風(fēng)電設(shè)備對(duì)系泊狀態(tài)下養(yǎng)殖工船穩(wěn)性的影響分析

張春濤，蔡金延，丁仕風(fēng)，周 利*

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092) (2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100)

近年來，海洋牧場(chǎng)成為海洋工程領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，養(yǎng)殖工船長期遠(yuǎn)離大陸作業(yè)，需要大量的電力維持養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn).風(fēng)電裝置作為綠色能源，是養(yǎng)殖工船能耗問題的最佳解決方案之一.在養(yǎng)殖工船原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上添加風(fēng)電設(shè)備，會(huì)額外增加設(shè)備重量，并產(chǎn)生較大的風(fēng)電載荷，必然會(huì)影響船舶穩(wěn)性，開展風(fēng)電設(shè)備對(duì)系泊狀態(tài)下養(yǎng)殖工船穩(wěn)性的影響分析非常重要.

完整穩(wěn)性是船舶安全性的重要標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)船舶和建造船舶時(shí)需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵性因素.但仍然會(huì)有大量船舶由于穩(wěn)性校核不嚴(yán)謹(jǐn)，出現(xiàn)嚴(yán)重事故.正是如此，國際海事組織(IMO)從上世紀(jì)中后期就開始修訂各種船舶的完整穩(wěn)性規(guī)范，發(fā)展到目前為止，起草了《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》，即第一代完整穩(wěn)性規(guī)則[1].

早在18世紀(jì)，首次提出了穩(wěn)心的概念，并定義了穩(wěn)心半徑和初穩(wěn)性高的概念，從19世紀(jì)90年代開始陸續(xù)出現(xiàn)學(xué)者對(duì)橫搖現(xiàn)象展開研究，文獻(xiàn)[2]對(duì)船舶在突風(fēng)及規(guī)則波共同作用下的非線性橫搖運(yùn)動(dòng)方程展開研究；文獻(xiàn)[3]針對(duì)船舶在靜水中的穩(wěn)性計(jì)算方法與波浪中穩(wěn)性的計(jì)算方法進(jìn)行區(qū)別，對(duì)規(guī)則波中的船舶穩(wěn)性展開研究；文獻(xiàn)[4]闡述了國內(nèi)外波浪中船舶穩(wěn)性的最新進(jìn)展，以及完整穩(wěn)性的幾種失效模式的研究狀況和發(fā)展方向；文獻(xiàn)[5]研究了完整穩(wěn)性與過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)草案理論方法,并進(jìn)行了大量的樣船計(jì)算.文獻(xiàn)[6]基于經(jīng)驗(yàn)公式的Level 1衡準(zhǔn)和波浪中物面非線性關(guān)系影響GZ曲線特征的Level 2衡準(zhǔn)方法，對(duì)38條不同船型穩(wěn)性喪失衡準(zhǔn)敏感性進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[7]根據(jù)工信部完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)相關(guān)研究成果，介紹了5種失效模式薄弱性能衡準(zhǔn)和直接評(píng)估的最新進(jìn)展.文獻(xiàn)[8]結(jié)合了二代完整穩(wěn)性5種失效模式特點(diǎn)，提煉并形成了模型試驗(yàn)方法.文獻(xiàn)[9]根據(jù)第二代完整穩(wěn)性4種穩(wěn)性模式的計(jì)算分析，研究第二代穩(wěn)性的實(shí)施對(duì)大型集裝箱船的穩(wěn)性影響.文獻(xiàn)[10]基于波浪補(bǔ)償技術(shù)條件下對(duì)第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中參數(shù)橫搖失效模式進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出船艇產(chǎn)生參數(shù)橫搖時(shí)保持穩(wěn)定平衡的波浪補(bǔ)償量.文獻(xiàn)[11]采用第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中薄弱性衡準(zhǔn)方法對(duì)2種不同尺度的極地破冰船設(shè)計(jì)方案開展動(dòng)穩(wěn)性敏感性評(píng)估，指出了未來優(yōu)化研究的方向.文獻(xiàn)[12]對(duì)二代完整穩(wěn)性中5種失效模式的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，同時(shí)給出了5種穩(wěn)性失效模式的第一層薄弱性衡準(zhǔn)、第二層薄弱性衡準(zhǔn)以及直接評(píng)估方法.文獻(xiàn)[13]基于二代完整穩(wěn)性，采用一種離散的船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通用計(jì)算方法, 研究了過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)和穩(wěn)性直接評(píng)估數(shù)值模擬方法對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算精度的敏感性.文獻(xiàn)[14]發(fā)布了二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)臨時(shí)指南.目前《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》中尚未考慮附加載荷的影響.而風(fēng)機(jī)作用可能產(chǎn)生橫傾力矩，從而對(duì)船舶穩(wěn)性安全產(chǎn)生負(fù)面影響，目前這方面研究學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都沒有開展過.

