2 000 t起重船動(dòng)力定位能力分析

董勝利， 趙 標(biāo)

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 研發(fā)中心，上海200135）

0 引 言

動(dòng)力定位系統(tǒng)最基本的功能是通過(guò)控制船舶上各個(gè)推力器的轉(zhuǎn)速和方位角來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠定位，滿足船舶定位的需要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，需要通過(guò)定位能力分析來(lái)驗(yàn)證所安裝的推力器能否完成所需的功能，因此定位能力分析十分重要，無(wú)論是生產(chǎn)廠家、使用者還是第三方機(jī)構(gòu)如船級(jí)社等都非常關(guān)心這個(gè)問(wèn)題。定位能力分析不僅可作為動(dòng)力定位的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還能為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前一些主要的動(dòng)力定位生產(chǎn)和使用廠家都一致認(rèn)可動(dòng)力定位能力曲線（DP Capability Pl ots）是評(píng)價(jià)動(dòng)力定位能力的有效工具。

有關(guān)的國(guó)際組織對(duì)定位能力曲線的計(jì)算都制定了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方法，一些著名的動(dòng)力定位生產(chǎn)公司如Kongsber g等都自己開發(fā)了一整套包括定位能力計(jì)算和動(dòng)態(tài)模擬分析軟件。我國(guó)目前正處在動(dòng)力定位產(chǎn)品自主設(shè)計(jì)和研發(fā)階段，結(jié)合上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自主研發(fā)的SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)踐，參照國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（Inter national Marine Contractors Association，I MCA）建議的《動(dòng)力定位能力曲線說(shuō)明書》［1］，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)力定位能力分析軟件，并以2 000 t起重船為研究對(duì)象，對(duì)該船進(jìn)行了定位能力分析。

1 動(dòng)力定位能力曲線

1.1 計(jì)算要求

動(dòng)力定位能力曲線［2］是具有一系列封閉曲線的極坐標(biāo)圖，它通過(guò)極坐標(biāo)上1條0°～360°的封閉包絡(luò)曲線來(lái)表示船舶在指定推力系統(tǒng)參數(shù)及指定環(huán)境條件下的動(dòng)力定位能力。定位能力曲線上任意點(diǎn)的半徑坐標(biāo)表示某一方向上船舶保持定位所能承受的最大環(huán)境條件，一般采用最大風(fēng)速來(lái)衡量（也可采用流速），角度坐標(biāo)表示該環(huán)境條件的方向（相對(duì)于船舶風(fēng)吹來(lái)的方向）。環(huán)境條件包括風(fēng)、浪、流，在設(shè)置環(huán)境條件時(shí)，把流速作為恒定值，而風(fēng)速和波浪以相同概率逐漸增加?？紤]到風(fēng)、浪、流條件的復(fù)雜性，一般都假定環(huán)境載荷從同一方向作用。動(dòng)力定位能力曲線考慮的是水平方向環(huán)境載荷與推力器所產(chǎn)生推力的靜態(tài)平衡，滿足式（1）所示條件。

式（1）中：Txi、Tyi和Mzi分別為推力器在水平3個(gè)方向上產(chǎn)生的力和力矩；N為推力器數(shù)目；Fwx、Fwy和Mwz為風(fēng)力和力矩，F(xiàn)wvx、Fwvy和Mwvz為波浪漂移力和力矩；Fcx、Fcy和Mcz為流力和力矩。

環(huán)境載荷計(jì)算中只考慮平均部分，未考慮動(dòng)力影響，因此必須有足夠的推力冗余以保證在實(shí)際應(yīng)用中能抵抗外力作用。一般情況下選取20%作為推力冗余裕度，即計(jì)算中的最大推力為推力器實(shí)際最大推力的80%。

1.2 計(jì)算流程

定位能力曲線計(jì)算流程［3］見圖1，風(fēng)速?gòu)?開始循環(huán)計(jì)算，每次循環(huán)風(fēng)速增加一小量（如1 kn或1 m／s），分別計(jì)算風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷，疊加得到總環(huán)境載荷并施加給推力模型，直到總的環(huán)境載荷達(dá)到推力模型所能產(chǎn)生的最大推力，此時(shí)的風(fēng)速便是船體保持定位所能抵抗的最大風(fēng)速。選擇一定風(fēng)向間隔進(jìn)行計(jì)算，如風(fēng)向角每次增加10°，對(duì)各個(gè)風(fēng)向角都重復(fù)上述過(guò)程，直到得出0°～360°所有風(fēng)向角的最大風(fēng)速。最后便可根據(jù)各個(gè)角度上計(jì)算得到的最大風(fēng)速繪制出1條風(fēng)速包絡(luò)曲線，即所謂的動(dòng)力定位能力曲線。

