重大件貨物駁運(yùn)波浪運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報(bào)分析

劉燕星++陳曉明+江峰

摘 要：通過駁船載運(yùn)重大件貨物時，需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)南倒探壴?。駁船航行時處于復(fù)雜的波浪環(huán)境，其在波浪中的運(yùn)動加速度響應(yīng)值可作為船上貨物系固有效性的校核依據(jù)。本文基于水動力頻域分析和波浪譜分析方法，采用水動力計(jì)算軟件分析駁船載運(yùn)橋吊的重大件貨物載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)，對橋吊載運(yùn)綁扎系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動加速度進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，作為綁扎方案安全性評估的技術(shù)依據(jù)。本文分析思路可為同類重大件貨物駁運(yùn)系固方案的校核提供參考。

關(guān)鍵詞：重大件貨物駁運(yùn)系統(tǒng)；系固綁扎；運(yùn)動加速度；短期預(yù)報(bào)

中圖分類號：U661.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Short-term Predictions of Heavy and Lengthy Cargo-barge Systems Motion Response in Wave

LIU Yanxing， CHEN Xiaoming， JIANG Feng

（ CSIC Architecture Design & Research Institute Co.， Ltd. Beijing 100024 ）

Abstract： When heavy and lengthy cargo is transported by barge， they should be secured and lashed appropriately. When sailing in wave， the barge will encounter complex wave loads. The barges acceleration of motion response in wave can be used for evaluating the securing plan. Based on the hydrodynamic frequency domain analysis method and wave spectrum analysis method， a barge carrying three bridge cranes is selected to analyze its motion response in wave by the hydrodynamic software. Short-term predictions of the motion acceleration for the heavy and lengthy cargo-barge system are the basis of the safety evaluation of the system.

Key words： Heavy and lengthy cargo-barge system； Securing and lashing； Acceleration； Short-term prediction

1 前言

重大件貨物通常指單件重量或尺寸過大的貨物。由于重大件貨物具有體積大、重量重、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，普通的散貨船及集裝箱船難以承擔(dān)其運(yùn)輸任務(wù)。國際上用于重大件貨物載運(yùn)的船舶主要是具有超大甲板和特殊穩(wěn)性系統(tǒng)的駁船和專用重件運(yùn)輸船，其中又以駁船運(yùn)輸最為普遍。駁船在航行途中要承受復(fù)雜的波浪環(huán)境載荷，在三維空間上發(fā)生不規(guī)則搖蕩運(yùn)動，由此引起船上貨物的縱、橫和垂向三個方向的加速度，使貨物發(fā)生或可能發(fā)生位移、傾覆或損傷。如果不對重大件貨物進(jìn)行適當(dāng)?shù)南倒探壴?，輕則造成貨物損毀，重則造成船毀人亡的海難事故。船舶加速度值作為校核船上貨物系固有效性的重要依據(jù)，各國船級社和研究機(jī)構(gòu)通過對實(shí)船和模擬船的加速度測試和數(shù)據(jù)分析，提出了對海船在設(shè)定的惡劣海況下確定其加速度值的計(jì)算方法。這類計(jì)算方法大部分對所載貨物的類型有所規(guī)定，且是以基于規(guī)則本身所設(shè)定的惡劣海況為條件的，無法綜合考慮具體船舶的實(shí)際航行情況。

本文基于水動力頻域分析和波浪譜分析方法，考慮珠三角相關(guān)航線海域最高海況，采用AQWA水動力計(jì)算軟件分析某駁船載運(yùn)橋吊的重大件貨物載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)，對橋吊載運(yùn)綁扎系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動加速度進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，作為綁扎方案安全性評估的技術(shù)依據(jù)。本文應(yīng)用水動力方法計(jì)算求取重大件貨物載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動加速度幅值，對于校核綁扎方案可靠性、保障重大件貨物載運(yùn)安全、避免事故發(fā)生具有重要的參考價值。

2 船舶波浪運(yùn)動響應(yīng)分析方法

船舶在波浪作用下會產(chǎn)生6個自由度的運(yùn)動：縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖、搖首，并引起相應(yīng)運(yùn)動方向上的加速度。其中，船舶在某時刻重心G （ XG，YG，ZG ）處的運(yùn)動為：