文中首次基于現(xiàn)行穩(wěn)性衡準(zhǔn)的力學(xué)背景，定量研究風(fēng)電載荷對(duì)養(yǎng)殖工船的影響.通過分析影響系泊狀態(tài)下船舶穩(wěn)性的參數(shù)，基于COMPASS軟件，構(gòu)建船舶模型，計(jì)算不同風(fēng)電安裝位置下，風(fēng)電設(shè)備工作時(shí)，對(duì)船舶穩(wěn)性造成的影響，并分析造成影響的原因以及穩(wěn)性衡準(zhǔn)值的變化范圍，核算安裝風(fēng)電設(shè)備之后是否還滿足法規(guī)要求.然后借助COMPASS_WALCS波浪運(yùn)動(dòng)和載荷直接計(jì)算軟件，計(jì)算由于波浪作用產(chǎn)生的橫搖角，將結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式相比較，進(jìn)行不同計(jì)算方法對(duì)波浪引起橫搖角的敏感性分析.

1 穩(wěn)性分析力學(xué)模型

1.1 風(fēng)電載荷力學(xué)模型

風(fēng)電設(shè)施在發(fā)電工作時(shí)可以視為作用在船舶甲板上安裝點(diǎn)位置處的一個(gè)任意方向的力矢量.這個(gè)力矢量的大小可以在30～50噸力范圍內(nèi)浮動(dòng)，安裝點(diǎn)位置可以是甲板上任意位置，力矢量的指向可以是指向天空的任意方向，F(xiàn)(x,y,z)為風(fēng)電設(shè)備合力矢量；α為合力F與xoy平面的夾角；β為合力F與xoz平面的夾角；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為合力投影到各個(gè)坐標(biāo)上的分量.

1.2 風(fēng)電載荷基本假定

基于靜力學(xué)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)對(duì)于船舶穩(wěn)性評(píng)估的基本假定為：假定船舶在靜水當(dāng)中忽略波浪對(duì)于自由表面的影響，采用自由縱傾原理(即運(yùn)動(dòng)自由度僅考慮吃水和縱傾)計(jì)算不同橫傾角下的GZ曲線值，校核風(fēng)力載荷和波浪載荷影響下船舶的穩(wěn)性是否滿足衡準(zhǔn)要求.靜力學(xué)中對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)自由度僅考慮橫傾縱傾和升沉3個(gè)自由度.

我國現(xiàn)在船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求是按照中華人民共和海事局頒布的《國際航行法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2008)》附則3[1]中關(guān)于國際海事組織文件包括的所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則進(jìn)行計(jì)算和校核.其中對(duì)漁船單獨(dú)做出衡準(zhǔn)要求：

(1) 初重穩(wěn)距要求

在各種裝載工況下經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15 m.