由圖1可知，每個(gè)工況（case）計(jì)算應(yīng)該由以下參數(shù)來(lái)決定［4－5］：

（1）流速；

（2）風(fēng)速和有義波高以及平均周期之間的關(guān)系；

（3）需要考慮的推力冗余度；

（4）需要考慮的額外靜力和力矩（如由作業(yè)任務(wù)產(chǎn)生的力）；

（5）推力系統(tǒng)參數(shù)（推力器布置，型式和尺寸）；

（6）設(shè)定處于工作狀態(tài)的推力器。

在進(jìn)行定位能力分析計(jì)算之前，需要建立環(huán)境載荷作用和推力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。環(huán)境載荷數(shù)學(xué)模型主要包括風(fēng)壓系數(shù)、流壓系數(shù)和平均波浪力系數(shù)等參數(shù)。推力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型需要對(duì)兩方面建模，一方面是推力分配邏輯，另一方面是在各種因素影響下的推力器效率。

2 環(huán)境載荷計(jì)算

環(huán)境外載荷是推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)船舶所能抵抗的外載荷大小又是衡量推力系統(tǒng)能力的主要參數(shù)。準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)境外載荷是能夠設(shè)計(jì)出合理推力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，環(huán)境外載荷資料的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到設(shè)計(jì)的好壞甚至成敗。船舶在海上所遭遇的環(huán)境條件主要有風(fēng)、波浪和海流。

2.1 風(fēng)載荷模型

風(fēng)載荷模型如下：

式（2）中：vw為相對(duì)風(fēng)速；ρ為空氣密度；θ為相對(duì)風(fēng)向角；Ax、Ay分別為上層建筑正投影和側(cè)投影面積；L為垂線間長(zhǎng)；Cwx（θ）、Cwy（θ）和Cwz（θ）為風(fēng)壓系數(shù)。

2.2 流載荷模型

流載荷模型如下：

式（3）中：Vc為相對(duì)流速；ρ為水密度；θ為相對(duì)流向角；B為型寬，L為垂線間長(zhǎng)；Ccx（θ）、Cwy（θ）和 Ccz（θ）為流壓系數(shù)。

2.3 波浪漂移力模型

波浪漂移力是一種非線性力，它是二階差頻波浪力的低頻部分。規(guī)則波簡(jiǎn)單計(jì)算波浪二階力可以簡(jiǎn)單表示為

式（4）中：CfX，CfY，CfN為波浪漂移力系數(shù)；ζ為波幅；α為相對(duì)流向角。

3 2 000 t起重船特性參數(shù)

所研究的2 000 t起重船是振華重工（集團(tuán)）股份有限公司為伊朗IOEC承建的全回轉(zhuǎn)起重船。該船為無(wú)螺旋槳推進(jìn)的非自航淺吃水起重船，作業(yè)水深為200 m，艏艉各配置1套1 500 k W的全回轉(zhuǎn)Z型導(dǎo)管推力器與布置船中兩舷的同功率推力器形成DP1自動(dòng)定位功能，保證在一定海況下完成作業(yè)。

3.1 船舶特性參數(shù)

2 000 t起重船主要參數(shù)見表1。

表1 2 000 t起重船主要參數(shù)

3.2 推力系統(tǒng)參數(shù)

2 000 t起重船推力系統(tǒng)包括4個(gè)參數(shù)完全相同的全方位推力器，分別布置在艏艉和舯部左右兩舷。推力器功率為 ，其性能參數(shù)為：D＝2.3 m，T＝220.377 1 k N，T＝0 k N， T·＝40 k N／s，1 500 k WMaxMin＝0.209 rad／s。

3.2.1 推力器布置

由于該船設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮動(dòng)力定位功能，而是在船體已經(jīng)設(shè)計(jì)好的情況下增加了動(dòng)力定位功能，故造成4臺(tái)方位推力器為非對(duì)稱分布。以船舶旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖2所示的水平坐標(biāo)系，4個(gè)推力器的位置坐標(biāo)為：（X1，Y1）＝（54.96，2.85），（X2，Y2）＝（10.21，16），（X3，Y3）＝（4.21，－16），（X4，Y4）＝（－35.79，－3）。

3.2.2 推力器方位角禁區(qū)

推力系統(tǒng)的水動(dòng)力干擾是推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的基本問(wèn)題。在船體底部工作的推力器與船體和附近推力器都會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的相互干擾。目前尚沒有完善的理論方法來(lái)精確估算這些干擾，大多采用基于模型試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法。研究主要根據(jù)J.Dang［6］等總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)估算公式計(jì)算方位角禁區(qū)。2 000 t起重船推力器方位角禁區(qū)見表2。當(dāng)推力器故障或推力器不使用時(shí)，推力系統(tǒng)模型中不再考慮與其相關(guān)的禁區(qū)角。

表2 推力器方位角禁區(qū)

圖2 推力器布置坐標(biāo)圖

4 定位能力計(jì)算

4.1 動(dòng)力定位工作極限條件

2 000 t起重船動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在表3所示的作業(yè)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位功能。