（1）

若將運(yùn)動船舶視為剛體，則其上任一點(diǎn) P（ xp， yp，zp）的線加速度為：

（2）

利用譜分析方法預(yù)報(bào)船舶在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)是目前主流的研究方法，本文采用該方法分析船舶波浪運(yùn)動響應(yīng)。

在實(shí)際工程中，波浪的統(tǒng)計(jì)特性均采用波浪譜來表示。根據(jù)航行海域情況采用JONSWAP譜，其波浪譜密度函數(shù)表達(dá)式為：

（3）

式中：Tp為譜峰周期，s；

Hs為有義波高，m；

γ為譜峰提升因子，本文取γ = 3.300；

σ為峰形參數(shù)：當(dāng)ω≤ωp，σ = 0.07；當(dāng)ω> ωp，σ = 0.09。

船舶無航速時，波浪譜中的ω表示波浪的自然頻率；而航行船舶具有航速和波向角，此時自然頻率應(yīng)換算成船舶的遭遇頻率 。設(shè)航行船舶以航速V和遭遇浪向角θ在規(guī)則波中航行，則

遭遇周期： （4）

遭遇頻率： （5）

遭遇波浪譜： （6）

響應(yīng)譜和波譜均服從統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，所以當(dāng)描述船舶在隨機(jī)波浪作用下產(chǎn)生的響應(yīng)時可以用響應(yīng)譜函數(shù)的方式。航行船舶以一定的速度在波浪中航行，其運(yùn)動也是不規(guī)則的，并且每個運(yùn)動模態(tài)都有其響應(yīng)譜，可表示為：endprint

（7）

式中：Tz為平均跨零周期，s，可根據(jù)波浪譜與譜峰周期相互換算；

Hs為有義波高，m；

θ為航行的浪向角，rad；

Sζ（ωe | Hs ， Tz）為短期海況分布 （Hs ， Tz） 下的波浪譜；

Si（ωe | Hs ， Tz ， θ）為運(yùn)動響應(yīng)譜；

RAOi（ωe | θ）為運(yùn)動響應(yīng)幅值因子（RAO），包括位移、速度、加速度等；

下標(biāo)i表示運(yùn)動的6 個自由度方向。

作為波浪譜與響應(yīng)譜之間的轉(zhuǎn)換因子， RAO描述的是船舶在單位規(guī)則波作用下的運(yùn)動響應(yīng)幅值，可采用水動力頻域分析方法計(jì)算獲得。

根據(jù)響應(yīng)譜可以得到每個頻率下的運(yùn)動響應(yīng)幅值的短期預(yù)報(bào)，其中：

運(yùn)動響應(yīng)幅值： （8）

平均跨零周期（對應(yīng)平均跨零率，服從泊松分布）：

（9）

響應(yīng)值均方根： （10）

有義響應(yīng)幅值： （11）

運(yùn)動響應(yīng)極值短期預(yù)報(bào)：

（12）

mj是相應(yīng)運(yùn)動響應(yīng)譜的j階譜矩，也即響應(yīng)譜下的j階面積矩；

T為運(yùn)動持續(xù)的時間周期，通常取T = 3 h。

3 駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中運(yùn)動響應(yīng)計(jì)算模型

3.1駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)簡介

駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)總布置圖如圖1所示，其載運(yùn)工況主要參數(shù)見表1。

3.2數(shù)值計(jì)算模型及運(yùn)動加速度響應(yīng)輸出位置

船舶在波浪中運(yùn)動響應(yīng)計(jì)算的水動力模型采用船舶的濕表面和橋吊上用于輸出計(jì)算結(jié)果的特征位置進(jìn)行水動力建模，其坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在尾柱靜水面處，如圖2所示。