(2) 復(fù)原力臂曲線下的面積要求

除另有明文規(guī)定外，在任何裝載工況下，復(fù)原力臂曲線(GZ曲線)下的面積應(yīng)滿足下列要求：

至橫傾角φ=30°時(shí)，應(yīng)不小于0.055 m·rad；

至橫傾角φ=40°或進(jìn)水角φf(如φf<40°)時(shí)，應(yīng)不小于0.090 m·rad；

在橫傾角30°～40°或30°與φf(如φf小于 40°)之間，應(yīng)不小于0.030 m·rad；其中，φf為船體、上層建筑或甲板室的開口不能迅速關(guān)閉成風(fēng)雨密而開始進(jìn)水時(shí)的橫傾角.

(3) 氣象衡準(zhǔn)值要求

船舶抵抗橫風(fēng)和橫搖聯(lián)合作用的能力曲線如圖1.

圖1 突風(fēng)與橫搖

船舶受到垂直于其中心線的一個(gè)定常風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一個(gè)定常風(fēng)傾力臂lw1，假定由于波浪作用假定由于波浪作用船由平衡角φ0向上風(fēng)一側(cè)搖至一個(gè)橫搖角φ1，在定常風(fēng)作用下的橫傾角)應(yīng)不大于16°或甲板邊緣浸水角的80%，取較小者，然后船舶受到一個(gè)陣風(fēng)風(fēng)壓，產(chǎn)生一個(gè)陣風(fēng)傾側(cè)力臂lw2，在此情況下，面積b應(yīng)該大于等于面積a，即氣象衡準(zhǔn)值應(yīng)該大于1.

根據(jù)船舶完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的制定背景，船舶完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)基于單一風(fēng)險(xiǎn)源分析原則，僅考慮船舶在水中受到風(fēng)浪作用下時(shí)是否具備充足的抵御外載荷導(dǎo)致傾覆的能力.因此，現(xiàn)有法規(guī)中對(duì)于船舶完整穩(wěn)性的規(guī)定，一般不直接在GZ曲線施加的傾覆力臂中考慮額外的載荷.在目前規(guī)則制定過程中，允許考慮初始橫傾角的影響，但對(duì)于外載荷則僅考慮風(fēng)和浪對(duì)船體的直接作用.因此，從衡準(zhǔn)制定的本源出發(fā)，應(yīng)將風(fēng)機(jī)載荷視為初始橫傾角的一個(gè)影響因素更合適.

考慮到風(fēng)電工作載荷在作用點(diǎn)安裝位置、載荷空間力矢量方向和載荷大小上存在較大的不確定性，因此有必要研究各種可能情況下風(fēng)電載荷對(duì)于船舶穩(wěn)性的影響.根據(jù)完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的制定原則，可以將風(fēng)電載荷等效轉(zhuǎn)化為作用在船上的若干力和力矩，并最終轉(zhuǎn)化為若干質(zhì)量配載的形式進(jìn)行等效處理.

因船舶進(jìn)行穩(wěn)性分析時(shí)視為剛體，船舶受到力矢量作用后，可以根據(jù)理論力學(xué)原理，將其等效為對(duì)于船舶重心施加的若干力和力矩的作用.現(xiàn)定義坐標(biāo)系：坐標(biāo)系原點(diǎn)與船舶裝載工況的重心重合.x軸與基線平行，由原點(diǎn)指向船首，y軸由原點(diǎn)指向船舶左舷，z軸由原點(diǎn)指向天空，坐標(biāo)系定義滿足右手定則.

在上述坐標(biāo)系下，假定船舶上的力矢量作用點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,z)，力矢量分量為(Fx,Fy,Fz).則作用在重心處的等效力為(Fx,Fy,Fz)，等效力矩為(Mx,My,Mz).

Mx,My以及Mz的計(jì)算為：

Mx=Fz·y-Fy·z
My=Fx·z-Fz·x

Mz=Fy·x-Fx·y

(1)

根據(jù)分析，等效載荷可以進(jìn)一步等效為施加在船舶上的等效質(zhì)量配載：

Fz可等效為在重心位置配載的正/負(fù)質(zhì)量；Mx可等效為在重心左/右舷配置一對(duì)正/負(fù)質(zhì)量；My可等效為在重心前/后舷配置一對(duì)正/負(fù)質(zhì)量.

