超大型自航自升式風(fēng)電安裝船波浪載荷與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

張甫杰, 顏建軍, 王思銘， 黃 凱， 高家鏞

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135; 2.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

超大型自航自升式風(fēng)電安裝船波浪載荷與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

張甫杰1, 顏建軍2, 王思銘2， 黃 凱2， 高家鏞1

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135; 2.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

為研究超大型自航自升式風(fēng)車安裝船滿載遷移工況下的水動(dòng)力特性，以“探險(xiǎn)”號(hào)海上風(fēng)車安裝船為研究對(duì)象，采用基于三維勢(shì)流理論的水動(dòng)力分析軟件HydroSTAR對(duì)船體在遷移時(shí)不同環(huán)境下的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和典型橫截面處的波浪載荷響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，并結(jié)合不規(guī)則波譜進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，得到各浪向作用下運(yùn)動(dòng)最大統(tǒng)計(jì)值、典型橫截面處的垂向剪力和垂向彎矩最大統(tǒng)計(jì)值。對(duì)比分析出最危險(xiǎn)的譜峰周期及波浪載荷隨浪向角和橫截面縱向位置的變化規(guī)律等。該研究可為海上風(fēng)車船遷移提供技術(shù)支撐，對(duì)其作業(yè)和實(shí)際營(yíng)運(yùn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

船舶工程;波浪載荷；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；短期預(yù)報(bào)；頻域分析

Abstract: In order to investigate the hydrodynamic characteristics of extra large self-propulsion & jack-up wind turbine installation vessel under fully transit condition, the vessel “MPI ADVENTURE” is selected as the research object. The following contents are studied by professional software HydroSTAR based on 3D potential flow theory: Response Amplitude Operator (RAO) of six-dof, wave loads of several typical sections, and the short term prediction with several irregular wave spectrums. The sensitivity analysis of wave period is conducted. The analysis gives that vertical shear force and vertical bending moment property varying with wave angle and section position. The conclusions can provide technological basis for transit condition analysis and give guidance for offshore installation operation and other practical applications.

Keywords: ship engineering; wave load; motion response; short-term prediction; frequency-domain analysis

隨著能源需求,特別是電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，發(fā)展風(fēng)電已是大勢(shì)所趨。風(fēng)電設(shè)備安裝船[1]是建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備,隨著海上風(fēng)電逐漸朝離岸化和大型化方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)電設(shè)備安裝船的運(yùn)輸能力、作業(yè)水深和起吊能力提出了更高的要求。專門用于海上風(fēng)電開發(fā)和維護(hù)的自航自升式風(fēng)電安裝船[2]以其適應(yīng)能力強(qiáng)、作業(yè)效率高和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為近海大型風(fēng)機(jī)安裝和維護(hù)的首選。國(guó)內(nèi)對(duì)近海風(fēng)電安裝船的研究[3]多集中于風(fēng)電安裝船作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及抗傾覆穩(wěn)定性研究等方面。這里主要對(duì)自航自升式風(fēng)電安裝船滿載遷移工況下的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，包括六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和典型截面的波浪載荷的頻率響應(yīng)曲線;同時(shí)，結(jié)合不規(guī)則波進(jìn)行頻域分析的短期預(yù)報(bào)和波浪周期敏感性分析，得出典型截面處的垂向剪力及垂向彎矩隨浪向角和船長(zhǎng)的變化規(guī)律，驗(yàn)算統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)最大值滿足法國(guó)船級(jí)社(Bureau Veritas,BV)規(guī)范限制值要求。

1 理論基礎(chǔ)和目標(biāo)船介紹

1.1理論基礎(chǔ)

作用在浮體上的波浪載荷[4]主要有波激力、平均漂移力和緩慢漂移力,其中:波激力是頻率等于入射波頻的一階波浪力，由一階速度勢(shì)求得，是波浪的主要組成部分;平均漂移力是二階波浪力中的穩(wěn)定部分;緩慢漂移力是二階波浪力中頻率低于入射波頻的部分。該風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)無(wú)系泊系統(tǒng)，故不考慮平均漂移力和緩慢漂移力;波頻運(yùn)動(dòng)是有義波能、波頻范圍內(nèi)的線性激勵(lì)運(yùn)動(dòng)，由一階波浪力引起。

浮式結(jié)構(gòu)物在規(guī)則波中的水動(dòng)力問題可分為繞射和輻射2個(gè)方面。根據(jù)勢(shì)流理論，速度勢(shì)流域內(nèi)滿足Laplace方程[5],即

(1)

引入復(fù)數(shù)形式速度勢(shì)φ，兩者之間的關(guān)系為

Φ=Re(φeiwt)

(2)

