全回轉(zhuǎn)起重船作業(yè)過程穩(wěn)性仿真

張明霞，夏益美，林 焰，肖進(jìn)軍

（1.大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心，遼寧 大連116024；2.煙臺打撈局，山東 煙臺264000）

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展，大型海上工程如跨海大橋的建設(shè)方興未艾，海洋油氣開發(fā)項(xiàng)目也持續(xù)不斷，除了海上設(shè)備安裝之外，平臺拆除也提上議事日程。我國有近百座海上建筑物已列入拆除計(jì)劃。海上工程的施工，都需要起重船。起重船作業(yè)過程是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，成本極高，作業(yè)環(huán)境又非常復(fù)雜：在極短時(shí)間內(nèi)起吊數(shù)千噸重物，即在短時(shí)間內(nèi)船舶排水量急劇增加數(shù)千噸之多；按規(guī)范，吊重的重心要算在吊鉤以上的滑輪心軸上，該點(diǎn)距水面數(shù)十米，甚至上百米，使全船的重心一下提高很多；起吊重物的重量與吊幅的乘積產(chǎn)生巨大的傾斜力矩，船舶浮態(tài)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化，靜傾角可能達(dá)到7°～8°［1］。

目前，起重船在實(shí)際作業(yè)過程中，往往是根據(jù)操作手冊或者依據(jù)操作者經(jīng)驗(yàn)。在操作手冊中，通常只能選取典型的幾種裝載狀態(tài)，進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算校核。不僅工作量大，也不能夠全面地顯示實(shí)際作業(yè)過程中起重船的性能特點(diǎn)。這給整個(gè)作業(yè)過程留下了安全隱患。以1 700t全回轉(zhuǎn)起重船為背景，將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)引入作業(yè)過程，在實(shí)際施工之前用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬施工，就能提早發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的一些不確定因素，以便采取相應(yīng)的措施，提高作業(yè)過程的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及安全性。

1 仿真實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)今用于可視化仿真的工具軟件很多，但是多數(shù)只能夠離線制作動畫進(jìn)行仿真。為了達(dá)到穩(wěn)性仿真的實(shí)時(shí)性，則必須從底層開發(fā)三維視景系統(tǒng)。

OpenGL是美國從事高級圖形和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)的SGI公司開發(fā)，可獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的三維圖形庫。目前它已成為開放式的國際圖形標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算可視化、模擬仿真等諸多領(lǐng)域。

1.1 起重船幾何建模

要使可視化系統(tǒng)直觀、準(zhǔn)確、生動，起重船幾何物理模型的建立是至關(guān)重要的。

OpenGL沒有提供高級命令函數(shù)來定義復(fù)雜的三維形體，只提供了基本的點(diǎn)、線和多邊形方式構(gòu)造3D模型。這就要利用一些優(yōu)秀的商業(yè)建模軟件建模，在OpenGL中加以采用并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

為此，采用分層建立模型的方法［2］。以建立起重機(jī)的模型為例，起重機(jī)吊臂的運(yùn)動有俯仰運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等?？砂哑鹬貦C(jī)進(jìn)行分層建立模型。在3dsMAX中，把具有相同運(yùn)動的物體組合成object如：起重機(jī)座，起重機(jī)壓載箱等。在導(dǎo)出3ds文件時(shí)先后選中每個(gè)object，選擇Export Selected命令，分別導(dǎo)出每個(gè)object。按實(shí)物尺寸，以1∶1的比例，靈活運(yùn)用3dsMAX的編輯方法，得到起重船幾何建模。

1.2 起重船幾何模型的讀取

在OpenGL中建立自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲模型數(shù)據(jù)；從3ds文件中讀取數(shù)據(jù)將其存儲到OpenGL程序中；建立OpenGL繪制模型的顯示序列。

1.3 OpenGL中起重船模型的重現(xiàn)

首先設(shè)置像素格式，接著進(jìn)行投影變換和視口變換，然后進(jìn)行燈光、材質(zhì)、顏色等的設(shè)定，最后自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)模型重繪。

由于讀取和再現(xiàn)程序簡單，這里不再列出。

2 起重船作業(yè)過程的穩(wěn)性計(jì)算

2.1 坐標(biāo)系定義

采用兩個(gè)左手直角坐標(biāo)系研究船體的空間位置：與靜止海面相固定的固定坐標(biāo)Oξηζ；與船體相連的船體坐標(biāo)系OXYZ。船體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O選在船的基平面、中橫剖面和中縱剖面的交點(diǎn)上，規(guī)定X軸指向船首為正，Y軸指向右舷為正，Z軸向上為正，見圖1［3］。

圖1 坐標(biāo)系

針對起重船的特殊性，增加一個(gè)局部左手直角坐標(biāo)系：與船體相連的起重機(jī)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′。起重機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O′選在起重機(jī)基座上表面、起重機(jī)的重心面和船的中縱剖面的交點(diǎn)上，規(guī)定X′軸指向船首為正，Y′軸指向右舷為正，Z′軸向上為正，見圖1。