等效質(zhì)量可分為3個(gè)部分：

(1) ΔM1=Fz/g，坐標(biāo)為重心處，定義坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(0,0,0)；

(2) ΔM2=±Mx/2yg=±(Fz·y-Fy·z)/2yg，坐標(biāo)為重心處，定義坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(0,?y,0);

(3) ΔM3=±My/2xg=±(Fx·z-Fz·x)/2xg，坐標(biāo)為重心處，定義坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(±x,0,0).

計(jì)算時(shí)需要將不同方向上的等效力(Fx,Fy,Fz)按照上式，進(jìn)行部分裝載，再與各個(gè)工況進(jìn)行組合，形成不同的裝載工況，在COMPASS的SRH14的計(jì)算模塊中進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，可得出在ld03工況下，安裝在(5,5,21.5)位置上的風(fēng)機(jī)對(duì)船舶整體穩(wěn)性的影響情況.

2 風(fēng)電載荷對(duì)穩(wěn)性影響分析

2.1 船體模型

采用Compass-Rules軟件，Compass-Rules海船規(guī)范計(jì)算系統(tǒng)作為船級(jí)社COMPASS工程計(jì)算軟件系統(tǒng)一個(gè)重要的子系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于船舶審圖、規(guī)范科研、輔助設(shè)計(jì)、航海安全評(píng)估規(guī)范計(jì)算和審圖計(jì)算等領(lǐng)域.涵蓋了船舶結(jié)構(gòu)、性能、輪機(jī)和電氣4個(gè)專業(yè)的計(jì)算模塊.此次對(duì)船舶穩(wěn)性計(jì)算就是使用了其中的船舶性能模塊，根據(jù)船舶型線圖對(duì)船舶進(jìn)行建模.由型線圖可知船長為241 m、型寬45 m的漁船，其型深為21.5 m，吃水為12 m，然后在COMPASS中建立船體模型，如圖2.

圖2 船體建模

然后根據(jù)總布置圖在船左舷空曠位置選取6個(gè)位置(右舷同理)，安裝風(fēng)電設(shè)備：

FJ11，坐標(biāo)(120,20,21.5)；

FJ12，坐標(biāo)(120,16,21.5)；

FJ21，坐標(biāo)(5,5,21.5)；

FJ22，坐標(biāo)(5,0,21.5)；

FJ31，坐標(biāo)(277,4.7,21.5)；

FJ32，坐標(biāo)(277,0,21.5).

文中主要以空載出港(LD1)、滿載出港-結(jié)構(gòu)吃水(LD3)、滿載出港-設(shè)計(jì)吃水(LD5)、養(yǎng)殖工況-結(jié)構(gòu)吃水(LD7)4個(gè)工況為典型工況，并對(duì)其展開計(jì)算研究.

2.2 計(jì)算模型精度驗(yàn)證

在COMPASS的SRH10模塊中對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行建模并檢驗(yàn)計(jì)算模型的正確性.用SRH11模塊計(jì)算不同裝載工況下的浮心縱向位置DLCB、橫穩(wěn)心高HKMT以及排水量的值，主要與LD1、LD3、LD5與LD7工況下的裝載手冊(cè)中的值進(jìn)行誤差分析，如表1.

表1 建模誤差分析

由表可以看出，KMT的誤差小于2%，LCB的誤差小于±1%，排水量的誤差小于±0.3%，都滿足國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)對(duì)于穩(wěn)性建模誤差的標(biāo)準(zhǔn).

在確認(rèn)計(jì)算模型精度滿足后，在SRH14模塊中按照裝載手冊(cè)不同裝載工況對(duì)模型進(jìn)行配載計(jì)算，對(duì)計(jì)算所得到的吃水值、縱傾以及橫穩(wěn)性初高HGM與裝載手冊(cè)上的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行誤差分析，如表2.