式(2)中：ω為入射波頻率；t為時(shí)間。

船舶在波浪中處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其位移向量將作為以遭遇頻率ωe為變化頻率的簡(jiǎn)諧量。

{η(t)}={η}eiωt=(η1,η2,η3,η4,η5,η6)Teiωt

(3)

式(3)中:ηj(j=1,2,3,4,5,6)為復(fù)數(shù)振幅，分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。

六自由度線性耦合的運(yùn)動(dòng)微分方程為

[C]{η(t)}={f(t)}

(4)

求得頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)后，結(jié)合短期預(yù)報(bào)波浪譜Sζ(ω)，得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜為

(5)

為得到船舶在相應(yīng)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估一般采用短期預(yù)報(bào)，典型的為3 h。[6]假定裝載工況、航速、浪向及海況條件基本不變，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)，預(yù)報(bào)的幅值服從瑞利(Rayleigh)分布[7],即

(6)

(7)

由此便得到該平臺(tái)的短期預(yù)報(bào)各種統(tǒng)計(jì)值。單幅值有義值η1/3為

(8)

單幅值最大值ηmax為

(9)

采用1/1 000值代替單幅最大值，則有

ηmax=1.86η1/3

(10)

1.2目標(biāo)船及海況參數(shù)

目標(biāo)船為“探險(xiǎn)”號(hào)海上風(fēng)車安裝船，其實(shí)船與三維水動(dòng)力模型見圖1，主尺度為:總長(zhǎng)138.55 m;垂線間長(zhǎng)132.54 m;型寬140.8 m;型深10.0 m;吃水5.010 m;縱傾-0.338 m;排水量20 817.3 t;初穩(wěn)心高12.281 m;航速10.0 kn。

a) 實(shí)船

b) 三維水動(dòng)力模型

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1運(yùn)動(dòng)及截面剪力、彎矩響應(yīng)曲線

船舶六自由度運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)曲線見圖2。由該圖可知:平臺(tái)的橫搖運(yùn)動(dòng)在橫浪(浪向?yàn)?0°)狀態(tài)下波浪頻率為0.69 rad/s時(shí),單位波幅下的頻率響應(yīng)幅值最大，約為5.2°;橫搖運(yùn)動(dòng)在艏斜浪120°和150°狀態(tài)下波浪頻率為0.59 rad/s(遭遇頻率為0.68 rad/s)及0.54 rad/s(遭遇頻率為0.67 rad/s)時(shí)單位波幅下的頻率響應(yīng)幅值分別為3.10°和1.22°;縱搖運(yùn)動(dòng)在迎浪(浪向?yàn)?80°)狀態(tài)下波浪頻率為0.55 rad/s(遭遇頻率為0.71 rad/s)時(shí)，單位波幅下的頻率響應(yīng)幅值最大，約為1.5°。平臺(tái)垂蕩最大發(fā)生在橫浪狀態(tài)下，波頻為0.3～0.68 rad/s，單位波幅下的頻率響應(yīng)幅值最大，約為1.0°。

圖3為3個(gè)截面處垂向剪力及垂向彎矩響應(yīng)曲線。由該圖可知，選取的3個(gè)典型截面中，截面2(0.25L)、截面4(0.5L)及截面6(0.75L)處的垂向剪力和垂向波浪彎矩都是在浪向角為180°時(shí)最大，最大垂向剪力分別為4.3×106N/m,2.9×106N/m和3.9×106N/m，相應(yīng)的波頻分別為0.66 rad/s(遭遇頻率為0.89 rad/s)、0.83 rad/s(遭遇頻率為1.19 rad/s)和0.71 rad/s(遭遇頻率為0.97 rad/s);最大垂向彎矩分別為8.2×107N·m/m,2.2×108N·m/m及2.1×108N·m/m，相應(yīng)的波頻分別為0.66 rad/s(遭遇頻率為0.89 rad/s)、0.65 rad/s(遭遇頻率為0.87 rad/s)和0.62 rad/s(遭遇頻率為0.82 rad/s)。

a) 縱蕩

b) 橫蕩

c) 垂蕩

d) 橫搖

e) 縱搖

f) 艏搖

a) 截面2處垂向剪力

b) 截面2處垂向彎矩

c) 截面4處垂向剪力

d) 截面4處垂向彎矩

e) 截面6處垂向剪力

f) 截面6處垂向彎矩

2.2運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及截面載荷預(yù)報(bào)

滿載遷移工況下的最大有義波高為5.0 m,譜峰周期為3～18 s，計(jì)算中選取8 s,10 s,12 s,14 s和16 s等5個(gè)周期進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，結(jié)合7個(gè)截面(分別為0.125L,0.25L,0.375L,0.50L,0.625L,0.75L,0.875L),重點(diǎn)對(duì)典型截面2,4,6處的垂向剪力和垂向彎矩預(yù)報(bào)最大值與規(guī)范限制值作比較，滿足規(guī)范要求。風(fēng)電安裝船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)最大值見表1,典型截面處的剪力與彎矩預(yù)報(bào)值見表2,典型截面處的最大剪力及最大彎矩見表3。