2.2 船舶浮態(tài)數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算起重船的完整穩(wěn)性時(shí)，由于只考慮垂直力的作用，只要一個(gè)線坐標(biāo)和兩個(gè)角坐標(biāo)參數(shù)就可以確定船舶的位置。選擇符拉索夫參數(shù)為浮態(tài)參數(shù)，包括平均吃水Tm、橫傾角θ和縱傾角φ。其中平均吃水是在船體坐標(biāo)系Z軸上自坐標(biāo)原點(diǎn)O到水線面的距離，基準(zhǔn)面以上為正；θ是在船體中橫剖面上量取的，向右舷橫傾為正；φ是在船體中縱剖面上量取的，首傾為正［3］。

為了描述起重機(jī)的具體狀態(tài)，增加了兩個(gè)起重臂的參數(shù)，包括起重臂的俯仰角α，起重臂的旋轉(zhuǎn)角β，見圖2（O′C為起重機(jī)吊臂）。

圖2 起重臂參數(shù)示意圖

由空船重量m1（包括燃油、物品等）、起重機(jī)和吊重重量m2、壓載水重量mj（j號艙）及船體幾何外形等信息建立船舶浮態(tài)方程組，通過求解浮態(tài)方程組求得浮態(tài)參數(shù)：

式中：m——船舶總重量；

xc、yc——船舶重心坐標(biāo)；

x2、y2——起重機(jī)和吊重的重心坐標(biāo)；

w——吊重。

2.3 起重船作業(yè)過程的穩(wěn)性計(jì)算

利用已知的船型數(shù)據(jù)、各壓載水艙室的數(shù)據(jù)和起重機(jī)數(shù)據(jù)文件，在作業(yè)范圍內(nèi)調(diào)整起重臂俯仰角、旋轉(zhuǎn)角，求出當(dāng)前的實(shí)際載況，進(jìn)而計(jì)算浮態(tài)、穩(wěn)性等參數(shù)，完成完整穩(wěn)性的計(jì)算［3］。系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 全回轉(zhuǎn)起重船作業(yè)穩(wěn)性計(jì)算流程圖

3 作業(yè)過程的運(yùn)動仿真

3.1 軟件開發(fā)

仿真系統(tǒng)是在Windows2000平臺下用Visual C++6.0開發(fā)完成的。利用3dsMAX獲得3D模型，在VC6.0環(huán)境下調(diào)用OpenGL函數(shù)，讀入模型，并對起重船在虛擬環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)時(shí)的交互仿真。系統(tǒng)由輸入輸出接口模塊、完整穩(wěn)性計(jì)算模塊和仿真功能模塊組成［4］。

系統(tǒng)的輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；仿真系統(tǒng)的主要部分包括完整穩(wěn)性計(jì)算模塊和功能模塊。功能模塊主要包括：根據(jù)起重臂狀態(tài)實(shí)現(xiàn)吊裝任務(wù)的運(yùn)動模擬，根據(jù)完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)船舶的姿態(tài)模擬（首尾吃水，左右舷吃水等），同時(shí)顯示船舶的穩(wěn)性曲線。

3.2 仿真結(jié)果及分析

以1 700t全回轉(zhuǎn)起重船為例，起重船的主尺度見表1，起重機(jī)性能參數(shù)見表2。

表1 主尺度

表2 起重機(jī)性能參數(shù)

3.3.1 仿真結(jié)果

起重船載況主要分為三類［5］：拖航狀態(tài)，作業(yè)狀態(tài)，避風(fēng)狀態(tài)。起重船作業(yè)狀態(tài)又分為：全回轉(zhuǎn)作業(yè)和180o回轉(zhuǎn)作業(yè)。起重船180o回轉(zhuǎn)作業(yè)是指起重機(jī)荷重達(dá)到一定重量后，由于船舶安全限制，無法完成全回轉(zhuǎn)作業(yè)，只能在船舶一舷作業(yè)。

該起重船最大起重能力1 700t，半回轉(zhuǎn)作業(yè)，作業(yè)半徑范圍31～36m，如表3中的載況一、二；據(jù)船東反映該起重船經(jīng)常在吊重560t，作業(yè)半徑63m時(shí)作業(yè)，如表3中的載況三；該起重船最大作業(yè)半徑80m，如表3中的載況四［6］。因此考慮四種典型作業(yè)載況，見表3作業(yè)工況參數(shù)。分別對這四種載況進(jìn)行作業(yè)穩(wěn)性實(shí)時(shí)仿真。

表3 作業(yè)工況參數(shù)