表2 吃水值、縱傾以及HGM誤差分析

通過誤差對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模型船和目標(biāo)船在不同工況下的吃水、縱傾以及HGM都在可以接受的誤差范圍，再次確認(rèn)模型船的可行性.

各項(xiàng)分析對(duì)比結(jié)果表明，建模具備良好的精度，用于后續(xù)風(fēng)電載荷影響分析所獲得的結(jié)果將是可信的.

2.3 不考慮風(fēng)電載荷作用條件下船舶穩(wěn)性計(jì)算

通過計(jì)算，驗(yàn)證了模型的精度后，開始對(duì)模型船進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量配載和穩(wěn)性.當(dāng)風(fēng)電設(shè)備不工作時(shí)，僅作為靜止的質(zhì)量計(jì)入船舶配載，按照上述假定的六個(gè)位置作為安裝位置，質(zhì)量計(jì)為5 t.則此時(shí)可將上述受力分析簡化為在(x,y,z)處受力Fz.通過計(jì)算得出氣象衡準(zhǔn)值和穩(wěn)定風(fēng)作用下的橫傾角，并與裝載手冊(cè)上未安裝風(fēng)電設(shè)備時(shí)的衡準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如表3.

表3 LD3工況下安裝風(fēng)電設(shè)備后衡準(zhǔn)和橫傾角的變化值

從表中可以看出，在安裝風(fēng)電設(shè)備之后，船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果均滿足完整穩(wěn)性規(guī)則，且與未安裝風(fēng)電設(shè)備時(shí)的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果相比較，變化值在可接受的范圍內(nèi).因此，在該位置安裝的風(fēng)電設(shè)備對(duì)船舶完整穩(wěn)性影響較小，能夠符合法規(guī)的要求.

2.4 多方向風(fēng)電載荷作用條件下船舶穩(wěn)性計(jì)算

當(dāng)風(fēng)電設(shè)施工作，計(jì)入(Fz,Mx,My)的影響，假設(shè)在以LD3工況(滿載出港-結(jié)構(gòu)吃水)為例，選擇最靠近外側(cè)的3個(gè)位置安裝風(fēng)電設(shè)備，坐標(biāo)分別為：① FJ1：(120,20,21.5)；② FJ2：(5,5,21.5)；③ FJ3：(277,4.7,21.5).力矢量(Fx,Fy,Fz)的合力大小在為50 t，力矢量的指向方向在xoy平面上應(yīng)360°等間距分布，分布間隔60°一個(gè).力矢量的指向方向在xoz平面上應(yīng)90°等間距分布，分布間隔為60°.按照式(1)進(jìn)行等效質(zhì)量計(jì)算，然后對(duì)模型進(jìn)行等效質(zhì)量裝載，計(jì)算得出初穩(wěn)性高度HGM、氣象衡準(zhǔn)值以及穩(wěn)定風(fēng)作用下的橫傾角，如表4.

表4 LD3工況下風(fēng)電設(shè)備工作時(shí)的船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

由表4可知，在風(fēng)電設(shè)備工作的情況下，只有穩(wěn)定風(fēng)作用下的橫傾角與原先未安裝風(fēng)電設(shè)備時(shí)的橫傾角相比變化較大，其余值變化不超過10%.且在(120,20,21.5)位置時(shí)，各個(gè)穩(wěn)性計(jì)算值變化更小.

這表明，由于風(fēng)向改變導(dǎo)致的風(fēng)力載荷方向的變化確實(shí)會(huì)對(duì)船舶完整穩(wěn)性的安全水平產(chǎn)生不等的影響.但總體上各項(xiàng)穩(wěn)性參數(shù)改變的絕對(duì)值較小，對(duì)于穩(wěn)性安全裕度的改變不大，因此風(fēng)向的影響總體較小.