表1 風(fēng)電安裝船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)最大值

表2 典型截面處的剪力與彎矩預(yù)報(bào)值

表3 典型截面處的最大剪力值及最大彎矩值

圖4為橫搖、縱搖及垂蕩最大值隨波浪周期變化的規(guī)律。由該圖可知：橫搖角最大發(fā)生在橫浪狀態(tài),有義波高為5.0 m,譜峰周期為10 s時(shí)橫搖單幅最大值為15.7°；縱搖角最大發(fā)生在迎浪狀態(tài)，譜峰周期為12 s時(shí)縱搖單幅最大值為5.7°；垂蕩隨著譜峰周期的增大而增大并趨于穩(wěn)定，橫浪狀態(tài)下最大，迎浪狀態(tài)下最小。

1) 垂向剪力規(guī)范限值[8]為

QWV=30fVSFFQCLB(Cb+0.7)10-2

(11)

2) 垂向彎矩規(guī)范限值[8]為

MWV,H=190fVBMFMCL2BCb10-3

(12)

MWV,S=-110fVBMFMCL2B(Cb+0.7)10-3

(13)

式(12)和式(13)中：fVBM為環(huán)境參數(shù)，該船為無(wú)限航區(qū)，取1.0；FM為分布系數(shù),其取值見表5。

a) 橫搖最大值隨波浪周期變化

b) 縱搖最大值隨波浪周期變化

c) 垂蕩最大值隨波浪周期變化

表4 分布系數(shù)FQ取值

表5 分布系數(shù)FM取值

圖5為典型截面處垂向剪力及垂向彎矩隨浪向角變化規(guī)律,可看出:幾個(gè)截面處的垂向剪力和垂向彎矩隨浪向角變化基本一致，呈兩頭大中間小的規(guī)律;浪向角為180°時(shí)最大，迎浪狀態(tài)大于隨浪狀態(tài)，橫浪狀態(tài)最小;波浪譜峰周期為10 s時(shí)最大。

a) 垂向剪力最大值隨浪向角變化規(guī)律

b) 垂向彎矩最大值隨浪向變化規(guī)律

圖6為迎浪狀態(tài)下，有義波高為5 m，譜峰周期為10 s時(shí)，船體截面垂向剪力和垂向彎矩隨船長(zhǎng)變化規(guī)律。由該圖可知:剪力呈兩端大中間小的規(guī)律，而彎矩呈舯部大兩端小的規(guī)律;垂向剪力最大值為1.6×107N,最小值為6×106N，垂向彎矩最大值為8.3×108N·m,最小值為7.5×109N·m。

a) 剪力最大值隨船長(zhǎng)分布

b) 垂向彎矩最大值隨船長(zhǎng)分布

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)超大型海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)滿載遷移工況下的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論。

1) 在遷移工況10 kn航速下，通過進(jìn)行波浪周期敏感性分析發(fā)現(xiàn):譜峰周期為10 s時(shí)，在迎浪狀態(tài)下橫截面波浪中垂向剪力和垂向彎矩最大,在橫浪狀態(tài)下橫搖角度最大(單幅最大值為15.7°);譜峰周期為12 s時(shí)，縱搖角度最大，單幅最大值為5.7°。

2) 在典型截面處波浪下的波浪誘導(dǎo)剪力和彎矩隨浪向角呈兩端大中間小的規(guī)律;垂向剪力隨船長(zhǎng)呈兩端大舯部小的規(guī)律;垂向彎矩隨船長(zhǎng)呈舯部大兩端小的規(guī)律。

3) 在滿載遷移工況下平臺(tái)典型截面垂向剪力及垂向彎矩短期預(yù)報(bào)最大值滿足BV規(guī)范限制值。

[1] 張?zhí)?，汪張?zhí)?海上風(fēng)電設(shè)備安裝船的崛起和發(fā)展[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，24(5): 1-5.

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WaveLoadsandMotionCharacteristicsofExtraLargeSelf-Propulsion&Jack-UpWindTurbineInstallationVessel

ZHANGFujie1,YANJianjun2,WANGSiming2,HUANGKai2,GAOJiayong1

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. COSCO (Nantong) Shipyard Group Co., Ltd., Nantong 226006, China)

U661.3;U674.34

A

2016-07-01

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金(BA2011005)

張甫杰(1983—),男,山西運(yùn)城人，副研究員，主要從事船舶船舶水動(dòng)力性能研究。E-mail:zhangfujie@sssri.com

1000-4653(2016)03-0054-05