作業(yè)后船舶部分參數(shù)值見表4，穩(wěn)性結(jié)果見圖4～7。

表4 作業(yè)后船舶部分參數(shù)值＊

圖4 作業(yè)過程各船舶橫傾角變化

圖5 作業(yè)過程中吊重傾側(cè)力矩變化

圖6 作業(yè)過程中規(guī)范要求初穩(wěn)性高GM′變化

圖7 作業(yè)過程中船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)K變化

3.3.2 結(jié)果分析

起重工程船作業(yè)時(shí)主要性能要求滿足文獻(xiàn)［5］相關(guān)規(guī)定。

1）橫傾角的變化規(guī)律如圖4所示，吊重傾側(cè)力臂如圖5所示。在作業(yè)過程中，隨著起重臂旋轉(zhuǎn)，吊重的傾側(cè)力臂和船體浮態(tài)逐漸發(fā)生變化。在吊臂旋轉(zhuǎn)到一側(cè)與船體中心線垂直的位置時(shí)，船體的橫傾角達(dá)到最大，如果吊重過大或作業(yè)半徑過長，均會導(dǎo)致船體浮態(tài)超出安全浮態(tài)范圍（規(guī)范要求一般橫傾角＜5°，縱傾角＜2°）［5］。

對于全回轉(zhuǎn)起重船，根據(jù)起重機(jī)使用要求（橫傾角＜2°）［5］，因此吊重一旦超過一定范圍，船舶浮態(tài)很容易就超出規(guī)范要求，為了安全作業(yè)就必須事先進(jìn)行反向預(yù)壓載，以保證作業(yè)過程船舶橫傾角限制在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，此時(shí)起重船就不能全回轉(zhuǎn)，只能實(shí)現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)。

2）規(guī)范要求的初穩(wěn)性高GM需要滿足文獻(xiàn)［5］規(guī)定。GM′的變化規(guī)律如圖6所示，和表4中作業(yè)后船舶初穩(wěn)性GM相比，起重臂旋轉(zhuǎn)過程中，船舶初穩(wěn)性高均富裕，可以較容易滿足規(guī)范要求。

3）穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K的變化規(guī)律如圖7所示，在起重臂旋轉(zhuǎn)到與船體中心線垂直的位置（即吊臂呈90°）時(shí)最小，而180°時(shí)達(dá)到最大。一般情況下都可以滿足規(guī)范要求。就作業(yè)狀態(tài)而言，180°回轉(zhuǎn)作業(yè)（載況一，二），穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)較小，其變化范圍也較小，是起重船作業(yè)穩(wěn)性較差的工況。

4）根據(jù)表4中部分計(jì)算結(jié)果，作業(yè)過程中，即在起重臂旋轉(zhuǎn)到與船體任意位置時(shí)，滿足規(guī)范中拖航要求。

從上面分析看出，起重船的吊臂旋轉(zhuǎn)到90°或與船體垂直時(shí)，是危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)船舶的初穩(wěn)性高、橫傾角、穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)等均為最小，而吊臂旋轉(zhuǎn)到180°時(shí)或與船體平行時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最大。各項(xiàng)指標(biāo)隨著吊臂的旋轉(zhuǎn)而呈周期變化規(guī)律。因此在作業(yè)前，必須先根據(jù)吊重、作業(yè)半徑對船舶進(jìn)行預(yù)配載，以求作業(yè)過程不致橫傾角因過大而導(dǎo)致危險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

起重船作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)條件是事先無法預(yù)料的，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行起吊，因此吊重有時(shí)比較重，有時(shí)比較輕，作業(yè)半徑也隨著實(shí)際作業(yè)需求而發(fā)生變化。因此對起重作業(yè)船來說，面臨的最主要的問題就是在接到工程任務(wù)后，能夠快速地進(jìn)行作業(yè)前預(yù)配載，保證船舶作業(yè)過程安全可靠，同時(shí)作業(yè)過程可以實(shí)時(shí)監(jiān)測，以提高起重工程船的作業(yè)效率與作業(yè)安全可靠性。

通過對全回轉(zhuǎn)起重船作業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)性仿真，對四種典型載況分別進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明吊重越大、作業(yè)半徑越大，其作業(yè)危險(xiǎn)性增大的結(jié)論。此方法可以作為起重船作業(yè)安全性預(yù)報(bào)，為安全作業(yè)提供理論依據(jù)；可以根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行多次反復(fù)預(yù)配載調(diào)試，直到浮態(tài)與穩(wěn)性等各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求為止；同時(shí)本文工作也為起重船作業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供技術(shù)支持，可以隨時(shí)監(jiān)測作業(yè)過程船舶浮態(tài)與穩(wěn)性變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，從而提高作業(yè)的安全系數(shù)，最終提高起重工程船的經(jīng)濟(jì)效益。

另外，作業(yè)時(shí)波浪也會對船舶的浮態(tài)與穩(wěn)性造成一定影響，應(yīng)該對其進(jìn)行分析。這樣計(jì)算仿真結(jié)果才更加可靠，更加接近實(shí)際海況。本文對波浪影響尚未考慮進(jìn)去，這也是下一步繼續(xù)研究的工作內(nèi)容。

［1］張志明，徐丹錚，張 超，等.大型起重船船型開發(fā)的若干技術(shù)問題初探［J］.船舶，2005，2（1）：10-15.

［2］Mohammed F.Daqaq.Virtual Reality Simulation of Ships and Ship-Mounted Cranes［D］.Virginia：The Virginia Polytechnic Institute and State University，2003：5-32.

［3］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000：33-167.

［4］錢 能.C++程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［5］中國船級社.國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［S］.北京：人民交通出版社，2004：171-174.