2.5 典型環(huán)境工況下風(fēng)電載荷對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

在計(jì)算了LD3工況之后，進(jìn)一步研究風(fēng)電載荷對(duì)于其他典型裝載工況的影響.選擇在LD5工況(滿載出港-設(shè)計(jì)吃水)下進(jìn)行同樣的裝載計(jì)算，并與裝載手冊(cè)中未裝載風(fēng)電設(shè)備時(shí)的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果相比較，如表5.

表5 LD5工況下風(fēng)電設(shè)備工作時(shí)的船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果及變化值

由表中可以看出，在LD5工況下安裝風(fēng)機(jī)電設(shè)備后，風(fēng)電設(shè)備工作狀態(tài)下的船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果依然滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求.總體上，考慮不同典型環(huán)境工況下的風(fēng)電載荷對(duì)于本船典型裝載工況的穩(wěn)性產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，削弱了船舶抵抗風(fēng)浪的能力，但本船仍具備重復(fù)的穩(wěn)性安全冗余，能夠滿足現(xiàn)行法規(guī)中對(duì)于完整穩(wěn)性的有關(guān)技術(shù)要求.

3 波浪引起橫搖角敏感性分析

3.1 計(jì)算模型

3.1.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算橫傾角

在COMPASS中計(jì)算橫傾角的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(2)

式中：X1、X2、k以及s為系數(shù)，通過查表可知[2]，r=0.73+0.6(KG-d)/d；其中d為船舶平均吃水，m；KG為貨物重心，m.

由于COMPASS中計(jì)算波浪作用向上風(fēng)一側(cè)的橫搖角是采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[15]，對(duì)于不同的船型存在著不確定的誤差，所以文中又采用WALCS軟件，針對(duì)船舶在不規(guī)則波中的系泊狀態(tài)時(shí)的橫傾角進(jìn)行精確計(jì)算，然后將計(jì)算所得的橫傾角替換COMPASS軟件計(jì)算所得的GZ曲線中的橫傾角，在定義域范圍內(nèi)進(jìn)行積分，計(jì)算GZ曲線下方的面積，根據(jù)公式算的衡準(zhǔn)值k[16].

3.1.2 波浪誘發(fā)橫搖的數(shù)值模擬

波浪對(duì)于橫搖的誘發(fā)可以采用耐波性試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行研究和評(píng)估，耐波性實(shí)驗(yàn)又主要包括靜水實(shí)驗(yàn)、規(guī)則波試驗(yàn)、不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)[17].其中，不規(guī)則波模型試驗(yàn)主要通過船舶模型在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，以確定船體在不同頻率下的橫搖角及運(yùn)動(dòng)加速度[18].文中采用水動(dòng)力數(shù)值分析方法，基于經(jīng)典勢(shì)流理論，針對(duì)船舶在不規(guī)則波中系泊狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，從而確定在不規(guī)則波中的船舶橫傾角變化曲線.不規(guī)則波模型試驗(yàn)?zāi)茌^真實(shí)地反映天然海浪作用下的船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律，船舶設(shè)計(jì)期間確定船舶耐波性的重要依據(jù).

選取在COMPASS中計(jì)算所得，衡準(zhǔn)值較小，即穩(wěn)性狀況較危險(xiǎn)的8個(gè)工況進(jìn)行橫傾角計(jì)算，如表6.

表6 COMPASS中計(jì)算結(jié)果

3.1.3 船體模型

首先從COMPASS中導(dǎo)出船體模型，在WALCS中建立船體模型，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖3.

圖3 WALCS中船體模型

然后設(shè)置根據(jù)設(shè)置的質(zhì)量參數(shù)生成浮態(tài)網(wǎng)格，如圖4.

