角的變化對作業(yè)場錨泊的影響，分別計算了錨泊角為15°、30°、45°、60°和75°下救撈作業(yè)場的橫搖及橫蕩，結果如圖2、圖3 所示。

圖3 橫蕩隨錨泊角變化

從圖3 可以看出，隨著錨泊角的增大，作業(yè)場的橫蕩明顯減緩；從圖2 可以看出，作業(yè)場的橫搖幅度也略有下降，但下降不大。經(jīng)過對比可知，在正橫浪的情況下，錨泊角越大越好?？紤]海上風浪流方向的不確定性并且作業(yè)場的橫蕩、橫搖和艏搖是主要的運動響應，為了減緩作業(yè)場的橫蕩、艏搖和橫搖，四錨定位的錨泊作業(yè)場盡量選取較大的錨泊角，大致70°左右為佳。

4.2 錨泊預張力變化的影響

初始纜繩預張力表征了纜繩的收緊或松弛狀態(tài)，如果纜繩收緊，纜繩的預張力就大，反之預張力就小。為了研究纜繩收緊產(chǎn)生的預張力的影響，該文保持錨泊半徑為700m，錨泊角為45°不變，分析在四級海況下，初始預張力為10kN、20kN、30kN、40kN 和50kN 時的作業(yè)場的橫搖、橫蕩，結果如圖4、圖5 所示。

圖4 橫搖角隨預張力的變化

圖5 橫蕩隨預張力的變化

從圖4、圖5 可以看出，隨著纜繩的收緊，錨泊纜預張力增大，作業(yè)場的橫搖、橫蕩都有所減緩，其中橫蕩減緩最明顯，但減緩的趨勢隨著預張力的增大逐漸變緩。因此，纜繩初始預張力越大，提高救撈作業(yè)場的穩(wěn)定性效果越好。但是初始預張力增大會導致纜繩的最大受力增加，容易使纜繩斷裂，可見通過增大預張力來增加救撈作業(yè)場的穩(wěn)定性存在邊際效應。因此纜繩的預張力應控制在一定范圍。

4.3 錨泊半徑變化的影響

保持錨泊預張力不變，如果錨泊半徑越大，錨纜長度越長，反之則越短。為了研究錨泊半徑對預張力的影響，保持錨泊角45°不變，分析在四級海況下，錨泊半徑分別為300m、400m、500m、600m、700m、800m、900m、1000m 和1100m時作業(yè)場的橫搖、橫蕩。結果如圖6、圖7 所示。

圖6 橫搖角隨錨泊半徑的變化

圖7 橫搖角隨錨泊半徑的變化

從圖6、圖7 可以看出，隨著錨泊半徑的增大，船體的橫蕩呈逐漸增大的趨勢，但橫搖呈逐漸減緩的趨勢。

從趨勢上來看，橫蕩增大趨勢放緩，橫搖角變小趨勢也放緩。當錨泊半徑足夠大時，增大錨泊半徑對降低橫搖效果不太明顯。因此增大錨泊半徑在一定程度上可以減緩作業(yè)場的橫搖，但是錨泊半徑增大不利于作業(yè)場的橫蕩。針對不同作業(yè)情況，需要對錨泊半徑進行合理的設置。如果利用船舶起重機或絞盤進行起重作業(yè)，應注重減緩船舶的橫搖；如果進行援潛等水下作業(yè)，應注重減緩船舶的橫蕩。

5 結論

該文基于AQWA 軟件對某救撈船作業(yè)場錨泊進行了分析，在風浪流的耦合作用下進行了頻域和時域分析，著重討論了錨泊布場設置對艦船作業(yè)場的影響，得到如下結論：1）采用縱向對浪可以減緩作業(yè)場的搖蕩。2）錨泊角及纜繩預張力的增加在一定范圍內可以顯著增強錨泊作業(yè)場的穩(wěn)定性。3）增加錨泊半徑在一定程度上可以減緩作業(yè)場的橫搖，但是對作業(yè)場的橫蕩不利。