在計(jì)算模型中設(shè)置特定位置輸出運(yùn)動加速度響應(yīng)值，主要包括3臺橋吊的重心及主要綁扎位置。根據(jù)3臺橋吊各自放置位置所在區(qū)域?qū)?yīng)載運(yùn)船的位置，將3臺橋吊分別記為：橋吊 I、橋吊 II和橋吊 III。其中，由于3臺橋吊的重心均可視為位于載運(yùn)船中線面上，且橋吊III 重心距舯大于橋吊I 重心距舯，橋吊III 運(yùn)動中的加速度應(yīng)大于橋吊I ，因此對于主要綁扎位置選取橋吊III 靠載運(yùn)船尾部的框架上，共選取 6 個綁扎位置，如圖3所示。

3.3 環(huán)境參數(shù)

（1） 浪向角

考慮載運(yùn)船舶為對稱船型，計(jì)算浪向角可取值為0? ～ 180?。對浪向角計(jì)算步長取為30?，計(jì)算浪向角取θ = 0? 、30? 、60? 、90? 、120? 、150?。

（2）波浪參數(shù)

珠三角相關(guān)航線海域最高海況條件的波浪參數(shù)為：有義波高HS = 9.0 m；平均跨零周期TZ = 10.0 s。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)重心的響應(yīng)幅值因子（RAO）

采用水動力頻域分析的3D面元法計(jì)算單位規(guī)則波中駁船-橋吊載運(yùn)系統(tǒng)重心的RAO，并按3.3節(jié)所取的6個浪向角輸出各個RAO的幅值，如圖4所示。圖中橫坐標(biāo)為波浪周期，其范圍為 2.0 ～ 20.0 s；縱坐標(biāo)為單位波幅響應(yīng)值（m/m，?/m）。

4.2 駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)動加速度響應(yīng)短期預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果

按上述短期預(yù)報(bào)方法計(jì)算船–橋吊重心和各個綁扎點(diǎn)的運(yùn)動響應(yīng)，獲得重心及各個計(jì)算點(diǎn)在各個浪向中的運(yùn)動加速度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。其中，根據(jù)系統(tǒng)重心的RAO 以及重心與各個綁扎點(diǎn)的空間位移關(guān)系，可推算出各個綁扎點(diǎn)的運(yùn)動加速度RAO。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，對于每個輸出運(yùn)動加速度的特征位置，分別選取各個浪向中的最大值作為該特征位置在既定載運(yùn)工況下的最大運(yùn)動加速度響應(yīng)值，以此作為綁扎方案安全性評估的技術(shù)依據(jù)，并記錄相應(yīng)的浪向角，所得結(jié)果見表2。

必須注意，運(yùn)動加速度響應(yīng)值的最大值選取是整組選取，綜合比較不同浪向角下的計(jì)算結(jié)果，并以每組加速度中最大加速度分量為比較的優(yōu)先指標(biāo)。

表2 駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)波浪中運(yùn)動加速度響應(yīng)短期預(yù)報(bào)最大值統(tǒng)計(jì)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)動加速度響應(yīng)最大值既與浪向有關(guān)，在橫浪和接近橫浪時會產(chǎn)生較劇烈的運(yùn)動加速度響應(yīng)；又與校核點(diǎn)的位置有關(guān)，距離系統(tǒng)重心越遠(yuǎn)，橫搖加速度響應(yīng)越劇烈；距離舯縱剖面越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的垂向加速度響應(yīng)也越劇烈。在系固方案校核時，應(yīng)根據(jù)系固綁扎點(diǎn)的具體位置，著重校核其加速度響應(yīng)較劇烈的方向上的系固綁扎強(qiáng)度。同時在運(yùn)載過程中，應(yīng)盡量避免船舶遭遇橫浪情況。

5 結(jié)論

本文根據(jù)珠三角相關(guān)航線海域最高海況條件，采用水動力頻域分析方法和波浪譜分析方法，計(jì)算駁船橋吊載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動響應(yīng)，輸出所選取特征位置的運(yùn)動加速度響應(yīng)值，為橋吊載運(yùn)的綁扎方案評估提供技術(shù)依據(jù)。通過水動力方法直接計(jì)算重大件貨物載運(yùn)系統(tǒng)在波浪中的運(yùn)動加速度響應(yīng)，對于校核系固綁扎方案、保障載運(yùn)安全，具有重要的參考意義。

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