表3 動(dòng)力定位工作極限條件

4.2 定位能力計(jì)算工況

定位能力曲線要考慮3種情況：所有推力器正常工作；其中1個(gè)推力器失效；其中2個(gè)推力器失效（最壞情況）。2 000 t起重船動(dòng)力定位能力分析計(jì)算工況定義見表4。

4.3 定位能力曲線

圖4～圖9給出了以風(fēng)向每10°為間隔算得的部分結(jié)果。通過(guò)讀取圖4～圖9中包絡(luò)曲線上各點(diǎn)的角度值和半徑值，可獲知船舶在該角度方向上所能抵抗的最大風(fēng)速。表5列出了各種計(jì)算工況下最不利風(fēng)向下的極限環(huán)境條件。

圖4所示為全部推力器都完好時(shí)的定位能力曲線，由圖4可知，2 000 t起重船大約能抵抗11.7 m／s的風(fēng)速，滿足設(shè)計(jì)所要求的動(dòng)力定位極限工作條件；同時(shí)從圖4中可以看出，該船在縱向具備相對(duì)較強(qiáng)的定位能力。圖5～圖8分別為各個(gè)推力器停止工作時(shí)的定位能力曲線。對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)推力器停工對(duì)定位能力有一定的削弱，特別在某些方向上會(huì)造成定位能力較大程度的降低。對(duì)比圖5～圖8可以看出，推力器4停工對(duì)動(dòng)力定位能力影響最大，這是推力器不對(duì)稱布置造成的。推力器1～3位于重心偏向艏部一側(cè)，推力器4位于偏向艉部一側(cè)，推力器4停工相當(dāng)于艉部一側(cè)推力器全部停工，必定對(duì)定位能力造成很大影響。圖9是推力器3和推力器4停工，在這種工況下，船舶幾乎喪失定位能力。

表4 計(jì)算工況定義

表5 最不利風(fēng)向下極限環(huán)境條件

圖4 動(dòng)力定位能力曲線——推力器完整

圖5 動(dòng)力定位能力曲線—No.1停工

圖6 動(dòng)力定位能力曲線—No.2停工

圖7 動(dòng)力定位能力曲線—No.3停工

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)I MCA建議的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，介紹了動(dòng)力定位能力曲線的計(jì)算要求，闡述了動(dòng)力定位能力曲線的計(jì)算方法和計(jì)算流程。結(jié)合上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)研發(fā)的項(xiàng)目實(shí)踐，以2 000 t起重船為研究對(duì)象，分析與計(jì)算了動(dòng)力定位系統(tǒng)環(huán)境載荷，建立了動(dòng)力定位系統(tǒng)定位能力分析模型，并采用C＋＋語(yǔ)言編程開發(fā)了動(dòng)力定位能力分析計(jì)算軟件。針對(duì)2 000 t起重船推力系統(tǒng)的完整模式和各種失效模式，計(jì)算并繪制了動(dòng)力定位能力曲線，并進(jìn)行動(dòng)力定位能力分析，為2 000 t起重船推進(jìn)器的選擇和布置提供有效的依據(jù)。

圖8 動(dòng)力定位能力曲線—No.4停工

圖9 動(dòng)力定位能力曲線—No.4停工

動(dòng)力定位能力曲線是一種靜態(tài)的定位能力分析方法，僅考慮了船舶推力系統(tǒng)理論上可能產(chǎn)生的推力與外環(huán)境載荷靜態(tài)的平衡情況，計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，適合于船舶初步設(shè)計(jì)階段使用。在實(shí)際應(yīng)用中，更加精確的定位能力分析需采用動(dòng)態(tài)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)模擬分析方法。相比動(dòng)力定位能力曲線，動(dòng)態(tài)模擬能夠考慮到動(dòng)態(tài)載荷，獲得實(shí)時(shí)定位信息，能更加直觀的評(píng)價(jià)定位能力。結(jié)合SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目，自主設(shè)計(jì)開發(fā)動(dòng)力定位動(dòng)態(tài)模擬分析軟件是下一階段的工作目標(biāo)。

［1］ The Inter national Marine Contractors Association.Specification for DP capability plots［M］I MCA 140 Rev.1.2000.

［2］ Bj?r n von Ubisch，Shipyard de Hoop.Station keeping criteria f or dynamically positioned vessels［C］.／／Marine Technology Society，Dynamic Positioning Conference.Houston，USA，September 28－30，2004.

［3］ Ay man B.Mahfouz，Hussein W.El－Tahan.On t he use of t he capability polar plots progra m for dynamic positioning systems for marine vessels［J］.Oceans Engineering，2006（33）：1070－1089.

［4］ Max J.Morgan.Dynamic positioning of offshore vessels［M］.United States：Petroleu m Publishing Co.，Tulsa，OK.1978.

［5］ 陳恒.深海半潛式平臺(tái)動(dòng)力定位推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［6］ J.Dang，H.Laheij.Hydr odynamic aspects of steerable thr usters［C］.／／Marine Technology Society，Dynamic Positioning Conference.Houston，USA，Septer ber 28－30，2004.