圖4 浮態(tài)網(wǎng)格

3.2 不同計(jì)算方法對(duì)比研究

利用建立好的船舶模型，在不規(guī)則波中進(jìn)行耐波性計(jì)算，獲得不同頻率下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，計(jì)算環(huán)境是無限水深，主要參數(shù)包括浪向角θB、入射角度等.其中入射波周期Ts設(shè)置為1.5～18.5 s，間隔1 s.有義波高Hs分別為9、11、12.5 m，浪向角設(shè)置為0～180°.在波浪條件下進(jìn)行計(jì)算，得出不同參數(shù)下的橫搖θR響應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖5.

圖5 有義波高12.5 m時(shí)不同浪向角下的橫搖響應(yīng)

根據(jù)上圖，比較不同浪向角下橫搖響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)，將其作為最大初始橫傾角進(jìn)行穩(wěn)性校核，其中當(dāng)入射角達(dá)到90°時(shí)，此時(shí)的最大初始橫搖角達(dá)到最大值0.326 rad，說明浪向角對(duì)于橫搖角有較大影響，且達(dá)到垂直入射時(shí)，橫搖角最大.

比較相同浪向角下，不同有義波高Hs對(duì)橫搖角的影響，如圖6.

圖6 浪向角為90°時(shí)不同有義波高下的橫搖響應(yīng)

根據(jù)圖6，比較不同有義波高下的橫搖響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有義波高越大，船舶模型的最大初始橫搖角越大，由于COMPASS軟件是在風(fēng)速為26 m/s的情況下進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，對(duì)照普氏風(fēng)級(jí)表以及海況等級(jí)表，在該風(fēng)速下的有義波高為9～12 m.所以選擇在有義波高12.5 m時(shí)，浪向角為90°時(shí)計(jì)算所得的橫搖角最大值，利用梯形積分法，按照公式計(jì)算氣象衡準(zhǔn)值k，并與COMPASS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表7.

表7 兩種計(jì)算方式衡準(zhǔn)值的變化值

由表可以看出，COMPASS中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的衡準(zhǔn)值更加保守，在相同情況下，COMPASS校核的船在保證正常海況下安全行駛的同時(shí)，還能夠適應(yīng)更加惡劣的海況，其穩(wěn)性裕度更充足，安全性更高.

4 結(jié)論

(1) 以風(fēng)電設(shè)備對(duì)系泊狀態(tài)下養(yǎng)殖工船穩(wěn)性的影響為研究對(duì)象，借助COMPASS軟件，在不同工況下的裝載進(jìn)行建模，針對(duì)不同風(fēng)電設(shè)備的安裝位置，在風(fēng)電設(shè)備靜止時(shí)對(duì)模型展開數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)安裝風(fēng)電設(shè)備前后，穩(wěn)定風(fēng)作下的橫傾角增加了8.4%，其各項(xiàng)指標(biāo)仍然滿足完整穩(wěn)性規(guī)則的有關(guān)要求.

(2) 當(dāng)風(fēng)電設(shè)備工作時(shí)，載荷總體上對(duì)于船舶的完整穩(wěn)性有一定的負(fù)面影響.但根據(jù)上述計(jì)算假定施加的風(fēng)電載荷后，船舶完整穩(wěn)性會(huì)減小10%左右，說明風(fēng)電載荷總體上對(duì)于本船的完整穩(wěn)性有一定的負(fù)面影響，但船舶削弱后的穩(wěn)性裕度仍能滿足現(xiàn)有法規(guī)對(duì)于船舶完整穩(wěn)性的有關(guān)技術(shù)要求.

(3) 通過WALCE進(jìn)行大量計(jì)算，比較經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與文中直接計(jì)算方法所得到的波浪載荷橫傾角結(jié)果，發(fā)現(xiàn)使用規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算波浪載荷對(duì)船造成的橫傾角會(huì)比直接計(jì)算法得到的結(jié)果小4%左右，說明經(jīng)驗(yàn)公式更加保守，這樣會(huì)使得完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)值的富余量更加充足，設(shè)計(jì)的船舶更加安全.